Что такое канальный уровень. Канальный уровень

Рассмотрим в данной статье основные методы коммутации в сетях.

В традиционных телефонных сетях, связь абонентов между собой выполняется с помощью коммутации каналов связи. В начале коммутация телефонных каналов связи выполнялась вручную, далее коммутацию выполняли автоматические телефонные станции (АТС).

Аналогичный принцип используется и в вычислительных сетях. В качестве абонентов выступают территориально удаленные вычислительные машины в компьютерной сети. Физически не представляется возможным предоставить каждому компьютеру свою собственную некоммутируемую линию связи, которой они пользовались бы в течении всего времени. Поэтому практически во всех компьютерных сетях всегда используется какой-либо способ коммутации абонентов (рабочих станций), выполняющий возможность доступа к существующим каналам связи для нескольких абонентов, для обеспечения одновременно нескольких сеансов связи.

Коммутация - это процесс соединения различных абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы. Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники.

Рабочие станции подключаются к коммутаторам с помощью индивидуальных линий связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией, абонентом. Коммутаторы соединяются между собой с использованием разделяемых линии связи (используются совместно несколькими абонентами).

Рассмотрим три основные наиболее распространенные способы коммутации абонентов в сетях:

• коммутация каналов (circuit switching);
• коммутация пакетов (packet switching);
• коммутация сообщений (message switching).

Коммутация каналов

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой - коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.

Время передачи сообщения при этом определяется пропускной способностью канала, длинной связи и размером сообщения.

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.

Достоинства коммутации каналов:

• постоянная и известная скорость передачи данных;
• правильная последовательность прихода данных;
• низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть.

Недостатки коммутации каналов:

• возможен отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения;
• нерациональное использование пропускной способности физических каналов, в частности невозможность применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с коммутацией каналов не буферизуют данные пользователей;
• обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Коммутация сообщений – разбиение информации на сообщения, каждый из которых состоит из заголовка и информации.

Это способ взаимодействия, при котором создается логический канал, путем последовательной передачи сообщений через узлы связи по адресу указанному в заголовке сообщения.

При этом каждый узел принимает сообщение, записывает в память, обрабатывает заголовок, выбирает маршрут и выдает сообщение из памяти в следующий узел.

Время доставки сообщения определяется временем обработки в каждом узле, числом узлов и пропускной способности сети. Когда заканчивается передача информации из узла А в узел связи В, то узел А становится свободным и может участвовать в организации другой связи между абонентами, поэтому канал связи используется более эффективно, но система управления маршрутизации будет сложной.
Сегодня коммутация сообщений в чистом виде практически не существует.

Коммутация пакетов - это особый способ коммутации узлов сети, который специально создавался для наилучшей передачи компьютерного трафика (пульсирующего трафика). Опыты по разработке самых первых компьютерных сетей, в основе которых лежала техника коммутации каналов, показали, что этот вид коммутации не предоставляет возможности получить высокую пропускную способность вычислительной сети. Причина крылась в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Необходимо уточнить, что сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт (EtherNet). Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета.

Достоинства коммутации пакетов:

• более устойчива к сбоям;
• высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика;
• возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи.

Недостатки коммутации пакетов:

• неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети;
• переменная величина задержки пакетов данных;
• возможны потери данных из-за переполнения буферов;
• возможны нарушения последовательности прихода пакетов.

В компьютерных сетях применяется коммутация пакетов.

Cпособы передачи пакетов в сетях:

• Дейтаграммный способ – передача осуществляется как совокупность независимых пакетов. Каждый пакет двигается по сети по своему маршруту и пользователю пакеты поступают в произвольном порядке.
• Достоинства: простота процесса передачи.
• Недостатки: низкая надежность засчет возможности потери пакетов и необходимость программного обеспечения для сборки пакетов и восстановления сообщений.
• Логический канал - это передача последовательности связанных в цепочки пакетов, сопровождающихся установкой предварительного соединения и подтверждением приема каждого пакета. Если i-ый пакет не принят, то все последующие пакеты не будут приняты.
• Виртуальный канал – это логический канал с передачей по фиксированному маршруту последовательности связанных в цепочки пакетов.
• Достоинства: сохраняется естественная последовательность данных; устойчивые пути следования трафика; возможно резервирование ресурсов.
• Недостатки: сложность аппаратной части.

В данной статье мы рассмотрели основные методы коммутации в вычислительных сетях, с описание каждого метода коммутации с указанием достоинст и недостатков.

Проверка доступности среды передачи.

Реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в фреймы (frames), обеспечивается корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму.

Управление параметрами связи (скорость, повтор)

В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена структура связей и способы их адресации только для сети с определенной топологией. К топологиям относятся шина, кольцо и звезда. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

В глобальных сетях, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов "точка - точка" (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы PPP и LAP-B.

Протоколы: IEEE 802.1 (описываются устройства (коммутаторы, мосты))

Делится на LLC – 802.2 и на МАС (CSMA /CD) – 802.3,

МАС (Token Ring) – 802.5,

МАС (Ethernet) – 802.4

Структура кадра Ethernet: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |

1) Приамбула (начало передачи кадра – 8 байт)

2) Адрес получателя (2-6 байт МАС-адрес получателя, 2 байта для кольца)

3) Адрес отправителя (2- 6)

4) Длина поля данных (2 байта)

5) Поле данных (64 – 1500 байт)

6) Контрольная сумма

Протокол LLC: 1- LLC 802.2

| DSAP1байт | SSAP1байт | Control 1 байт | Данные |

2- LLC 802.2 SNAP

| DSAP 2байта | SSAP 2байта | Control 3 байта | Тип семейства протокола3байта | Тип протокола 2 байта | Данные |

DSAP –указывает протокол получателя

SSAP – указыв. протокол отправителя

Control – т для управления соединением

Тип семейства – (IPX /SPX, X.25, ATM, TCP/IP=0)

Тип протокола - 0×0800 – IP, 0×0806 - ARP

МАС –адрес (48 бит): определяется 3 типа: индивидуальный, широковещательный, групповой

|0|0|22бита|24бита|

00 –ндивидуальный адрес, 11 – широковещательный, 10 – групповой.

22 бита – код организации производителя

24 бита – код сетевого адаптера

23. КАНАЛЫ Т1/Е1.

Каналы Т1/Е1 Выделенные каналы Т1/Е1 стали в последние годы очень популярны в качестве средства для подключения корпоративных сетей и серверов к сети Internet. Это объясняется высокими скоростями данных каналов: 1,544 Мбит/с в канале Т1 и 2,048 Мбит/с – для El.

