Какой атрибут сетевой карты помещает ее на канальный уровень модели osi

Обновлено: 15.01.2025

Сетевая модель OSI (англ. open systems interconnection basic reference model) - концептуальная модель, которая обобщает и стандартизирует представление средств сетевого взаимодействия в телекоммуникационных и компьютерных системах, независимо от их внутреннего устройства и используемых технологий. Модель OSI была разработана в 1984 году Международной организацией стандартизации (ISO). Основной целью ее создания был поиск решения проблемы несовместимости устройств, использующих различные коммуникационные протоколы, путем перехода на единый, общий для всех систем стек протоколов.

OSI состоит из двух основных частей:

абстрактная модель сетевого взаимодействия (семиуровневая модель)
набор специализированных протоколов взаимодействия

Концепция семиуровневой модели была описана в работе Чарльза Бахмана. Данная модель подразделяет коммуникационную систему на уровни абстракции (англ. "abstraction layers"). В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень:

имеет дело с совершенно определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств
обслуживает уровень, находящийся непосредственно над ним, и обслуживается уровнем, находящимся под ним

Протоколы связи же решают две задачи: они обеспечивают взаимодействие между сущностями, находящимися на одном и том же уровне абстракции, но на разных хостах и абстрактно описывают функционал, который (N-1)-ый уровень предоставляет (N)-ому, где N - один из 7 уровней модели OSI. В рамках модели, любой протокол может взаимодействовать либо с протоколами своего уровня (горизонтальные взаимодействия), либо с протоколами уровня на единицу выше/ниже своего уровня (вертикальные взаимодействия).

Каждый из семи уровней характеризуется типом данных (PDU, сокращение от англ. protocol data units), которым данный уровень оперирует и функционалом, который он предоставляет слою, находящемуся выше него. Предполагается, что пользовательские приложения обращаются только к самому верхнему (прикладному) уровню, однако на практике это выполняется далеко не всегда.

Прикладной уровень выполняет следующие функции:

Позволяет приложениям использовать сетевые службы (например удалённый доступ к файлам)
Идентификация пользователей по их паролям, адресам, электронным подписям
Предоставление приложениям информации об ошибках
Определение достаточности имеющихся ресурсов
Управление данными, которыми обмениваются прикладные процессы и синхронизация взаимодействия прикладных процессов

К числу наиболее распространенных протоколов верхних трех уровней относятся:

Уровень представления занимается представлением данных, передаваемых прикладными процессами в нужной форме. Данные, полученные от приложений с прикладного уровня, на уровне представления преобразуются в формат подходящий для передачи их по сети, а полученные по сети данные преобразуются в формат приложений. Также кроме форматов и представления данных, данный уровень занимается конвертацией структур данных, используемых различными приложениями. Другой функцией, выполняемой на уровне представлений, является шифрование данных, которое применяется в тех случаях, когда необходимо защитить передаваемую информацию от доступа несанкционированными получателями.

Генерация запросов на установление/завершение сеансов взаимодействия прикладных процессов
Согласование представления данных между прикладными процессами
Конвертация форм представления данных
Шифрование данных

Примеры протоколов данного уровня:

AFP — Apple Filing Protocol
ICA — Independent Computing Architecture
LPP — Lightweight Presentation Protocol
NCP — NetWare Core Protocol

Сеансовый уровень контролирует структуру проведения сеансов связи между пользователями. Он занимается установкой, поддержанием и прерыванием сеансов, фиксирует, какая из сторон является активной в данный момент, осуществляет синхронизацию обмена информацией между пользователями, что также позволяет устанавливать контрольные точки.

