Основная задача канального уровня передача кадров (frame) по каналам связи. На этом уровне и определяется, где в потоке бит начало сообщения, где конец.
На канальном уровне проводится нахождение и корректировка ошибок для некоторых каналов с множественным доступом, где одну и ту же среду передачи данных используют несколько устройств.
Дополнительные задачи канального уровня:
- Адресация если в канале связи (КС) есть несколько устройств, необходимо определить, к какому именно устройству адресовано передаваемое сообщение;
- Согласованный доступ к каналу. Если все гаджеты одновременно начнут передавать информацию, то данные в КС искажаются и не смогут быть приняты.
Работа с кадрами
Физический уровень предназначен для передачи потока бит по КС. А на канальном уровне необходимо передавать не отдельные биты, а целые сообщения. Задача №1 для канального уровня, выделить сообщения из потока бит, которые приходят по среде передачи данных.
Например, есть два ноутбука Хост 1 и Хост 2. И на картинке ниже есть три уровня, сетевой, канальный и физический.
Канальный уровень получает информацию от сетевого и добавляет к нему заголовок и концевик. И именно это сообщение, выделенное красным, заголовок канального уровня, пакет с сетевого уровня и концевик канального уровня и является фреймом. Такое сообщение отправляется через физический уровень по среде передачи данных и поступает на канальный уровень принимающего уровня.
Принимающее устройство читает заголовок и концевик, извлекает пакет сетевого уровня и передает вышестоящему сетевому уровню для последующей обработки.
Методы выделения кадров
Чтобы определить, где в потоке бит начинаются и заканчиваются отдельные frame, были придуманы следующие методы:
- Указание количества байт;
- Вставка байтов (byte stuffing) и битов (bit stuffing);
- Средства физического уровня.
Наипростейший способ определить, где начинается и заканчивается кадр добавлять длину этого кадра в начало кадра. Например, на картинке ниже показано 3 кадра выделенных разным цветом. В начале каждого кадра указано количество байт. Синим цветом 6, желтым 8, зеленым 4.
Этот метод прост в реализации, но есть недостаток, искажение данных при передаче по сети. Например, при передаче первого кадра появилось искажение и вместо длины кадра шесть байт, получатель получил семь байт.
Получатель посчитает, что семь это длина кадра. Далее идет длина следующего кадра. Здесь она два байта, затем длина следующего кадра семь. Если у нас произошла хоть одна ошибка, то будет нарушена последовательность чтений. Следовательно такой метод на практике не годится к применению.
Чтобы определить начало и конец кадра, в начале и конце каждого кадра используют специальные последовательности байт или бит. Вставка байтов применялась в протоколах BSC компании IBM, в котором отправлялись обычные текстовые символы.
Перед передачей каждого фрейма добавлялись байты DLE STX (start of text), а после окончания передачи фрейма DLE ETX (end of text). Проблема может возникнуть в том, что в данных тоже может встретиться точно такая же последовательность.
Чтобы отличать последовательность, которая встречается в данных от управляющих символов используются Escape последовательности. В протоколе BSC это тоже последовательность символов DLE (data link escape). Если какая-то последовательность управляющих символов встречается в данных перед ними добавляются escape последовательности DLE, чтобы протокол понимал, что в реальности это данные, а не управляющие символы.
Вставка битов применяется в более современных протоколах, таких как HDLC и PPP. Здесь перед началом и концом каждого кадра добавляется последовательность бит состоящая из 01111110. Может возникнуть проблема, если в данных встречаются подряд идущие 6 или более единиц. Чтобы решить эту задачу в данные, после каждых пяти последовательно идущих 1 добавляется 0. Затем, как получатель прочитал 5 последовательно идущих 1 и встретил 0, то он, этот 0 игнорирует.
Другой вид определения начала и конца кадра, это использование средств физического уровня и он применяется в технологии Ethernet. В первом варианте технологии ethernet использовалась преамбула это последовательность данных, которая передается перед началом каждого кадра. Она состоит из 8 байт. Первые семь байт состоят из чередующихся 0 и 1: 10101010. Последний байт содержит чередующиеся 0 и 1, кроме двух последних бит в котором две единицы. И именно такая последовательность говорит, что начинается новый кадр.
В более старых версиях используется избыточное кодирование, позволяющее определить ошибки, но при этом не все символы являются значащими. В технологии Fast Ethernet применили эту особенность кода и используют символы, которые не применяются для представления данных в качестве сигналов о начале и конце кадра.
Перед отправкой каждого кадра передаются символы J (11000) и K (10001), а после окончания отправки кадра передается символ T (01101).
Обнаружение и исправление ошибок
Самый простой способ это обнаружить ошибку. Например, с помощью контрольной суммы или какого-либо другого алгоритма. Если у нас технология канального уровня использует обнаружение технических ошибок, то кадр в котором произошла ошибка, просто отбрасывается. Попыток восстановить данные не производится.
Более сложный механизм это исправление ошибок. Чтобы иметь возможность исправить ошибку, нужно добавить к данным дополнительную информацию, с помощью которой мы сможем обнаружить ошибки и восстановить правильные данные. Для этого используются специальные коды исправляющие ошибки.
Другой вариант исправление ошибок при передаче данных это повторная отправка тех кадров в которых произошла ошибка. Он используется совместно с обнаружением ошибок, когда отправитель передает данные получателю, получатель обнаруживает ошибку в данных, но вместо того чтобы исправить ошибку в передаваемых данных, отправитель передает эти данные еще раз.