Линии Т1 – это дуплексные цифровые каналы, которые были первоначально разработаны для передачи вызовов между телефонными станциями. Физически связь осуществляется по двум парам телефонного витого провода (одна пара- в одну сторону, вторая – в обратную).

AMI В канале применяется биполярное кодирование (bipolar encoding). .Этот метод имеет и другое название –альтернативное инвертирование логических единиц (AMI). Отсутствие напряжения в линии соответствует нулю, а для представления единиц используются по очереди положительные и отрицательные импульсы. Пример такого кодирования в сравнении со стандартным представлением (в виде кода NRZ)

Синхронизаци я.

Длинная последовательность логических нулей может привести к потере синхронизации у приемника. Для борьбы с этим применяется методбиполярной замены 8 нулей – (B8ZS).

Каждая обнаруженная передатчиком группа из 8 нулей заменяется им на некоторое «бессмысленное слово». При приеме из канала выполняется обратное преобразование. Для выделения этой заменяющей комбинации (как признак для начала ее распознавания) используется последовательная передач, без инвертирования двух положительных единиц (что недопустимо в обычной последовательности кода AMI). На рисунке 5.2 представлен пример такой заменяющей комбинации.

Кадровая синхронизация

Канал Е1 состоит из 24 отдельных каналов по 64 Кбит/с в каждом. Применяется разбиение передаваемой информации на кадры. Наибольшее распространение получили методы D4 и ESF (кроме того в линиях ЕЗ часто используется алгоритм Ml3).

Алгоритм D4

Кадр содержит 1 бит синхронизации и 24 байта данных (см. рис.5.3). Таким образом общая длина кадра составляет 193 бита.

Группа из 12 кадров снабжается специальной 12-битовой маской (см. рис), которую называют сигналом выравнивания кадра (frame alignment signal). Группа из 12 кадров называется суперкадром.

Алгоритм ESF Алгоритм формирования суперкадров ESF (Extended SuperFrame) отличается тем, что размер суперкадра был увеличен с 12 до 24 кадров. В таком суперкадре кз 24 служебных бит только 6 используются для целей синхронизации. Из оставшихся 18 бит - 6 служат для коррекции ошибок и 12 -для текущего контроля за состоянием линии.

Алгоритм М13 Предназначен для каналов ТЗ (44,476 Мбит/с). Кадр содержит 4760 бит. Из них 56 бит используются для выравнивания кадра (кадровой синхронизации), коррекции ошибок и отслеживания состояния линии.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

Каналы Т1 первоначально предназначались для передачи телефонных разговоров, но по цифровой линии.

По обычному телефону сигнал передается как аналоговый в диапазоне частот от 300 до 3400 гц. Для перевода аналогового сигнала в цифровую форму применяется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) - Pulse Code Modulation (PCM). Для этой цели вводится блок АЦП, который переводит амплитуду аналогового сигнала в цифровой отсчет из 8 бит. Частота снятия таких отсчетов была выбрана с учетом теоремы Найквиста (Nyquist). В соответствии с этой теоремой для адекватного преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую частота дискретизации должна в 2 раза превышать частоту дискретизируемого сигнала. Применительно к телефонным каналам была выбрана частота 8000 опросов в секунду. Таким образом цифровая линия должна обладать пропускной способностью 8 х 8000 = 64 Кбит/с.

Мультиплексирование В линии Т1 собираются вместе 24 таких цифровых каналов по 64 Кбит/с. В итоге общая пропускная способность составляет 1,544 Мбит/с. Для объединения применяется временное мультиплексирование каналов – Time Division Multiplexing (TDM). Вся доступная полоса частот делится на элементарные временные интервалы по 125 мкс. Устройство монополизирует всю полосу частот на период такого элементарного интервала.

Благодаря мультиплексированию по линии Т1 можно передавать одновременно звуковые сигналы, цифровые данные и видеосигналы. В случае необходимости вся доступная пропускная способность 1,544 Мбит/с может быть монополизирована одним потоком данных.

Структура системы На рисунке показана возможная структура оконечного устройства для работы по линии Т1. Здесь CSU– модуль обслуживания канала, a DSl – это модуль обслуживания данных.

Дробные линии Т1 Пользователь может арендовать только часть канала Т1. При этом ему предоставляется возможность оплатить любое количество (от 1 до 24) канаов DSO (Digital Sygnal 0) по 64 Кбит/с.

Каналы E1 В Европе 1TU– Международный союз по электросвязи – предложил несколько другую классификацию таких цифровых каналов. Основой является капал Е1, содержащий 30 каналов USO (по 64 Кбит/с) и дополнительно 1 канал для синхронизации и 1 канал для передачи служебной информации. Пропускная способность канала Е1 составляет 2,048 Мбит/с.

Среда передачи Для организации каналов типа Т1 могут использоваться различные среды. Например: две пары витых проводников – позволяют организовать канал Т1; в коаксиальном кабеле могут быть организованы 4 канала Т1; сверхвысокочастотный кабель позволяет разместить 8 линий Т1; оптоволоконный кабель может содержать до 24 линий Т1.

Сети ISDN

Цифровые сети интегрального обслуживания ISDN (Integrated Services Digital Network) находят широкое применение в качестве альтернативы подключения посредством каналов Т1/Е1. Разница заключается в основном в способе оплаты. За полный (или часть) канала Т1 взимается фиксированная (достаточно высокая) абонентская плата. В сетях же ISDN оплата взимается только за время подключения.

Технология ISDN позволяет одновременно передавать голосовые и цифровые данные, обеспечивает высокоскоростное подключение к глобальным сетям. Разработана была эта технология для того, чтобы обеспечить интегральные потребности небольшого офиса.

Аналогично каналам Т1 эта технология базируется на использовании цифрового канала 64 Кбит/с. Аналоговые (голосовые) данные предварительно дискретизируются (производится семплирование - sampling) 8000 раз в секунду. Каждый отсчет представляет собой 8 бит информации. То есть используется ИКМ.

В-канал Основным компонентом любой линии ISDN является однонаправленный В-канал с пропускной способностью 64 Кбит/с. По нему могут передаваться оцифрованные аудио- или видеоданные или собственно цифровые данные.

D-канал Используется для передачи служебной информации. Это, например, сигналы установления и разрыва соединения. Вся же полоса В-канала предназначается только для передачи полезной информации.

Имеются две стандартные для ISDN конфигурации каналов: BRI и PRI/

Интерфейс BRI Это логическое объединение двух В-каналов по 64 Кбит/с и одного D-канала с пропускной способностью 16 Кбит/с. BRI (Basic Rate Interface) -I интерфейс передачи с номинальной скоростью.