На сеансовом уровне определяется, какой будет передача между двумя прикладными процессами:

полудуплексной (процессы будут передавать и принимать данные по очереди)
дуплексной (процессы будут передавать данные, и принимать их одновременно)

Примеры протоколов сеансового уровня:

ADSP (AppleTalk Data Stream)
ASP (AppleTalk Session)
RPC (Remote Procedure Call)
PAP (Password Authentication Protocol)

Транспортный уровень предназначен для передачи надежной последовательностей данных произвольной длины через коммуникационную сеть от отправителя к получателю. Уровень надежности может варьироваться в зависимости от класса протокола транспортного уровня. Так например UDP гарантирует только целостность данных в рамках одной датаграммы и не исключает возможности потери/дублирования пакета или нарушения порядка получения данных; TCP обеспечивает передачу данных, исключающую потерю данных или нарушение порядка их поступления или дублирования, может перераспределять данные, разбивая большие порции данных на фрагменты и наоборот, склеивая фрагменты в один пакет.

Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов. В функции транспортного уровня входят:

Управление передачей по сети и обеспечение целостности блоков данных
Обнаружение ошибок, частичная их ликвидация
Восстановление передачи после отказов и неисправностей
Разбиение данных на блоки определенного размера
Предоставление приоритетов при передаче блоков (нормальная или срочная)
Подтверждение передачи.

Транспортный уровень использует сегменты или датаграммы в качестве основного типа данных.

TCP (Transmission Control Protocol)
UDP (User Datagram Protocol)
SCTP (Stream Control Transmission Protocol)

Сетевой уровень предоставляет функционал для определения пути передачи пакетов данных между клиентами, подключенными к одной коммуникационной сети. На данном уровне решается проблема маршрутизации (выбора оптимального пути передачи данных), трансляцией логических адресов в физические, отслеживанием неполадок в сети.

Сетевой уровень выполняет функции:

Обнаружение и исправление ошибок, возникающих при передаче через коммуникационную сеть
Упорядочение последовательностей пакетов
Маршрутизация и коммутация
Сегментирование и объединение пакетов

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol) сетевой протокол стека TCP/IP
IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол межсетевого обмена)
AppleTalk

Канальный уровень предназначен для передачи данных между двумя узлами, находящихся в одной локальной сети. Роль PDU исполняют фреймы (англ. frame). Фреймы канального уровня не пересекают границ локальной сети, что позволяет данному уровню сосредоточиться на локальной доставке (фактически межсетевой доставкой занимаются более высокие уровни).

Заголовок фрейма формируется из аппаратных адресов отправителя и получателя, что позволяет однозначно определить устройство, которое отправило данный фрейм и устройство, которому он предназначен. При этом никакая часть адреса не может быть использована, чтобы определить некую логическую/физическую группу к которой принадлежит устройство.

Канальный уровень состоит из двух подуровней: LLC и MAC.

Канальный уровень выполняет функции:

LLC Multiplexing: Интерфейс между сетевым уровнем и MAC, чтобы несколько различных протоколов сетевого уровня могли сосуществовать.
LLC Flow control: Механизм ограничении скорости передачи данных при медленном приёмнике
LLC Error control: Определение (и иногда исправление) ошибок с помощью чексумм
MAC Adressing mechanism: Адрессация на основе уникальных MAC-адресов
MAC Channel access control mechanism: Предоставляет протокол множественного доступа

Наиболее часто на канальной уровне используются протоколы:

PPP (Point-To-Point Protocol, протокол прямого соединения между двумя узлами)
SLIP (Serial Line Internet Protocol, предшественник PPP, который всё ещё используется в микроконтроллерах)
Ethernet II framing

Физический уровень описывает способы передачи потока бит через дата линк, соединяющий сетевые устройства. Поток байт может быть сгруппирован в слова и сконвертирован в физический сигнал, который посылается через некоторое устройство.

Здесь специфицируются такие низкоуровневые параметры как частота, амплитуда и модуляция.

Физический уровень выполняет функции:

Побитовая доставка
Физическое кодирование (способ представления данных в виде импульсов)
LLC Error control: Определение (и иногда исправление) ошибок с помощью чексумм
MAC Adressing mechanism: Адрессация на основе уникальных MAC-адресов
MAC Channel access control mechanism: Предоставляет протокол множественного доступа

Наиболее часто на физическом уровне используются протоколы:

Ethernet physical layer (семейство стандартов с оптическими или электрическими свойствами соединений между устройствами)
USB

Инкапсуляция (англ. encapsulation) -- метод проектирования протоколов в которой логически независимые функции сети не зависят от реализации нижележащих механизмов с помощью включения этих механизмов в более высокоуровневые объекты.

