Канальный уровень. Протоколы канального уровня. Декомпозиция канального уровня. Подуровни MAC и LLC.
Список сокращений
Англоязычные сокращения
| CRC | – | CyclicRedundancyCode |
| CSMA | – | CarrierSenseMultiplyAccess |
| CSMA/CD | – | Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection |
| DLC | – | DataLinkLayer |
| DLE | – | DataLinkEscape |
| ETX | – | EndTeXt |
| FDDI | – | FiberDistributedDataInterface |
| FDM | – | FrequencyDivisionMultiplexing |
| LAN | – | LocalAreaNetwork |
| LLC | – | LogicalLinkControl |
| MAC | – | MediaAccessControl |
| STX | – | StartTeXt |
| TDM | – | TimeDivisionMultiplexing |
| WAN | – | WorldAreaNetwork |
Введение
Канальный уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает в кадры данных, проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня — MAC (MediaAccessControl) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (LogicalLinkControl) обеспечивает обслуживание сетевого уровня (Рис. Введение 1). На этом уровне работают коммутаторы, мосты.
Рис. Введение 1 Модель OSI
Назначение, функции и услуги канального уровня модели ISO/OSI
Канальный уровень (DataLinkLayer) также носит названия: уровень управления передачей данных (DataLinkControl, DLC), уровень звена данных.
Канальный уровень обеспечивает функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разрыва соединений канального уровня между стевыми логическими объектами и для передачи сервисных блоков данных этого уровня. Соединение канального уровня строится на основе одного или нескольких физических соединений.
Канальный уровень обнаруживает и по возможности исправляет ошибки, которые могут возникнуть на физическом уровне. Кроме того, канальный уровень обеспечивает для сетевого уровня возможность управлять подключением каналов данных на физическом уровне.
Единицу информации на канальном уровне называют кадром (frame).
Услуги, предоставляемые сетевому уровню. Канальный уровень предоставляет следующие услуги или элементы услуг:
- соединение канального уровня;
- сервисные блоки данных канального уровня;
- идентификаторы оконечного пункта соединения канального уровня;
- упорядочение блоков данных;
- оповешение об ошибках;
- управление потоком данных;
- параметры качества услуги.
Функции, выполняемые на канальном уровне. На канальном уровне выполняются следующие функции:
- установление и разрыв соединения канального уровня;
- отображение сервисных блоков данных канального уровня;
- расщепление соединения канального уровня;
- разграничение и синхронизация;
- упорядочение блоков данных;
- обнаружение ошибок;
- восстановление при ошибках;
- управление потоком данных;
- идентификация и обмен параметрами;
- управление переключением каналов данных;
- административное управление канальноо уровня.
На уровне канала данных решается ряд проблем, присущих только этому уровню: реализация сервиса для сетевого уровня, объединение битов, поступающих с физического уровня в кадры, обработка ошибок передачи, управление потоком кадров.
1.1. Сервис, предоставляемый сетевому уровню
Основной задачей канального уровня обеспечить сервис сетевому уровню. Назначение этого сервиса - помочь передать данные процесса на сетевом уровне одной машины процессу на сетевой уровень другой машины.
Рис1. 1 Виртуальное соединение (а); реальное соединение (б)
Так как это показано на Рис1.1. Фактически передача будет происходить так, как показано на Рис1.1b. Однако, для простоты изложения мы будем считать, что это происходит как на Рис1.1а.
Канальный уровень может создаваться для различного сервиса, который может варьироваться от системы к системе. Однако, есть три общие вида сервиса:
- Сервис без уведомления и без соединения.
- Сервис с уведомлением и без соединения.
- Сервис с уведомлением и с соединением.
Сервис без уведомления и без соединения не предполагает, что прием переданного кадра должен подтверждаться, что до начала передачи должно устанавливаться соединение, которое после передачи должно разрываться. Если в результате помех на физическом уровне кадр будет потерян, то никаких попыток его восстановить на канальном уровне не будет. Этот класс сервиса используется там, где физический уровень обеспечивает высокую надежность при передаче так, что восстановление при потери кадров можно оставить на верхние уровни. Он также применяется при передаче данных в реальном времени там, где лучше потерять часть данных, чем увеличить задержку в их доставке. Например, передача речи. Большинство ЛВС использует этот класс сервиса на канальном уровне.
Следующий класс сервиса - уведомление без соединения. В этом классе получение каждого посланного кадра должно быть подтверждено. Если подтверждения не пришло в течении определенного времени, то кадр должен быть послан опять. Этот класс сервиса используется над ненадежной физической средой передачи, например, беспроводной.
Можно конечно было бы подтверждать не кадры, а все сообщение на сетевом уровне. Однако, это было бы не выгодно для больших сообщений, при передаче которых разрушалось бы 10-20%. Повторная передача таких сообщений заняла бы больше времени, чем передача их отдельных фрагментов. Так что подтверждение на канальном уровне следует рассматривать как оптимизацию, а не необходимость.