Интерфейс BRJ является конфигурацией оптимальной для удаленных пользователей и небольших офисов. Общая его пропускная способность- 128 Кбит/с, а D-канал используется только для передачи служебной информации BRI позволяет подключить до 8 устройств (телефонных, цифровых и видео).

Для обмена по D-каналу используется протокол SS7 (Signalling System Number 7).

Интерфейс PRI PRI (Primary Rate Interface) - интерфейс передачи с базовой скоростью. Этот интерфейс соответствует максимальной скорости передачи по линии Т1. Конфигурация PRI состоит из 23 каналов по 64 Кбит/с (В-каналов) и одного D-канала с пропускной способностью 64 Кбит/с. Следовательно пользователь может вести передачу со скоростью 1,472 Мбит/с.

В европейских линиях ISDN конфигурации PRI соответствует 30 В-каналов (т.к. Е1 содержит именно столько каналов передачи полезной информации).

Подключение пользователя На рисунке 5.5 приведена типичная конфигурация аппаратных средств абонентского комплекса ISDN.

Устройство NT1 (Network Terminator 1) используется для подключения абонента к цифровому каналу.

Устройство NT2 (Network Terminator 2) занимает промежуточный уровень между NT1 и любым терминальным оборудованием. Это могут быть маршрутизаторы сетей ISDN и цифровые офисные АТС.

Терминальным устройством первого типа ТЕ1 (Terminal Equipment 1) считается пользовательское оборудование, которое в состоянии подключаться к устройствам типа NT. Это, например, рабочие станции ISDN, факсимильный аппарат, телефоны ISDN.K терминальным устройствам второго типа ТЕ2 (Terminal Equipment 2) относится все оборудование, которое не может непосредственно подключаться к NT2 (аналоговые телефоны, ПК и т.д.), а требует для этого применения специального терминального адаптера ТА (Terminal Adapter).

Аппаратура Проводка делается скрученным медным проводом (витая пара) UTP класса не менее 3 (она обеспечивает передачу со скоростью до ЮМбит/с). Для интерфейса BR1 требуется одна пара UTP, а для интерфейса PRI - 2 пары UTP.

Устройство NT1 достаточно простое, поэтому его часто интегрируют в терминальное оборудование.

Аппаратура ISDN у пользователя может быть встроенной или автономной. Встроенное устройство может быть и комбинированным, т.е. содержать NT1 и несколько терминальных адаптеров ТА. Внешние терминальные адаптеры внешне выглядят аналогично модему, поэтому их часто называют ISDN-модемами(хотя там нет ни модуляции, ни демодуляции). Очень часто используют еще один тип аппаратуры - маршрутизаторы ISDN - Ethernet. Они выполняют и роль моста между каналом и локальной сетью, т.е. это router-bridge.

Н-каналы ITU выпустил стандарты на Н-каналы ISDN. Они включают пять конфигураций, начиная с НО (включает 6 В-каналов - пропускная способность 384 Кбит/с, предназначен для поддержки видеоконференций) и заканчивая каналом Н4 (включает 2112 D-каналов, пропускная способность - 135 Мбит/с, ориентирован на широковещательную передачу видео- и аудиоданных).

Услуги ISDN ISDN-канал может обеспечивать множество дополнительных услуг, например: конференц-связь; пересылка входящих звонков на другой номер телефона; определение номера вызывающего абонента; организация рабочих групп и т. д.

Сети Frame Relay

Сети, использующие протоколы Х.25, оказались надежными, но недостаточно высокоскоростными. В связи сэтим были предложены модификации, ориентированные на очень высокие скорости передачи – это, в частности, сети Frame Relay и AТМ.

Родоначальником технологии Frame Relay – ретрансляции кадров – была в начале 90-х годов американская компания WILTEL, которая имела обширную сеть оптоволоконных линий, проложенных вдоль железных дорог. Технология Frame Relay в отличие от Х.25 позволила обеспечить скорости передачи, совместимые с каналами Т1 (1,5 Мбит/с) и ТЗ (45 Мбит/с), тогда как у Х.25 это была обычно скорость 64 Кбит/с.

Формат кадра Суть этой технологии заключается в отказе от 3-его(сетевого) уровня Х.25. Ограничиваются использованием 2-го (канального) уровня, где передача ведется кадрами. Видоизменяется только заголовок кадра:

Заголовок кадра Frame Relay содержит:

10-битовое поле DLCI– идентификатора канала передачи данных. Это поле используется маршрутизаторами для нахождения узла назначения, т.е. это информация для ретрансляции кадра.

Из остальных шести бит заголовка:

3 бита выполняют роль флагов перегрузки;

1 бит – позволяет снизить приоритет кадра (называется битом DE);

2 бита – зарезервировано.

Скорость передачи

Скорость передачи согласуется с провайдером в виде трех параметров:

- CIR– согласованная скорость передачи;

Bс – согласованная величина расширения трафика;

Be – предельная величина расширения трафика.

Трафик объемом Be может приниматься сетью только ограниченный промежуток времени.

Передача графика объемом Вс допускается, только если загрузка сети в среднем не превысит согласованного значения CIR.

В случае превышения нагрузки пакет может быть либо отброшен маршрутизатором, или же в нем устанавливается в «1» бит DE (снижения приоритета), а и этом случае такой пакет разрешается при необходимости уничтожить любому следующему но пути следования маршрутизатору.

Типы каналов

Технология Frame Relay может работать на двух типах каналов:

PVC – постоянный виртуальный канал;

SVC– коммутируемый виртуальный канал.

Каналы PVC определяются на этапе конфигурации системы и гарантируют, что пакеты всегда будут доставляться по одному и тому же маршруту. Каналы SVC устанавливаются каждый раз в начале передачи (на этапе установления соединения), что позволяет избегать неисправных участков сети.

Зашита от ошибок

В сети Frame Relay производится проверка правильности кадра (с помощью анализа поля FCS)и, если обнаружены ошибки, кадр стирается. Однако повторная передача таких стертых кадров при этом не запрашивается. Считается, что за сборку сообщения и запрос недоставленных кадров должен отвечать протокол более высокого уровня – транспортный (отвечающий за межконцевую доставку). Таким образом эти сети ориентированы на применение высококачественных оптоволоконных каналов, в которых ошибки достаточно редки, а поэтому низка и вероятность повторных передач пакета.