Физический уровень ответственен за физическую передачу данных. IP предоставляет глобальный способ адресации устройств. TCP добавляет возможность выбора приложения (порт).

Во время инкапсуляции каждый уровень собирает свой собственный PDU, добавляя некоторый заголовок с контрольной информацией к PDU с более высокого уровня.

Открытая сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection model) состоит из семи уровней. Что это за уровни, как устроена модель и какова ее роль при построении сетей — в статье.

Модель OSI является эталонной. Эталонная она потому, что полное название модели выглядит как «Basic Reference Model Open Systems Interconnection model», где Basic Reference Model означает «эталонная модель». Вначале рассмотрим общую информацию, а потом перейдем к частным аспектам.

Принцип устройства сетевой модели

Сетевая модель OSI имеет семь уровней, иерархически расположенных от большего к меньшему. То есть, самым верхним является седьмой (прикладной), а самым нижним — первый (физический). Модель OSI разрабатывалась еще в 1970-х годах, чтобы описать архитектуру и принципы работы сетей передачи данных. Важно помнить, что данные передаются не только по сети интернет, но и в локальных сетях с помощью проводных или беспроводных соединений.

На седьмом уровне информация представляется в виде данных, на первом — в виде бит. Процесс, когда информация отправляется и переходит из данных в биты, называется инкапсуляцией. Обратный процесс, когда информация, полученная в битах на первом уровне, переходит в данные на седьмом, называется декапсуляцией. На каждом из семи уровней информация представляется в виде блоков данных протокола — PDU (Protocol Data Unit).

Рассмотрим на примере: пользователь 1 отправляет картинку, которая обрабатывается на седьмом уровне в виде данных, данные должны пройти все уровни до самого нижнего (первого), где будут представлены как биты. Этот процесс называется инкапсуляцией. Компьютер пользователя 2 принимает биты, которые должны снова стать данными. Этот обратный процесс называется декапсуляция. Что происходит с информацией на каждом из семи уровней, как и где биты переходят в данные мы разберем в этой статье.

Первый, физический уровень (physical layer, L1)

Начнем с самого нижнего уровня. Он отвечает за обмен физическими сигналами между физическими устройствами, «железом». Компьютерное железо не понимает, что такое картинка или что на ней изображено, железу картинка понятна только в виде набора нулей и единиц, то есть бит. В данном случае бит является блоком данных протокола, сокращенно PDU (Protocol Data Unit).

Каждый уровень имеет свои PDU, представляемые в той форме, которая будет понятна на данном уровне и, возможно, на следующем до преобразования. Работа с чистыми данными происходит только на уровнях с пятого по седьмой.

Устройства физического уровня оперируют битами. Они передаются по проводам (например, через оптоволокно) или без проводов (например, через Bluetooth или IRDA, Wi-Fi, GSM, 4G и так далее).

Второй уровень, канальный (data link layer, L2)

Когда два пользователя находятся в одной сети, состоящей только из двух устройств — это идеальный случай. Но что если этих устройств больше?

У канального уровня есть два подуровня — это MAC и LLC. MAC (Media Access Control, контроль доступа к среде) отвечает за присвоение физических MAC-адресов, а LLC (Logical Link Control, контроль логической связи) занимается проверкой и исправлением данных, управляет их передачей.

На втором уровне OSI работают коммутаторы, их задача — передать сформированные кадры от одного устройства к другому, используя в качестве адресов только физические MAC-адреса.