Наиболее сложный класс сервиса на канальном уровне - сервис с уведомлением и соединением. Этот класс сервиса предполагает, что до начала передачи между машинами устанавливается соединение и данные передаются по этому соединению. Каждый передаваемый кадр нумеруется и канальный уровень гарантирует, что он будет обязательно получен и только один раз и все кадры будут получены в надлежащей последовательности. При сервисе без соединения этого гарантировать нельзя потому, что потеря подтверждения получения кадра приведет к его пересылке так, что появиться несколько идентичных кадров.
При сервисе с подтверждение и соединением передача разбивается на три этапа. На первом этапе устанавливается соединение: инициируются переменные на обоих машинах и счетчики, отслеживающие какие кадры были приняты, а какие нет. На втором этапе один или несколько кадров передается. На третьем - соединение разрывается: переменные, счетчики, буфера и другие ресурсы, использованные для поддержки соединения, освобождаются.
Рис1. 2 Протокол передачи данных
На Рис1.2 показан типичный фрагмент WAN где два маршрутизатора соединены через телефонную линию. Когда кадр поступает в маршрутизатор, аппаратура проверяет контрольную сумму и передает кадр канальному уровню. Канальный уровень проверяет является ли поступивший кадр ожидаемым и если да, то передает пакет, расположенный в кадре, сетевому уровню на другой машине. Процесс на сетевом уровне выбирает надлежащую линию для передачи и посылает пакет на канальный уровень.
Не желательно на сетевом уровне заниматься пропажей кадров. Это задача канального уровня обеспечить надежный канал. Это особенно важно при беспроводной среде передачи.
1.2. Разбиение на кадры
Сервис, создаваемый канальным уровнем для сетевого, опирается на сервис, создаваемый физическим уровнем. На физическом уровне протекают потоки битов. Посланное количество битов не обязательно равно принятому, значение посланного бита так же не обязательно равно принятому. Все это требует специальных усилий на канальном уровне по обнаружению и исправлению ошибок.
Типовой подход к решению этой проблемы - разбиение потока битов на кадры, подсчет контрольной суммы для каждого кадра при посылке данных. При приеме контрольная сумма вычисляется для каждого кадра заново и сравнивается с той что храниться в кадре. Если они различаются, то это признак ошибки передачи. Канальный уровень должен принять меры к исправлению ошибки, например, сбросить плохой кадр, послать сообщение об ошибке тому кто прислал этот кадр.
Разбиение потока битов на кадры - задача не простая. Один из способов - делать временную паузу между битами разных кадров. Однако, в сети где нет единого таймера нет гарантии, что эта пауза сохраниться или, наоборот, не появятся новые.
Так как временные методы ненадежны, то применяются другие. Здесь мы рассмотрим четыре основных:
- счетчик символов
- вставка специальных стартовых и конечных символов
- вставка стартовых и концевых битов
- нарушение кодировки на физическом уровне
Первый метод показан на Рис1.3. В начало каждого кадра указывается сколько символов в кадре. При приеме число принятых символов подсчитывается опять. Однако, этот метод имеет существенный недостаток: счетчик символов может быть искажен при передаче. Тогда принимающая сторона не сможет обнаружить границы кадра. Даже обнаружив не совпадение контрольных сумм, принимающая сторона не сможет сообщить передающей какой кадр надо переслать, сколько символов пропало. Этот метод ныне используется редко.
Рис1. 3 Поток символов: без ошибок (а); с одноц ошибкой (б)
Второй метод построен на вставке специальных символов. Обычно для этого используют аж последовательность DLE STX для начала кадра и DLE ETX для конца кадра. DLE - Data Link Escape; STX - Start TeXt, ETX - End TeXt. При этом методе если даже была потеряна граница текущего кадра, надо просто искать ближайшую последовательность DLE STX или DLE ETX. Здесь есть одна опасность: при передаче чисел или программы в объектном коде такие последовательности могут уже содержаться в передаваемых данных. Для решения этой проблемы используется прием экранирования: каждая последовательность DLE просто дублируется в передаваемых данных. Поэтому при приеме если есть два последовательных DLE, то один удаляется. Этот метод проиллюстрирован на Рис1.4.
Рис1. 4 Кадр, ограниченный длаговыми байтами (а); кадр, обработанный на канальном уровне (б); данные, передаваемые на сетевой уровень (в)
Основным недостатком этого метода является то, что он жестко связан с размером байта и кодировкой ASCII. По мере развития сетей эта связь становилась все более и более обременительной.
