Уровни модели OSI Канальный уровень 1. Функции

Уровни модели OSI Канальный уровень

1. Функции канального уровня • • Канальный уровень (data link layer) является первым уровнем (если идти снизу вверх), который работает в режиме коммутации пакетов. На этом уровне PDU обычно носит название кадр (frame). Функции средств канального уровня определяются по разному для локальных и глобальных сетей. В локальных сетях канальный уровень должен обеспечивать доставку кадра между любыми узлами сети. При этом предполагается, что сеть имеет типовую топологию, например общую шину, кольцо, звезду или дерево (иерархи ческую звезду). Примерами технологий локальных сетей, применение кото рых ограничено типовыми топологиями, являются. Ethernet, FDDI, Token Ring. В глобальных сетях канальный уровень должен обеспечивать доставку кадра только между двумя соседними узлами, соединенными индивидуальной лини ей связи. Примерами двухточечных протоколов (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы РРР и HDLC. На основе двухточечных связей могут быть построены сети произвольной топологии.

Одной из функций канального уровня является поддержание интерфейсов с нижележащим физическим уровнем и вышележащим сетевым уровнем. Сетевой уровень направляет канальному уровню пакет для передачи в сеть или принимает от него пакет, полученный из сети. Физический уровень используется канальным как инструмент, который принимает и передает в сеть последовательности битов. • Одной из задач канального уровня является обнаружение и коррекция ошибок. Для этого канальный уровень фиксирует границы кадра, помещая специальную последовательность битов в его начало и конец, а затем добавляет к кадру контрольную сумму, которая называется также контрольной последовательностью кадра (Frame Check Sequence, FCS). Контрольная сумма вычисляется по некоторому алгоритму как функция от всех байтов кадра. По значению FCS узел назначения сможет определить, были или нет искажены данные кадра в процессе передачи по сети.

• Однако прежде, чем переправить кадр физическому уровню для непосредственной передачи данных в сеть, канальному уровню может потребоваться решить еще одну важную задачу. Если в сети используется разделяемая среда, то прежде чем физический уровень начнет передавать данные, канальный уровень должен проверить доступность среды. Функции проверки доступности разделяемой среды иногда выделяют в отдельный подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

2. Структура стандартов IEEE 802. x В 1980 году в институте IEEE был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802 х, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Позже результаты работы этого комитета легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802 1. . . 5. Эти стандарты были созданы на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, Arc. Net и Token Ring.

• Специфика локальных сетей также нашла свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня, которые часто называют также уровнями. Канальный уровень (Data Link Layer) делится в локальных сетях на два подуровня: • логической передачи данных (Logical Link Control, LLC); • управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Стандарты IEEE 802 имеют достаточно четкую структуру приведенную на рисунке:

• • • • Сегодня комитет 802 включает следующий ряд подкомитетов, в который входят как уже упомянутые, так и некоторые другие: 802. 1 Internetworking объединение сетей; 802. 2 Logical Link Control, LLC управление логической передачей данных; 802. 3 Ethernet с методом доступа CSMA/CD; 802. 4 Token Bus LAN локальные сети с методом доступа Token Bus; 802. 5 Token Ring LAN локальные сети с методом доступа Token Ring; 802. 6 Metropolitan Area Network, MAN сети мегаполисов; 802. 7 Broadband Technical Advisory Group техническая консультационная группа по широкополосной передаче; 802. 8 Fiber Optic Technical Advisory Group техническая консультационная группа по волоконно оптическим сетям; 802. 9 Integrated Voice and data Networks интегрированные сети передачи голоса и данных; 802. 10 Network Security сетевая безопасность; 802. 11 Wireless Networks беспроводные сети; 802. 12 Demand Priority Access LAN, l 00 VG Any. LAN локальные сети с методом доступа по требованию с приоритетами.

3. Уровень LLC выполняет две функции: • организует интерфейс с прилегающим к нему сетевым уровнем; • обеспечивает доставку кадров с заданной степенью надежности. Интерфейсные функции LLC заключаются в передаче пользовательских и служебных данных между уровнем MAC и сетевым уровнем. При передаче данных сверху вниз уровень LLC принимает от протокола сетевого уровня пакет (напри мер, IP или IPX пакет), в котором уже находятся пользовательские данные. По мимо пакета сверху также передается адрес узда назначения в формате той тех нологии LAN, которая будет использована для доставки кадра в пределах данной локальной сети. Напомним, что в терминах стека TCP/IP такой адрес называет ся аппаратным. Полученные от сетевого уровня пакет и аппаратный адрес уровень LLC передает далее вниз — уровню MAC. Кроме того, LLC при необходимости решает задачу мультиплексирования, передавая данные от нескольких протоколов сетевого уровня единственному протоколу уровня MAC.

При передаче данных снизу вверх LLC принимает от уровня MAC пакет сетевого уровня, пришедший из сети. Теперь ему нужно выполнить еще одну интерфейсную функцию — демультиплексирование, то есть решить, какому из сетевых протоколов передать полученные от MAC данные (рис. 12. 4).

Для демультиплексирования данных LLC использует в своем заголовке специальные поля (рис. 12. 5). Обеспечение доставки кадров с заданной степенью надежности — вторая основная функция уровня LLC. Протокол LLC поддерживает несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся надежностью доставки.