Третий уровень, сетевой (network layer, L3)

На третьем уровне появляется новое понятие — маршрутизация. Для этой задачи были созданы устройства третьего уровня — маршрутизаторы (их еще называют роутерами). Маршрутизаторы получают MAC-адрес от коммутаторов с предыдущего уровня и занимаются построением маршрута от одного устройства к другому с учетом всех потенциальных неполадок в сети.

На сетевом уровне активно используется протокол ARP (Address Resolution Protocol — протокол определения адреса). С помощью него 64-битные MAC-адреса преобразуются в 32-битные IP-адреса и наоборот, тем самым обеспечивается инкапсуляция и декапсуляция данных.

Четвертый уровень, транспортный (transport layer, L4)

Все семь уровней модели OSI можно условно разделить на две группы:

Media layers (уровни среды),
Host layers (уровни хоста).

Уровни группы Media Layers (L1, L2, L3) занимаются передачей информации (по кабелю или беспроводной сети), используются сетевыми устройствами, такими как коммутаторы, маршрутизаторы и т.п. Уровни группы Host Layers (L4, L5, L6, L7) используются непосредственно на устройствах, будь то стационарные компьютеры или портативные мобильные устройства.

Четвертый уровень — это посредник между Host Layers и Media Layers, относящийся скорее к первым, чем к последним, его главной задачей является транспортировка пакетов. Естественно, при транспортировке возможны потери, но некоторые типы данных более чувствительны к потерям, чем другие. Например, если в тексте потеряются гласные, то будет сложно понять смысл, а если из видеопотока пропадет пара кадров, то это практически никак не скажется на конечном пользователе. Поэтому, при передаче данных, наиболее чувствительных к потерям на транспортном уровне используется протокол TCP, контролирующий целостность доставленной информации.

Для мультимедийных файлов небольшие потери не так важны, гораздо критичнее будет задержка. Для передачи таких данных, наиболее чувствительных к задержкам, используется протокол UDP, позволяющий организовать связь без установки соединения.

При передаче по протоколу TCP, данные делятся на сегменты. Сегмент — это часть пакета. Когда приходит пакет данных, который превышает пропускную способность сети, пакет делится на сегменты допустимого размера. Сегментация пакетов также требуется в ненадежных сетях, когда существует большая вероятность того, что большой пакет будет потерян или отправлен не тому адресату. При передаче данных по протоколу UDP, пакеты данных делятся уже на датаграммы. Датаграмма (datagram) — это тоже часть пакета, но ее нельзя путать с сегментом.

Главное отличие датаграмм в автономности. Каждая датаграмма содержит все необходимые заголовки, чтобы дойти до конечного адресата, поэтому они не зависят от сети, могут доставляться разными маршрутами и в разном порядке. Датаграмма и сегмент — это два PDU транспортного уровня модели OSI. При потере датаграмм или сегментов получаются «битые» куски данных, которые не получится корректно обработать.

Первые четыре уровня — специализация сетевых инженеров, но с последними тремя они не так часто сталкиваются, потому что пятым, шестым и седьмым занимаются разработчики.

Пятый уровень, сеансовый (session layer, L5)

Пятый уровень оперирует чистыми данными; помимо пятого, чистые данные используются также на шестом и седьмом уровне. Сеансовый уровень отвечает за поддержку сеанса или сессии связи. Пятый уровень оказывает услугу следующему: управляет взаимодействием между приложениями, открывает возможности синхронизации задач, завершения сеанса, обмена информации.

Службы сеансового уровня зачастую применяются в средах приложений, требующих удаленного вызова процедур, т.е. чтобы запрашивать выполнение действий на удаленных компьютерах или независимых системах на одном устройстве (при наличии нескольких ОС).

Примером работы пятого уровня может служить видеозвонок по сети. Во время видеосвязи необходимо, чтобы два потока данных (аудио и видео) шли синхронно. Когда к разговору двоих человек прибавится третий — получится уже конференция. Задача пятого уровня — сделать так, чтобы собеседники могли понять, кто сейчас говорит.