Сети АТМ

Сети ATM были разработаны в качестве еще одной альтернативы сетям Х.25. Скорость передачи в этой сети находится и диапазоне от 25,5 Мбит/с до 2,488 Гбит/с. В качестве среды передачи могут использоваться различные носители, начиная с неэкранированной витой пары UTР класса 3 вплоть до оптоволоконных каналов.

Эта технология известна также под названием Fast Packet Switching –быстрая коммутация пакетов.

Высокие скорости передачи обеспечиваются за счет:

1. Фиксированного размера кадра – 53 байта

2. Отсутствия каких-либо мер по обеспечению правильности передачи. Эта задача переносится на более высокие протокольные уровни (транспортный).

Технология ATM относится по концепции OSI ко второму (канальному) уровню. Кадры в ATM называются ячейками (cell). Формат такой ячейки показан на левом рисунке.

Заголовок ячейки (5 байт) содержит:

Идентификатор виртуального пути – VPI (Virtual Path Identifier);

Идентификатор виртуального канала – VCI (Virtual Channel Identifier);

Идентификатор типа данных (3 бита);

Поле приоритета потери ячейки (1 бит);

Поле контроля ошибок в заголовке (8 бит) – это сумма по mod 2 байтов заголовка. Протоколы более высокого уровня разрезают свои сообщения на сегменты

по 48 байт и помещаютих в поле информации ячейки.

Технология ATM поддерживает 2 типа каналов (аналогично сетям Frame

PVC – постоянные виртуальные каналы;

SVC– коммутируемые виртуальные каналы.

На канальном уровне ATM выделяются 2 подуровня (см. рис вверху справа): непосредственно уровень ATM и уровень адаптации ATM.

Уровень адаптации ATM (ATM Adaptation Layer) – AAL – реализует один из

пяти режимов передачи:

AAL1 – характеризуется постоянной скоростью передачи (CBR) и синхронным трафиком. Ориентирован па передачу речи и видеоизображений.

AAL2 – тоже поддерживает синхронную передачу, но использует переменную битовую скорость (VDR). Oн пока, к сожалению, еще не реализован.

AAL3/AAL4 (объединены в единый протокол) – ориентированы на переменную битовую скорость (VBR). Синхронизация не обеспечивается. AAL4 отличается тем, что не требует предварительного установления соединения.

AAL5 – аналогичен AAL3, только содержит меньший объем служебной инфы.

По протоколам AAL1 и AAL2 передаются порции по 48 байт информации (1 байт – служебный). Протоколы AAL3 – AAL5 предполагают передачу блоков (разрезанных на сегменты) размером до 65536 байт.

Рекомендация X.25 описывает три уровня протоколов - физический, уровень звена передачи данных и сетевой. Физический уровень описывает уровни сигналов и логику взаимодействия на уровне физического интерфейса. Те из читателей, которым приходилось например подключать модем к последовательному порту персонального компьютера (интерфейс RS-232/V.24) имеют представление об этом уровне. Второй уровень (LAP/LAPB), с теми или иными модификациями, также достаточно широко представлен сейчас в оборудовании массового спроса: в оборудовании модемов, например, - протоколами группы MNP, отвечающими за защиту от ошибок при передаче информации по каналу связи, а также в локальных сетях на уровне LLC. Второй уровень протоколов отвечает за эффективную и надежную передачу данных в соединении "точка-точка", т.е. между соседними узлами сети X.25. Данным протоколом обеспечивается защита от ошибок при передаче между соседними узлами и управление потоком данных (если принимающая сторона не готова принимать данные, она извещает об этом передающую сторону, и та приостанавливает передачу). Кроме того, данный протокол содержит параметры, меняя значения которых, можно получить оптимальный по скорости передачи режим в зависимости от протяженности канала между двумя точками (времени задержки в канале) и качества канала (вероятности искажения информации при передачи). Для реализации всех указанных выше функций в протоколах второго уровня вводится понятие "кадра" ("frame"). Кадром называется порция информации (битов), организованная определенным образом. Начинает кадр флаг, т.е. последовательность битов строго определенного вида, являющаяся разделителем между кадрами. Затем идет поле адреса, которая в случае двухточечного соединения сводится к адресу "А" или адресу "B". Далее идут поле типа кадра, которое указывает, несет ли кадр в себе информацию, либо является чисто служебным, т.е. например тормозит поток информации, либо извещает передающую сторону о приеме/неприеме предыдущего кадра. В кадре имеется также поле номера кадра. Кадры нумеруются циклически. Это означает, что при достижении определенного порогового значения, нумерация опять начинается с нуля. И наконец заканчивается кадр проверочной последовательностью. Последовательность подсчитывается по определенным правилам при передаче кадра. По этой последовательности на приеме происходит поверка, не произошло ли искажения информации при передаче кадра. При настройке параметров протокола к физическим характеристикам линии можно менять длину кадра. Чем короче кадр, тем меньше вероятность того, что он будет искажен при передаче. Однако если линия хорошего качества, то лучше работать более длинными информационными кадрами, т.к. уменьшается процент избыточной информации, передаваемой по каналу (флаг, служебные поля кадра). Кроме того, можно менять число кадров которое передающая сторона посылает, не ожидая подтверждения от принимающей стороны.

Этот параметр связан с т.н. "модулем нумерации", т.е. значением порога, достигнув которого нумерация снова начинается с нуля. Это поле может быть равно 8 (для тех каналов, задержка передачи информации в которых не слишком велика) либо 128 (для спутниковых каналов например, когда задержка при передаче информации по каналу велика). И наконец, третий уровень протоколов - "сетевой". Этот уровень наиболее интересен в контексте обсуждения сетей X.25, так как именно он определяет в первую очередь специфику этих сетей.

Функционально данный протокол отвечает в первую очередь за маршрутизацию в сети передачи данных X.25, за доведение информации от "точки входа" в сеть до "точки выхода" из нее. На своем уровне протокол третьего уровня также структурирует информацию, т.е. разбивает ее на "порции". На третьем уровне порция информации называется "пакетом" ("packet"). Структура пакета во многом аналогична структуре кадра. В пакете имеется свой модуль нумерации, свои поля адреса, типа пакета, своя контрольная последовательность. При передаче пакет помещается в поле данных информационных кадров (кадров второго уровня). Функционально поля пакета отличаются от соответствующих полей кадра. В первую очередь это касается поля адреса, которое в пакете состоит из 15 цифр. Это поле пакета должно обеспечивать идентификацию абонентов в рамках всех сетей пакетной коммутации по всему миру

СЕТЬ ИНТЕРНЕТ

Интернет - это все сети, которые взаимодействуя с помощью протокола IP, образуют "бесшовную" сеть для своих пользователей. В настоящее время в Интернет входят десятки тысяч сетей и их число постоянно увеличивается. В 1980 году на Internet было 200 компьютеров. Число подключенных к сети компьютеров продолжает увеличиваться примерно на 15% в месяц. Масштабы Internet существенно увеличились после подключения к ней коммерческих сетей. Это были такие сети, как America Online, CompuServe, Prodigy, Delphi, GEuie, BIX и т.д..

Управление Интернет Направление развития Internet определяет "Общество Internet" (ISOC -Internet Society). Это организация, которая работает на общественных началах; ее целью является содействие глобальному информационному обмену через Internet. Она назначает Совет старейшин, который отвечает за техническое Руководство и ориентацию Internet.

Совет старейшин IAB - (Internet Architecture Board - совет по архитектуре Internet) регулярно собирается для утверждения стандартов и распределения Ресурсов. Наличие стандартов должно способствовать объединению в сети компьютеров разных платформ (Sun, Macintosh, IBM и т.д.). Каждый компьютер в сети имеет свой уникальный 32-разрядный адрес. Правила присвоения адресов определяет IAB.

Имеется еще один общественный орган - Инженерная комиссия IETF (Internet Engineering Task Force). Она собирается регулярно для обсуждения технических и организационных вопросов, а при необходимости формирует рабочие группы.

Важнейшими задачами, решаемыми канальным уровнем модели сетевого взаимодействия (иногда этот уровень называют уровнем передачи данных ), являются задачи предоставления определенных сервисов сетево­му уровню. Основным сервисом является передача данных от сетевого уровня пе­редающей вычислительной машины сетевому уровню принимающей машины. На передающей ма­шине работает процесс, который передает биты с сетевого уровня на канальный уровень для передачи их по назначению. Работа канального уров­ня заключается в передаче этих битов на принимающую маши­ну так, чтобы они могли быть переданы сетевому уровню принимающей машины. Физически данные передаются по реальным каналам передачи, как схематично пока­зано на рис. 8.1.а. Однако посредством протоколов канального уровня виртуальный путь передачи данных связывает канальные уровни пе­редающей и принимающей вычислительной машины (рис. 8.1.б ).

Рис. 8.1. Пути передачи данных: а – виртуальный; б – фактический

Протоколы канального уровня описывают, каким образом логические биты или символы, передаваемые физическим уровнем, объединяются в более крупные единицы – кадры . Обобщенная структура кадра показана на рис. 8.2. В общем случае, каждый кадр содер­жит заголовок, поле данных и трейлер (или так называемый «концевик» ). Управление кадрами – одна их главнейших функций работы канального уровня.

Рис. 8.2. Обобщенная структура кадра протокола канального уровня

Канальный уровень может предоставлять различные сервисы и их на­бор может быть разным для разных систем. Обычно рассматриваются следующие возможные вари­анты:

1) сервис без подтверждений приема кадров и без установления соединения;

2) сервис с подтверждениями приема кадров и без установления соединения;

3) сервис с подтверждениями приема кадров и с установлением соединения.

Сервис без подтверждений приема кадров и без установления соединения заключается в том, что передающая машина посылает независимые кадры принимающей машине, а принимающая машина не посылает подтверждений о приеме кадров. Никакие соединения заранее не устанавливаются и не разрываются после передачи кад­ров. Если какой-либо кадр теряется из-за помех в линии связи, то на канальном уровне не предпринимается никаких попыток восстановить его. Данный класс сервисов приемлем при очень низком уровне ошибок. В этом случае вопросы, связанные с восстановлением потерянных при передаче данных, могут быть переданы для решения верхним уровням. Этот класс сервисов также применяется в линиях связи реального вре­мени (например, при передаче речи), в которых явно предпочтительнее получить искаженные данные, чем получить их с большой задержкой. Сервис без подтверждений и без установления соединения используется на канальном уровне в большинстве локаль­ных сетей.

Следующим шагом в сторону повышения надежности является сервис с под­тверждениями приема кадров, но без установления соединения . При его использовании соединение не устанавливается, но получение каждого кадра подтверждается. Таким об­разом, отправитель знает, дошел ли кадр до пункта назначения в целостности. Если в течение установленного интервала времени подтверждения не поступает, кадр посылается вновь. Такой сервис применяется в случае низкокачественных дешевых линий связи с боль­шой вероятностью ошибок, например, в беспроводных системах.

Наиболее сложным сервисом, который может предоставлять канальный уровень, является сервис, ориентированный на установление соединения с подтверждения­ми приема кадров . При использовании этого метода источник и приемник, прежде чем пере­дать друг другу данные, устанавливают соединение. Каждый посылаемый кадр нумеруется, а канальный уровень гарантирует, что каждый посланный кадр дей­ствительно принят на другой стороне линии связи. Кроме того, гарантируется, что каждый кадр был принят всего один раз и что все кадры были получены в правильном порядке. В сервисе без установления соединения, напротив, возмож­но, что при потере подтверждения один и тот же кадр будет послан несколько раз и, следовательно, несколько раз получен. При использовании ориентированного на соединение сервиса передача дан­ных состоит из трех фаз. В первой фазе устанавливается соединение, при этом обе стороны инициализируют переменные и счетчики, необходимые для слежения за тем, какие кадры уже приняты, а какие – еще нет. Во второй фазе передаются кадры данных. Наконец, в третьей фазе соединение разрывается и при этом освобождаются все переменные, буферы и прочие ресурсы, использо­вавшиеся во время соединения.

Для предоставления сервиса сетевому уровню канальный уровень должен использовать сервисы, предоставляемые ему физическим уровнем. Физический уровень принимает необработанный поток битов и пытается передать его по на­значению. Этот поток не застрахован от ошибок. Количество принятых битов мо­жет быть меньше, равно или больше числа переданных бит. Кроме того, значения принятых битов могут отличаться от значений переданных. Канальный уровень должен обнаружить ошибки и, если нужно, исправить их.

Обычно канальный уровень разбивает поток битов на отдельные кадры и считает для каждого кадра так называемую контрольную сумму. Когда кадр прибывает в пункт назначения, его контрольная сумма подсчитывается снова. Если она отличается от содержащейся в кадре, то канальный уровень «понимает», что при переда­че кадра произошла ошибка, и принимает соответствующие меры (например, игнорирует испор­ченный кадр и посылает передающей машине сообщение об ошибке). Разбиение потока битов на отдельные кадры представляет собой не очень простую задачу. Один из способов раз­биения на кадры заключается во вставке временных интервалов между кадрами, подобно тому, как вставляются пробелы между словами в тексте. Однако сети редко предоставляют гарантии сохранения временных интервалов при передаче данных, поэтому возможно, что эти интервалы при передаче исчезнут или, на­оборот, будут добавлены новые интервалы. Поэтому для повышения надежности передачи данных предложены более совершенные методы. Среди них наиболее популярны такие методы маркировки границ кадров (формирования кадров ), как:

1) подсчет количества символов;

2) применение сигнальных байтов с символьным заполнением;

3) использование стартовых и стоповых битов с битовым заполнением;

4) использование запрещенных сигналов физического уровня.