Был предложен новый прием, позволяющий использовать любое число битов на символ и любую кодировку. Его идея состоит в том, что каждый кадр начинается и заканчивается со специального флаг-байта: 01111110. Посылающая сторона встретив последовательно 5 единиц обязательно вставит 0. Принимающая сторона, приняв 5 последовательных единиц обязательно удалит следующий за ними 0. Если в передаваемых данных встретиться конфигурация флаг-байта, то она будет преобразована в конфигурацию 011111010. Этот метод иллюстрирует Рис1.5. Ясно что он прозрачен для сетевого уровня так, же как и метод вставки байтов.
Рис1. 5 Битовое заполнение: исходные данные (а); данные на линии (б); данные, сохраненные в памяти после удаления вставленных битов (в)
Таким образом, кадр легко может быть распознан по флаг-байту. Если граница очередного кадра по какой-то причине была потеряна, то все что надо делать - ловить ближайший флаг-байт.
Последний метод используется там, где применяется специальная кодировка битов на физическом уровне. Например, для передачи одного бита используется два импульса. 1 кодируется как переход высокое-низкое, 0 - как низкое-высокое. Сочетания низкое-низкое или высокое-высокое не используются для передачи данных. Их то и используют для границ кадра. Так делают в стандарте IEEE 802 для ЛВС, который мы рассмотрим позже.
Наконец, на практике используют, как правило, комбинацию этих методов. Например, счетчик символов с одним из выше перечисленных. Тогда если число символов в кадру совпадает с кодировкой границы кадра, кадр считается переданным правильно.
1.3. Обнаружение ошибок
Решив проблему разбиения на кадры, мы приходим к следующей проблеме: как обеспечить, чтобы кадры попадали на сетевой уровень по назначению и в надлежащей последовательности? Если для отправляющей стороны все равно в какой последовательности поступают кадры, то этой проблемы нет. Например, если нам нужен сервис без уведомления и соединения, но если нам нужен сервис с подтверждением и с соединением, то как быть?
Для решения этой проблемы устанавливают обратную связь между отправителем и получателем в виде кадра подтверждения. Если кадр-подтверждение несет положительную информацию, то считается что переданные кадры прошли нормально, если там сообщение об ошибке, то переданные кадры надо передать заново.
Однако, возможны случаи когда из-за ошибок в канале кадр исчезнет целиком. В этом случае получатель не будет реагировать ни как, а отправитель будет сколь угодно долго ждать подтверждения. Для решения этой проблемы на канальном уровне вводят таймеры. Когда передается очередной кадр, то одновременно устанавливается таймер на определенное время. Этого времени должно хватать на то, чтобы получатель получил кадр, а отправитель получил подтверждение. Если отправитель не получит подтверждение раньше, чем истечет время, установленное на таймере, то он будет считать, что кадр потерян и повторит его еще раз.
Однако, если кадр-подтверждение был утерян, то вполне возможно, что один и тот же кадр получатель получит дважды. Как быть? Для решения этой проблемы каждому кадру присваивают порядковый номер. С помощью этого номера получатель может обнаружить дубли.
Итак, таймеры и нумерация кадров - вот основные средства на канальном уровне, обеспечивающие доставку каждого кадра до сетевого уровня в единственном экземпляре.
1.4. Управление потоком
Другой важной проблемой, которая решается на канальном уровне - управление потоком. Дело в том, что вполне может случиться, что отправитель будет слать кадры столь часто, что получатель не будет успевать их обрабатывать. Это может случиться если, например, машина-отправитель более мощная или загружена слабее, чем машина-получатель.
Для борьбы с такими ситуациями вводят управления потоком. Это управление предполагает обратную связь между отправителем и получателем, которая позволяет им урегулировать такие ситуации. Есть много схем управления потоком, но все они в основе своей используют следующий сценарий. Прежде чем отправитель начнет передачу он спрашивает у получателя сколько кадров тот может принять. Получатель сообщает ему определенное число кадров. Отправитель после того как передаст это число кадров, должен приостановить передачу и спросить получателя опять получателя опять как много кадров тот может принять и т.д. Позднее на конкретных примерах мы познакомимся с конкретными механизмами управления потоком.
1.5. Обнаружение и исправление ошибок
В рассмотрении физической среды мы отмечали, что у беспроводных систем связи, аналоговых каналов, например, петля в телефонных системах, достаточно высокий уровень ошибок в канале. Поэтому ошибки при передаче- это реальность, которую надо обязательно учитывать.
В разных средах характер ошибок разный. Ошибки могут быть одиночные, а могут возникать группами, сразу по несколько. У групповых ошибок есть свои достоинства и недостатки. Достоинство заключается в следующем. Пусть данные передаются блоками по 1000 бит, а уровень ошибки 0,001 на бит. Если ошибки изолированные и независимые, то практически каждый блок будет содержать ошибку в среднем. Если же они
возникают группами по 100 сразу, то ошибки будут содержать 1-2 блока из каждых 100 в среднем. Недостатком групповых ошибок является то, что их труднее обнаруживать и исправлять, чем одиночные.