Шестой уровень, представления данных (presentation layer, L6)

О задачах уровня представления вновь говорит его название. Шестой уровень занимается тем, что представляет данные (которые все еще являются PDU) в понятном человеку и машине виде. Например, когда одно устройство умеет отображать текст только в кодировке ASCII, а другое только в UTF-8, перевод текста из одной кодировки в другую происходит на шестом уровне.

Шестой уровень также занимается представлением картинок (в JPEG, GIF и т.д.), а также видео-аудио (в MPEG, QuickTime). Помимо перечисленного, шестой уровень занимается шифрованием данных, когда при передаче их необходимо защитить.

Седьмой уровень, прикладной (application layer)

Седьмой уровень иногда еще называют уровень приложений, но чтобы не запутаться можно использовать оригинальное название — application layer. Прикладной уровень — это то, с чем взаимодействуют пользователи, своего рода графический интерфейс всей модели OSI, с другими он взаимодействует по минимуму.

Все услуги, получаемые седьмым уровнем от других, используются для доставки данных до пользователя. Протоколам седьмого уровня не требуется обеспечивать маршрутизацию или гарантировать доставку данных, когда об этом уже позаботились предыдущие шесть. Задача седьмого уровня — использовать свои протоколы, чтобы пользователь увидел данные в понятном ему виде.

Критика модели OSI

Семиуровневая модель была принята в качестве стандарта ISO/IEC 7498, действующего по сей день, однако, модель имеет свои недостатки. Среди основных недостатков говорят о неподходящем времени, плохой технологии, поздней имплементации, неудачной политике.

Первый недостаток — это неподходящее время. На разработку модели было потрачено неоправданно большое количество времени, но разработчики не уделили достаточное внимание существующим в то время стандартам. В связи с этим модель обвиняют в том, что она не отражает действительность. В таких утверждениях есть доля истины, ведь уже на момент появления OSI другие компании были больше готовы работать с получившей широкое распространение моделью TCP/IP.

Вторым недостатком называют плохую технологию. Как основной довод в пользу того, что OSI — это плохая технология, приводят распространенность стека TCP/IP. Протоколы OSI часто дублируют другу друга, функции распределены по уровням неравнозначно, а одни и те же задачи могут быть решены на разных уровнях.

Разделение на семь уровней было скорее политическим, чем техническим. При построении сетей в реальности редко используют уровни 5 и 6, а часто можно обойтись только первыми четырьмя. Даже изначальное описание архитектуры в распечатанном виде имеет толщину в один метр.

Кроме того, в отличие от TCP/IP, OSI никогда не ассоциировалась с UNIX. Добиться широкого распространения OSI не получилось потому, что она проектировалась как закрытая модель, продвигаемая Европейскими телекоммуникационными компаниями и правительством США. Стек протоколов TCP/IP изначально был открыт для всех, что позволило ему набрать популярность среди сторонников открытого программного кода.

Даже несмотря на то, что основные проблемы архитектуры OSI были политическими, репутация была запятнана и модель не получила распространения. Тем не менее, в сетевых технологиях, при работе с коммутацией даже сегодня обычно используют модель OSI.

Вывод, роль модели OSI при построении сетей

В статье мы рассмотрели принципы построения сетевой модели OSI. На каждом из семи уровней модели выполняется своя задача. В действительности архитектура OSI сложнее, чем мы описали. Существуют и другие уровни, например, сервисный, который встречается в интеллектуальных или сотовых сетях, или восьмой — так называют самого пользователя.

Как мы упоминали выше, оригинальное описание всех принципов построения сетей в рамках этой модели, если его распечатать, будет иметь толщину в один метр. Но компании активно используют OSI как эталон. Мы перечислили только основную структуру словами, понятными начинающим.

Модель OSI служит инструментом при диагностике сетей. Если в сети что-то не работает, то гораздо проще определить уровень, на котором произошла неполадка, чем пытаться перестроить всю сеть заново.