• Уровень LLC предоставляет верхним уровням три типа транспортных услуг. • Услуга LLC 1 — услуга без установления соединения и без подтверждения получения данных. • Услуга LLC 2 — дает пользователю возможность установить логическое соединение перед началом передачи любого блока данных и, если это требуется, выполнить процедуры восстановления после ошибок и упорядочивание потока блоков в рамках установленного соединения. Для надежной доставки данных протокол LLC 2 использует алгоритм скользящего окна. • Услуга LLC 3 — услуга без установления соединения, но с подтверждением получения данных.

4. Уровень MAC Основными функциями уровня MAC являются: • обеспечение доступа к разделяемой среде; • передача кадров между конечными узлами, используя функции и устройства физического уровня. Метод случайного доступа является одним из основных методов захвата разделяемой среды. Он основан на том, что узел, у которого есть кадр для передачи, пытается его отправить без какой бы то ни было предварительной процедуры согласования времени использования разделяемой среды с другими узлами сети.

Транспортировка кадров осуществляется уровнем MAC в несколько этапов, которые в общем случае не зависят от выбранного метода доступа: 1)Формирование кадра 2)Передача кадра через среду 3)Прием кадра

5. Форматы кадров технологии Ethernet На практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4 х различных форматов (типов): Кадр 802. 3/LLC Кадр Raw 802. 3/Novell 802. 3 Кадр Ethernet DIX/Ethernet II Кадр Ethernet SNAP

• Форматы всех этих четырех типов кадров Ethernet приведены на рис. 12. 9.

6. Протоколы семейства HDLC • • Протокол HDLC (High Level Data Link Control высокоуровневое управление линией связи) представляет целое семейство протоколов, образующих канальный уровень для следующих сетей и устройств: LAP B сетей X. 25, LAP D сетей ISDN, LAP M – асинхронно синхронных модемов, LAP F сетей Frame Relay

Формат HDLC кадра представлен на рисунке:

• • • □Ненумерованные кадры предназначены для установления и разрыва логического соединения, а также информирования об ошибках. Поле М ненумерованных кадров содержит коды, определяющие тип команд, которыми пользу ются два узла на этапе установления соединения, например: О UA (Unnumbered Acknowledgment — ненумерованная положительная квитанция) — подтверждение установления или разрыва соединения; О REST (Resetting connection — сброс соединения) — запрос на разрыв соединения. □Управляющие кадры предназначены для передачи команд и ответов в контексте установленного логического соединения, в том числе для передачи запросов на повторную передачу искаженных информационных блоков: О REJ (Reject — отказ) — часто используется как отрицательная квитанция приемника. □Информационные кадры предназначены для передачи данных пользователя. В процессе передачи информационных блоков осуществляется их нумерация в соответствии с алгоритмом скользящего окна.

При работе HDLC для обеспечения надежности передачи используется скользящее окно размером в 7 кадров (при размере поля управления 1 байт) или 127 кадров (при размере поля управления 2 байта). Для поддержания алгоритма окна в информационных кадрах станции отправителя отводится два поля: N(S) — номер отправляемого кадра; N(R) — номер кадра, который станция ожидает получить от своего партнера по диалогу. Например: станция А отправила станции В информационный кадр с некоторыми значениями NA(S) и NA(R). Если в ответ на этот кадр приходит кадр от станции В, в котором номер посланного этой станцией кадра NB(S) совпадает с номером ожидаемого станцией А кадра NA(R), то передача считается корректной. Если станция А принимает кадр ответ, в котором номер отправленного кадра NB(S) неравен номеру ожидаемого NA(R), то станция А этот кадр отбрасывает и посылает отрицательную квитанцию REJ (отказ) с номером NA(R). Приняв отрицательную квитанцию, станция В обязана повторить передачу кадра с номером NA(R), а также всех кадров с большими номерами, которые она уже успела отослать, пользуясь механизмом скользящего окна.

7. Протокол РРР (Point to Point Protocol) является стандартным протоколом Интернета. Протокол РРР так же, как и HDLC, представляет собой целое семейство протоколов, в которое, в частности, входят: протокол управления линией связи (Link Control Protocol, LCP); протокол управления сетью (Network Control Protocol, NCP): многоканальный протокол РРР (Multi Link РРР. MLPPP); протокол аутентификации по паролю (Password Authentication Protocol, PAP); протокол аутентификации по квитированию вызова (Challenge Handshake Authentication Protocol, CHAP).

8. Метод обнаружения ошибок CRC Циклический избыточный контроль (Cyclic Redundancy Check, CRC) является в настоящее время наиболее популярным методом контроля в вычислительных сетях. Метод основан на рассмотрении исходных данных в виде одного многоразрядного двоичного числа. Например, кадр стандарта Ethernet, состоящий из 1024 байт, будет рассматриваться как одно число, состоящее из 8192 бит. Контрольной информацией считается остаток от деления этого числа на известный делитель R. Обычно в качестве делителя вы бирается семнадцати илитридцатитрехразрядное число, чтобы остаток от деления имел длину 16 разрядов (2 байт) или 32 разряда (4 байт). При получении кадра данных снова вычисляется остаток от деления на тот же делитель R, но при этом к данным кадра добавляется и содержащаяся в нем контрольная сумма. Если остаток от деления на R равен нулю, то делается вывод об отсутствии ошибок в полученном кадре, в противном случае кадр считается искаженным.