Первый метод формирования кадров использует поле в заголовке для указа­ния количества символов в кадре. Когда канальный уровень на принимаю­щей машине видит это поле, он узнает, сколько символов последует, и таким образом определяет, где находится конец кадра. Недостаток такого метода заключается в том, что при передаче может быть искажен сам счетчик. Тогда принимающая машина потеряет синхронизацию и не сможет обнаружить начало следующего кадра. Даже если контрольная сумма не совпадет и принимающая машина «пой­мет», что кадр принят неверно, то она все равно не сможет определить, где начало следующего кадра. Запрашивать повторную передачу кадра также бесполезно, поскольку принимающая машина не «знает», сколько символов нужно пропус­тить до начала повторной передачи. По этой причине метод подсчета символов теперь практически не применяется.

Второй метод формирования кадров решает проблему восстановления син­хронизации после сбоя при помощи маркировки начала и конца каждого кадра специальными байтами. В последнее время большинство протоколов перешло на использова­ние в обоих случаях одного и того же байта, называемого флаговым . Таким образом, если приемник теряет синхронизацию, ему необходимо просто найти флаговый байт, с помощью которого он распозна­ет конец текущего кадра. Два соседних флаговых байта говорят о том, что кон­чился один кадр и начался другой. Однако этот метод иногда приводит к серьезным проблемам при передачи бинарных данных, таких как объектные коды программ или числа с плавающей запятой. В передаваемых данных вполне может встретиться последовательность, исполь­зуемая в качестве флагового байта. Возникновение такой ситуации, скорее всего, собьет синхронизацию. Одним из способов решения проблемы является добав­ление специального escape-символа (знака переключения кода – ESC ) непосред­ственно перед байтом, случайно совпавшим с флаговым байтом внутри кадра. Канальный уровень получателя вначале убирает эти escape-символы, затем переда­ет кадр на сетевой уровень. Этот метод называется символьным заполнением. Таким образом, настоящий флаг можно отличить от «случайно совпавшего» по наличию или отсутствию перед ним символа ESC. Если же и символ ESC случайно окажется среди прочих данных, то перед этим фиктивным escape-символом также вставляется настоящий. Тогда любой одиночный ESC будет частью escape-после­довательности, а двойной будет указывать на то, что служебный байт случайно оказался в потоке данных. После очищения от вставных символов байтовая последовательности в точности совпадает с исходной. Главный недостаток этого метода заключается в том, что он тесно связан с 8-битными символами. Между тем не во всех кодировках один символ соответ­ствует 8 битам. Например, кодировка UNICODE использует 16-битное кодирование.

Следующий метод позволяет использовать кадры и наборы символов, состоящие из любого количества битов. При этом каждый кадр начинается и завершается специальной последовательностью битов 01111110. Битовое заполнение аналогично символьному, при котором в кадр перед случайно встретившимся среди данных флагом вставляется escape-символ. Битовое заполнение, как и сим­вольное, является абсолютно прозрачным для сетевого уровня обеих машин. Если флаговая последовательность битов (01111110) встречается в данных пользователя, она передается в виде 011111010, но в памяти принимающего ком­пьютера сохраняется опять в исходном виде: 01111110. Благодаря битовому заполнению границы между двумя кадрами могут быть безошибочно распознаны с помощью флаговой последовательности. Таким образом, если приемная сторона потеряет границы кадров, ей нужно всего лишь оты­скать в полученном потоке битов флаговый байт, поскольку он встречается толь­ко на границах кадров и не может присутствовать в данных пользователя.

Наконец, последний из рассматриваемых методов формирования кадров приемлем только в сетях, в которых физический носитель обладает некоторой избыточностью. Например, некоторые локальные сети кодируют один бит данных двумя физическими бита­ми. Так в «манчестерском» коде бит 1 кодируется парой высокого и низкого уровней сигналов (от­рицательный перепад), а бит 0 – наоборот, парой низкого и высокого уровней (положительный перепад). В такой схеме каждый передаваемый бит данных со­держит в середине переход, благодаря чему упрощается распознавание границ битов. Комбинации уровней сигналов (низкий–низкий и высокий–высокий) не используются для передачи данных, но используются в качестве ограничителей кадров в некоторых протоколах.

Отметим, что многие современные протоколы пе­редачи данных для повышения надежности применяют комбинированные методы формирования кадра.

Канальный уровень должен выполнять ряд специфических функций, к которым относятся обработка ошибок передачи данных и управление потоком данных , исключающее «затопление» медленных прием­ников быстрыми передатчиками.

Серьезной проблемой является гарантированная доставка сетевому уровню принимающей машины всех кадров с расположением их при этом в правильном порядке. Обычно для гарантирования надежной доставки поставщику посылается ин­формация о том, что происходит на другом конце линии. Протокол требует от получателя посылать обратно специальные управляющие кадры, содержащие по­зитивные или негативные сообщения о полученных кадрах. Получив позитивное сообщение, отправитель узнает, что посланный им кадр успешно получен на другом конце линии. Негативное сообщение, напротив, означает, что с кадром что-то слу­чилось и его нужно передать снова. Кроме того, посланный кадр может из-за неисправности оборудования или какой-нибудь помехи пропасть полностью. В этом случае при­нимающая сторона его просто не получит и, соответственно, никак не прореаги­рует, а отправитель при этом может бесконечно долго ожидать положительного или отрицательного ответа. Чтобы избежать зависаний сети в случае полной потери кадров, используют­ся таймеры канального уровня. После посылки кадра включается таймер и отсчитывает интервал времени, достаточный для получения принимающей машиной этого кадра, его обработки и посылки обратно подтверждения. В нор­мальной ситуации кадр правильно принимается, а подтверждение посылается на­зад и вручается отправителю, прежде чем истечет установленный интервал вре­мени, и только после этого таймер отключается. Однако если либо кадр, либо подтверждение теряется по пути, то установлен­ный интервал времени истечет, и отправитель получит сообщение о возможной проблеме. Самым простым решением для отправителя будет послать кадр еще раз. Однако при этом возникает опасность получения одного и того же кадра не­сколько раз канальным уровнем принимающей машины и повторной передачи его сетевому уровню. Чтобы этого не случилось, необходимо последо­вательно пронумеровать отсылаемые кадры, так чтобы получатель мог отличить повторно переданные кадры от оригиналов. Вопрос управления таймерами и порядковыми номерами, гарантирующими, что каждый кадр доставлен сетевому уровню принимающей машины ровно один раз, является очень важной задачей, решае­мой канальным уровнем.