Зная архитектуру сети, гораздо проще ее строить и диагностировать. Как нельзя построить дом, не зная его архитектуры, так невозможно построить сеть, не зная модели OSI. При проектировании важно учитывать все. Важно учесть взаимодействие каждого уровня с другими, насколько обеспечивается безопасность, шифрование данных внутри сети, какой прирост пользователей выдержит сеть без обрушения, будет ли возможно перенести сеть на другую машину и т.д. Каждый из перечисленных критериев укладывается в функции одного из семи уровней.

p, blockquote 1,0,0,0,0 -->

p, blockquote 2,0,0,0,0 -->

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.

p, blockquote 3,0,0,0,0 -->

Дополнительные задачи канального уровня:

Работа с кадрами

p, blockquote 5,0,0,0,0 -->

p, blockquote 6,0,0,0,0 -->

Формирование кадра

Например, есть два ноутбука Хост 1 и Хост 2. И на картинке ниже есть три уровня, сетевой, канальный и физический.

p, blockquote 7,0,0,0,0 -->

p, blockquote 8,0,0,0,0 -->

p, blockquote 9,0,0,0,0 -->

Принимающее устройство читает заголовок и концевик, извлекает пакет сетевого уровня и передает вышестоящему сетевому уровню для последующей обработки.

p, blockquote 10,0,0,0,0 -->

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.

Указатель количества байт

p, blockquote 12,0,1,0,0 -->

p, blockquote 13,0,0,0,0 -->

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.

p, blockquote 14,0,0,0,0 -->

p, blockquote 15,0,0,0,0 -->

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.

p, blockquote 16,0,0,0,0 -->

Вставка byte и bit

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.

p, blockquote 17,0,0,0,0 -->

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.

p, blockquote 18,0,0,0,0 -->

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.

p, blockquote 19,0,0,0,0 -->

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.

p, blockquote 20,0,0,0,0 -->

Средства физического уровня

p, blockquote 21,0,0,0,0 -->

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.

p, blockquote 22,0,0,0,0 -->

Перед отправкой каждого кадра передаются символы J (11000) и K (10001), а после окончания отправки кадра передается символ T (01101).

p, blockquote 23,0,0,0,0 -->

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.

p, blockquote 24,1,0,0,0 -->

p, blockquote 25,0,0,0,0 -->

p, blockquote 26,0,0,0,0 -->

p, blockquote 27,0,0,0,0 -->

p, blockquote 28,0,0,0,0 -->

p, blockquote 29,0,0,0,0 -->

p, blockquote 30,0,0,0,0 -->

p, blockquote 31,0,0,0,0 -->

p, blockquote 32,0,0,0,0 -->

p, blockquote 33,0,0,0,0 -->

p, blockquote 34,0,0,0,0 -->

p, blockquote 35,0,0,0,0 -->

Множественный доступ к каналам

p, blockquote 36,0,0,1,0 -->

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.

p, blockquote 37,0,0,0,0 -->

p, blockquote 38,0,0,0,0 -->

Подуровни канального уровня

p, blockquote 39,0,0,0,0 -->

Подуровень LLC отвечает за передачу данных, формирование кадров, обработку ошибок и тому подобное. LLC общий уровень для различных технологий канального уровня.

p, blockquote 40,0,0,0,0 -->

Подуровень MAC используется, если технология канального уровня с разделяемым доступом. Если технология канального уровня используют соединение “точка-точка”, то подуровень MAC не нужен.

p, blockquote 41,0,0,0,0 -->

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.

p, blockquote 42,0,0,0,0 -->

Подуровень MAC особенный для разных технологий канального уровня, он зависит от того, какая среда передачи данных используется.

p, blockquote 43,0,0,0,0 -->

Услуги подуровня LLC

p, blockquote 44,0,0,0,0 -->

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.

p, blockquote 45,0,0,0,0 -->

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.

p, blockquote 47,0,0,0,0 -->

p, blockquote 48,0,0,0,0 --> p, blockquote 49,0,0,0,1 -->

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.

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

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

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

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

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

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

заголовка,
поля данных, где размещен пакет,
концевика.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Читайте также: