Канальный уровень сетевой модели OSI

5.1. Общие сведения о канальном уровне

Программно-аппаратные средства канального уровня (Data Link) модели OSI обеспечивают доступ к сетевой среде передачи информации, и организуют обмен данными через общую локальную среду. Канальный уровень находится между сетевым и физическим уровнями модели OSI, поэтому он должен предоставлять сервис вышележащему уровню, взаимодействуя с сетевым протоколом, и обеспечивая инкапсулированным в кадр пакетам доступ к сетевой среде. В то же время, канальный уровень управляет процессом размещения передаваемых данных в физической среде. Поэтому канальный уровень разделен на 2 подуровня ( рис. 5.1): верхний подуровень управления логическим каналом передачи данных (Logical Link Control - LLC), являющийся общим для всех технологий, и нижний подуровень управления доступом к среде (Media Access Control - MAC). Кроме того, средства канального уровня позволяют обнаруживать ошибки в передаваемых данных.

Рис. 5.1. Подуровни канального уровня

Взаимодействие узлов локальных сетей происходит на основе протоколов канального уровня. Передача данных в локальных сетях происходит на сравнительно короткие расстояния (внутри зданий или между близко расположенными зданиями), но с высокой скоростью (10 Мбит/с - 100 Гбит/с). Расстояние и скорость передачи данных определяется аппаратурой соответствующих стандартов.

Международным институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE) было разработано семейство стандартов 802.х, которое регламентирует функционирование канального и физического уровней семиуровневой модели ISO/OSI. Ряд этих протоколов являются общими для всех технологий, например стандарт 802.2, другие протоколы (например, 802.3, 802.3u, 802.5) определяют особенности технологий локальных сетей.

Подуровень LLC реализуется программными средствами. На подуровне LLC существует несколько процедур, которые позволяют устанавливать или не устанавливать связь перед передачей кадров, содержащих данные, восстанавливать или не восстанавливать кадры при их потере или обнаружении ошибок. Подуровень LLC реализует связь с протоколами сетевого уровня, обычно с протоколом IP. Связь с сетевым уровнем и определение логических процедур передачи кадров по сети реализует протокол 802.2. Протокол 802.1 дает общие определения локальных вычислительных сетей, связь с моделью ISO/OSI. Существуют также модификации этого протокола.

Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей. Каждой технологии МАС-уровня (каждому протоколу: 802.3, 802.3u, 802.3zи др.) соответствует несколько вариантов спецификаций (протоколов) физического уровня ( рис. 5.1). Спецификация технологии МАС-уровня - определяет среду физического уровня и основные параметры передачи данных (скорость передачи, вид среды, узкополосная или широкополосная).

На канальном уровне передающей стороны формируется кадр, в который инкапсулируется пакет. В процессе инкапсуляции к пакету сетевого протокола, например IP, добавляется заголовок и концевик (трейлер) кадра. Таким образом, кадр любой сетевой технологии состоит из трех частей:

• заголовка,
• поля данных, где размещен пакет,
• концевика.

На приемной стороне реализуется обратный процесс декапсуляции, когда из кадра извлекается пакет.

Заголовок включает разделители кадров, поля адресов и управления. Разделители кадров позволяют определить начало кадра и обеспечить синхронизацию между передатчиком и приемником. Адреса канального уровня являются физическими адресами. При использовании Ethernet-совместимых технологий адресацию данных в локальных сетях осуществляют МАС-адреса, которые обеспечивают доставку кадра узлу назначения.

Концевик содержит поле контрольной суммы (Frame Check Sequence - FCS), которая вычисляется при передаче кадра с использованием циклического кода CRC. На приемной стороне контрольная сумма кадра вычисляется вновь и сравнивается с принятой. Если они совпадают, то считают, что кадр передан без ошибок. При расхождении значений FCS кадр отбрасывается и требуется его повторная передача.

При передаче по сети кадр последовательно проходит целый ряд соединений, характеризующихся разной физической средой. Например, при передаче данных с Узла А на Узел В ( рис. 5.2) данные последовательно проходят через: соединение Ethernet между Узлом А и маршрутизатором А (медь, неэкранированная витая пара), соединение между маршрутизаторами А и В (волоконно-оптический кабель), медный кабель последовательного соединения "точка-точка" между маршрутизатором В и беспроводной точкой доступа WAP, беспроводное соединение (радиоканал) между WAP и конечным Узлом В. Поэтому для каждого соединения формируется свой кадр специфического формата.

Рис. 5.2. Сеть с разнородными соединениями

Пакет, подготовленный Узлом А, инкапсулируется в кадр локальной сети, который передается в маршрутизатор А. Маршрутизатор декапсулирует пакет из принятого кадра, определяет на какой выходной интерфейс передать пакет, затем формирует новый кадр для передачи по оптической среде. Маршрутизатор В декапсулирует пакет из принятого кадра, определяет на какой выходной интерфейс передать пакет, затем формирует новый кадр для передачи по медной среде последовательного соединения "точка-точка". Беспроводная точка доступа WAP, в свою очередь, формирует свой кадр для передачи данных по радиоканалу на конечный Узел В.

При создании сетей используются различные логические топологии, которые определяют, как узлы общаются через среду, как обеспечивается управление доступом к среде. Наиболее известные логические топологии: "точка-точка" (point-to-point), множественного доступа (multiaccess), широковещательная (broadcast) и маркерная (token passing).

Совместное использование среды несколькими устройствами реализуется на основе двух основных методов:

• метод конкурентного (недетерминированого) доступа (Contention-based Access), когда все узлы сети равноправны, очередность передачи данных не организована. Для передачи данный узел должен прослушать среду, если она свободна, то можно передать информацию. При этом могут возникнуть конфликты (коллизии), когда два (или более) узла одновременно начинают передачу данных;
• метод контролируемого (детерминированного) доступа (Controlled Access), который обеспечивает узлам очередность доступа к среде для передачи данных.

На ранних этапах создания Ethernet-сетей использовалась топология "шина", разделяемая среда передачи данных являлась общей для всех пользователей. При этом реализовался метод множественного доступа к общей среде передачи (протокол 802.3). При этом требовался контроль несущей, наличие которой говорило о том, что какой-то узел уже передает данные по общей среде. Поэтому узел, желающий передать данные, должен был дождаться окончания передачи и при освобождении среды попытаться передать данные.

Переданную в сеть информацию может получить любой компьютер, у которого адрес сетевого адаптера NIC совпадает с МАС-адресом назначения передаваемого кадра, или все компьютеры сети при широковещательной передаче. Однако передавать информацию в любой момент времени может только один узел. Прежде чем начать передачу, узел должен убедиться, что общая шина свободна, для чего узел прослушивает среду.

При одновременной передаче данных двумя или более компьютерами возникает конфликт (коллизия), когда данные передающих узлов накладываются друг на друга, происходит искажение и потеря информации. Поэтому требуется обработка коллизии и повторная передача участвовавших в коллизии кадров.

Подобный метод недетерминированного (ассоциативного) доступа к среде получил название множественного доступа к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sence Multiply Access with Collision Detection - CSMA/CD).

Метод CSMA/CD не организует и не обслуживает очередность доступа к среде передачи, поэтому не требует больших вычислительных ресурсов и пропускной способности сети. Однако при высокой загрузке сети количество коллизий возрастает и производительность (throughput) снижается. Данный метод использовался в сетях технологии Ethernet, выполненными на концентраторах с полудуплексными проводными соединениями (медными и волоконно-оптическими кабелями).

В настоящее время использование в локальных сетях коммутаторов с полнодуплексными соединениями позволило полностью устранить коллизии. Однако возможность использования метода CSMA/CD сохранилась в сетях технологий FastEthernet и GigabitEthernet. Стандарт технологии 10 GigabitEthernet законодательно запретил использовать метод CSMA/CD, т.е. запретил строить локальные сети на концентраторах.

В беспроводных сетях технологий 802.11 используется ассоциативный метод множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением (избежанием) коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance - CSMA/CA). Обмен сообщениями производится через беспроводную точку доступа. Согласно этому методу, устройство, которому требуется передать данные, проверяет среду передачи на наличие сигнала несущей. Если среда свободна, устройство отправляет уведомление беспроводной точке доступа о своем намерении использовать ее. Затем устройство отправляет данные.

В отличие от метода множественного доступа к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD), метод CSMA/CA позволяет значительно уменьшить количество коллизий в сети с разделяемой средой передачи, но не предотвратить их полностью.

Метод контролируемого (детерминированного) доступа с маркерной логической топологией использовался в сетях Token Ring и Fiber Distributed Data Interface (FDDI). В этих сетях, также как в сетях Ethernet, реализуется разделение общей среды и множественный доступ. Однако, если в топологии множественного доступа Ethernet-сетей доступ к среде случайный (не детерминированный), то в маркерной топологии доступ к среде детерминированный. Электронный маркер (token) последовательно передается каждому узлу по кольцу. Узел, получивший маркер, может передавать данные в сеть. Если в узле нет данных для передачи, то он передает маркер следующему узлу и процесс повторяется. Сети Token Ring и FDDI в настоящее время вытеснены технологиями Ethernet.