Еще один важный аспект разработки канального уровня (а также более вы­соких уровней) связан с вопросом о том, что делать с отправителем, который по­стоянно желает передавать кадры быстрее, чем получатель способен их получать. Такая ситуация может возникнуть, если у передающей стороны оказывается бо­лее мощная (или менее загруженная) машина, чем у принимающей. При этом отпра­витель будет продолжает посылать кадры на высокой скорости до тех пор, пока получа­тель не окажется, как говорят, «затоплен» ими. Даже при идеально работающей линии связи в определенный момент времени получатель просто не сможет продолжать обработ­ку прибывающих кадров и начнет их терять. Для предотвраще­ния подобной ситуации чаще всего применяются два подхода. При первом, называющемся управлением потоком с обратной связью , получатель отсылает отправителю информацию, разрешающую последнему продолжить передачу или, по крайней мере, сообщающую о том, как идут дела у получателя. При втором подходе – управ­лении потоком с ограничением – в протокол встраивается механизм, ограничи­вающий скорость, с которой передатчики могут передавать данные, а обратная связь с получателем отсутствует. Известны различные схемы управления потоком с обратной связью, но большин­ство из них используют один и тот же принцип. Протокол содержит четко оп­ределенные правила, определяющие, когда отправитель может посылать следую­щий кадр. Эти правила часто запрещают пересылку кадра до тех пор, пока получатель не даст разрешения (явно либо неявно).

Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов , передающих дискретную информацию, такую как крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования , скорость передачи сигналов. Кроме того, здесь стандартизируются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Физический уровень :

передача битов по физическим каналам ;

формирование электрических сигналов ;

кодирование информации;

синхронизация ;

модуляция .

Реализуется аппаратно.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов .

Канальный уровень

На физическом уровне просто пересылаются биты . При этом не учитывается, что в тех сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer ) является проверка доступности среды передачи . Другая задача канального уровня - реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок . Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames ). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра , для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму , обрабатывая все байты кадра определенным способом, и добавляет контрольную сумму к кадру . Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра . Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров . Необходимо отметить, что функция исправления ошибок для канального уровня не является обязательной, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например в Ethernet и frame relay.

Функции канального уровня

Надежная доставка пакета :

Между двумя соседними станциями в сети с произвольной топологией.

Между любыми станциями в сети с типовой топологией:

проверка доступности разделяемой среды;

выделение кадров из потока данных, поступающих по сети; формирование кадров при отправке данных;

подсчет и проверка контрольной суммы .

Реализуются программно-аппаратно.

В протоколах канального уровня , используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации . Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся "общая шина", "кольцо" и "звезда", а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов . Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами , коммутаторами и маршрутизаторами . В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов .

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов "точка-точка" (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы PPP и LAP-B. В таких случаях для доставки сообщений между конечными узлами через всю сеть используются средства сетевого уровня . Именно так организованы сети X.25. Иногда в глобальных сетях функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, так как в одном и том же протоколе они объединяются с функциями сетевого уровня . Примерами такого подхода могут служить протоколы технологий ATM и frame relay.

В целом канальный уровень представляет собой весьма мощный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня оказываются самодостаточными транспортными средствами, и тогда поверх них могут работать непосредственно протоколы прикладного уровня или приложения, без привлечения средств сетевого и транспортного уровней. Например, существует реализация протокола управления сетью SNMP непосредственно поверх Ethernet, хотя стандартно этот протокол работает поверх сетевого протокола IP и транспортного протокола UDP. Естественно, что применение такой реализации будет ограниченным - она не подходит для составных сетей разных технологий, например Ethernet и X.25, и даже для такой сети, в которой во всех сегментах применяется Ethernet, но между сегментами существуют петлевидные связи. А вот в двухсегментной сети Ethernet, объединенной мостом , реализация SNMP над канальным уровнем будет вполне работоспособна.

Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня оказывается недостаточно, поэтому в модели OSI решение этой задачи возлагается на два следующих уровня - сетевой и транспортный.

Канальный уровень обеспечивает передачу пакетов данных, поступающих от протоколов верхних уровней, узлу назначения, адрес которого также указывает протокол верхнего уровня. Протоколы канального уровня оформляют переданные им пакеты в кадры собственного формата, помещая указанный адрес назначения в одно из полей такого кадра , а также сопровождая кадр контрольной суммой . Протокол канального уровня имеет локальный смысл, он предназначен для доставки кадров данных, как правило, в пределах сетей с простой топологией связей и однотипной или близкой технологией, например в односегментных сетях Ethernet или же в многосегментных сетях Ethernet и Token Ring иерархической топологии, разделенных только мостами и коммутаторами . Во всех этих конфигурациях адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла-источника к узлу назначения. Возможность передавать данные между локальными сетями разных технологий связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата, к тому же производители сетевых адаптеров обеспечивают уникальность адресов независимо от технологии.

Другой областью действия протоколов канального уровня являются связи типа "точка-точка" глобальных сетей, когда протокол канального уровня ответственен за доставку кадра непосредственному соседу. Адрес в этом случае не имеет принципиального значения, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры , так как плохое качество территориальных каналов, особенно коммутируемых телефонных, часто требует выполнения подобных действий. Если же перечисленные выше условия не соблюдаются, например связи между сегментами Ethernet имеют петлевидную структуру, либо объединяемые сети используют различные способы адресации , как в сетях Ethernet и X.25, то протокол канального уровня не может в одиночку справиться с задачей передачи кадра между узлами и требует помощи протокола сетевого уровня .

Сетевой уровень

Сетевой уровень (Network layer ) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны. Рассмотрим их на примере объединения локальных сетей.

Протоколы канального уровня локальных сетей обеспечивают доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией, например топологией иерархической звезды. Это жесткое ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой, например сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Можно было бы усложнять протоколы канального уровня для поддержания петлевидных избыточных связей, но принцип разделения обязанностей между уровнями приводит к другому решению. Чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи данных для типовых топологий, а с другой - допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень .

На сетевом уровне сам термин "сеть" наделяют специфическим значением. В данном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня , определенный для этой топологии.

Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем , а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень , который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связей между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в протоколах канального уровня .

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами . Маршрутизатор - это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями, или хопов (от слова hop - прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут . Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов , через которые проходит пакет .

Сетевой уровень - доставка пакета :

между любыми двумя узлами сети с произвольной топологией;

между любыми двумя сетями в составной сети ;

сеть - совокупность компьютеров, использующих для обмена данными единую сетевую технологию;

маршрут - последовательность прохождения пакетом маршрутизаторов в составной сети .

На рис. 11.8 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами . Между узлами А и В данной сети пролегает два маршрута : первый - через маршрутизаторы 1 и 3, а второй - через маршрутизаторы 1, 2 и 3.

Рис. 11.8. Пример составной сети.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня . Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь - не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может с течением времени изменяться. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, таким как надежность передачи.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой уровень также решает задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packet ). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие "номер сети". В этом случае адрес получателя состоит из старшей части - номера сети и младшей - номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса , поэтому термину "сеть" на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное, определение: сеть - это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети.

На сетевом уровне определяется два вида протоколов. Первый вид - сетевые протоколы (routed protocols) - реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня . Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршрутизации (routing protocols) . С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов .

На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне , в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов - Address Resolution Protocol , ARP . Иногда их относят не к сетевому уровню , а к канальному , хотя тонкости классификации не изменяют сути.

Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

Канальный уровень (Data Link Layer) определяет правила доступа к физической среде и управляет передачей информации по каналу, осуществляя формирование сигнала о начале передачи и организуя начало и собственно передачу информации с созданием сигнала окончания передачи и последующим переводом канала в пассивное состояние. В процессе передачи выполняется проверка принимаемой информации и исправление возникающих ошибок, отключение канала при возникновении неисправности, а также формирование сообщений о возникновении неустранимых ошибок для вышестоящего уровня с восстановлением передачи по окончании ремонта техники. В ряде случаев данный уровень осуществляет слежение за скоростью обмена и окончанием информационных блоков, а также управляет физической цепью при ее мультиплексорном использовании.

На физическом уровне просто пересылаются биты и при этом не учитывается, что физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности среды передачи. Другая задача канального уровня – реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом, и добавляет контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок для канального уровня не является обязательной, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например в Ethernet и frame relay.

Таким образом, канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием информационных блоков, преобразуя последовательность битовых потоков в наборы битов, называемые кадрами данных, обслуживая запросы сетевого уровня и используя для передачи и приема кадров сервис физического уровня. Первоначально этот уровень был создан как функционально единый уровень, решающий задачи:

При передаче - собственно передачи кадра данных с сетевого уровня на физический уровень и обеспечения безошибочной передачи по физическому уровню кадров с одной системы на другую;

При приеме - перераспределения несмонтированных битов из физического уровня в кадры для более высоких уровней.

Функции канального уровня, как правило, реализуются программно-аппаратно.

Со временем возникла необходимость разделения канального уровня на два подуровня – уровень управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и уровень управления доступом к физической среде (Media Access Control, MAC).

Подуровень MAC работает с физическими адресами, которые называются МАС-адресами. В сетях Ethernet и Token Ring МАС-адреса представляют собой шестнадцатиричные числа, записанные в микросхему сетевого адаптера. МАС-адрес сети Ethernet (иногда его называют адресом Ethernet) – это 12 шестнадцатиричных цифр, каждая пара из которых отделена двоеточием. Эти 12 шестнадцатеричных цифр представляют двоичное число длиной 48 бит (или 6 байт). Первые три байта содержат код производителя, присвоенный организацией IEEE. Последние три байта присваиваются производителем. МАС-адрес, или физический адрес, иногда называют адресом устройства. Он отличается от логического адреса,т.е. IP-адреса в сети ТСР/IР тем, что его нельзя изменить. Логический адрес присваивается программным обеспечением, изменить его очень просто. Оба адреса служат для идентификации компьютера в сети.

На подуровне LLC определяется логическая топология сети. Она может не совпадать с физической топологией. Подуровень LLC отвечает за связь (или интерфейс) между подуровнем MAC и расположенным выше сетевым уровнем, преобразуя биты и байты, полученные с уровня MAC, в формат, требуемый сетевым устройствам.

В локальных сетях протоколы канального уровня поддерживаются мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов. В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся "общая шина", "кольцо" и "звезда", а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. Во всех этих конфигурациях адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла-источника к узлу назначения. Возможность передавать данные между локальными сетями разных технологий связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата, к тому же производители сетевых адаптеров обеспечивают уникальность адресов независимо от технологии. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

В территориально-распределенных сетях, т.е. сетях уровня WAN, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов "точка-точка" (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы канального уровня PPP и LAP-B, ответственные за доставку кадра непосредственному узлу-соседу. Адрес в этом случае не имеет принципиального значения, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры, так как плохое качество территориальных каналов, особенно коммутируемых телефонных, часто требует выполнения подобных действий.

Если же перечисленные выше условия не соблюдаются, например связи между сегментами Ethernet имеют петлевидную структуру, либо объединяемые сети используют различные способы адресации, как в сетях Ethernet и X.25, то протокол канального уровня не может в одиночку справиться с задачей передачи кадра между узлами и требует помощи протокола сетевого уровня. Именно так организованы сети X.25. Таким образом, когда в сетях уровня WAN функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, то они объединяются с функциями сетевого уровня в одном и том же протоколе. Примерами такого подхода могут служить протоколы технологий ATM и frame relay.

На канальном уровне используются такие протоколы, как широко известный для последовательных соединений протокол ISO High-level DataLink Conrol (HDLC), протоколы ITU-T Link Access Procedures Balanced (LAPB), Link Access Procedures on the D-channel (LAPD) и Link Access Procedures to Frame Mode Bearer Services (LAPF), протоколы IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II), обеспечивающий MAC для сред локальных сетей 802.Х, а также протоколы Ethernet, Token ring, FDDI, X.25 и FR.

В целом канальный уровень представляет весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети, допуская в ряде случаев работу поверх него непосредственно протоколов прикладного уровня или приложений без привлечения протоколов сетевого и транспортного уровней. Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня недостаточно. Для этого следует использовать в рамках модели OSI следующие два уровня модели - сетевой и транспортный .

Предыдущая статья: Hyundai Santa Fe — технические характеристики и фото кроссовера Следующая статья: Mitsubishi Lancer Evolution, обзор всех поколений