Давайте рассмотрим, как реализуется повторная отправка сообщений. Предположим, что у нас есть отправитель и получатель и отправитель передал получателю некоторое сообщение. Получатель получил это сообщение проверил его на корректность убедился, что данные переданы правильно и после этого передает отправителю подтверждение о получении. Отправитель передает следующее сообщение предположим, что здесь произошла ошибка, получатель эту ошибку обнаружил или сообщение вообще не дошло до получателя, поэтому получатель не может передать подтверждение о получении этого сообщения.
Отправитель, после того как, отправил сообщение запустил таймер ожидания подтверждения. По истечению времени ожидания подтверждение не пришло, отправитель понял, что при передаче сообщения произошла проблема и нужно повторно передать то же самое сообщение.
В этот раз сообщение успешно дошло до получателя и он снова передает подтверждение. После этого отправитель может передавать следующий кадр.
Есть два варианта метода повторной отправки сообщения. Схему которую мы рассмотрели называется с остановкой и ожиданием. Отправитель передает фрейм и останавливается ожидая подтверждение. Следующий кадр передается только после того, как пришло подтверждение о получении предыдущего сообщения. Такой метод используются в технологии канального уровня Wi-Fi.
Другой вариант метода повторной отправки это скользящее окно. В этом случае отправитель передает ни одно сообщение, а сразу несколько сообщений и количество сообщений, которые можно передать не дожидаясь подтверждения называется размером окна. Здесь получатель передает подтверждение не для каждого отдельного сообщения, а для последнего полученного сообщения. Такой метод лучше работает на высокоскоростных каналах связи. Сейчас нет технологии канального уровня, которая использует этот метод, но он используется на транспортном уровне в протоколе TCP.
У нас есть несколько вариантов, что можно делать с ошибками. Можно их обнаруживать, исправлять с помощью кодов исправления ошибок, либо с помощью повторной доставки сообщений. Также мы можем исправлять и обнаруживать ошибки на канальном уровне, либо на вышестоящих уровнях.
Множественный доступ к каналам
Как это лучше делать? Практика показала, что на каналах где ошибки возникают редко, например, если данные передаются по проводам, то на канальном уровне лучше использовать простое обнаружение ошибок. А если ошибки в среде передачи данных происходят часто, например как это происходит в wifi? где используются электромагнитное излучение и много помех, то ошибки эффективнее обнаруживать и исправлять прямо на канальном уровне. Модель взаимодействия открытых систем разрабатывалась, когда на практике использовались только каналы связи “точка-точка” это были последовательные линии связи, которые объединяли большие компьютеры.
Затем появились другие технологии канального уровня, на основе разделяемых каналов связи, когда к одной и той же среде передачи данных подключено несколько устройств. В таких каналах появились новые задачи, которые не были учтены в модели взаимодействия открытых систем, поэтому пришлось поменять эту модель и разделить канальный уровень на два подуровня.
Подуровни канального уровня
Подуровень №1 управление логическим каналом (logical link control) LLC, а подуровень №2 управление доступом к среде (media access control) MAC.
Подуровень LLC отвечает за передачу данных, формирование кадров, обработку ошибок и тому подобное. LLC общий уровень для различных технологий канального уровня.
Подуровень MAC используется, если технология канального уровня с разделяемым доступом. Если технология канального уровня используют соединение “точка-точка”, то подуровень MAC не нужен.
Во-первых если у нас есть несколько устройств, которые подключены к одному и тому же каналу связи, то при передаче данных мы должны явно указать, к какому устройству эти данные предназначены. Для этого используются адресация канального уровня, также необходимо обеспечить корректное, совместное использование разделяемой среды передачи данных.
Подуровень MAC особенный для разных технологий канального уровня, он зависит от того, какая среда передачи данных используется.
Мультиплексирование передача данных через одну технологию канального уровня, нескольких типов протоколов вышестоящего уровня. Управление потоком, если в сети устройства, которые работают с разной скоростью, то более мощное устройство, может начать передавать данные очень быстро, так что более слабые устройства не успевают их принимать. В компьютерных сетях это называется “затопление” и некоторые технологии канального уровня обеспечивают защиту от затопления медленного получателя быстрым отправителем.
Множественный доступ к каналу связи
Предположим, есть какая-то общая среда передачи данных, к которой подключены несколько компьютеров и они начали передавать данные одновременно. Но так как среда передачи данных одна, то данные искажаются и не могут быть прочитаны из среды. Это называется коллизия. Подуровень MAC обеспечивает управление доступом, к разделяемой среде. В один и тот же момент времени, канал связи для передачи данных должен использовать только один отправитель. В противном случае произойдет коллизия и данные искажаются.
Методы управления доступом:
- Рандомизированный метод. Предположим, к среде подключено N устройств в этом случае для передачи данных случайным образом выбирается одно из этих устройств с вероятностью 1/N. Такой подход применяется в технологиях канального уровня изернет и вай-фай.
- Определение правил использования среды, например, в технологии Token Ring, данные может передавать только одно устройство, у которого сейчас находится токен. После того как это устройство передало данные, оно передает токен следующему устройству и следующее устройство может передавать данные. Хотя такой подход обеспечивает более эффективное использование полосы пропускания канала связи, но он требует более дорогого оборудования. Поэтому на практике получил распространение рандомизированный подход.
Раньше было очень много технологий канального уровня, каждая из которых обладала теми или иными преимуществами и недостатками. Однако сейчас в процессе развития остались только две популярные технологии это ethernet и вай-фай.
Мы рассмотрели канальный уровень, его основные задачи. Выяснили, что канальный уровень может обнаруживать и исправлять ошибки. Спасибо за прочтение статьи, надеемся она была для Вас полезной.
