13)Кадры канального уровня

Канальный уровень- протоколы канального уровня описывают способы обмена кадрами данных при обмене данными между устройствами по общей среде передачи данных.

Канальный уровень подготавливает пакет для перемещения по среде передачи данных локальной сети, добавляя к нему заголовок и концевик с целью создать кадр. Описание кадра является ключевым элементом каждого протокола канального уровня. Хотя кадры канального уровня описываются множеством различных протоколов канального уровня, кадры любого типа состоят из трех основных компонентов.

• Заголовок

• Данные

• Концевик

Все протоколы канального уровня инкапсулируют единицу данных протокола (PDU) уровня 3 в пределах поля данных кадра. Однако структура кадра и полей, содержащихся в заголовке и концевике, отличается в зависимости от протокола.

Не существует такой структуры кадра, которая соответствовала бы требованиям всех видов передачи данных во всех типах средств подключения. Количество управляющей информации, которая должна присутствовать в кадре, зависит от окружения и изменяется в соответствии с требованиями управления доступом для конкретной среды и логической топологии.

Поля кадра

Кадрирование делит поток на дешифруемые группы. Управляющая информация помещается в заголовок и концевик в виде значений в разных полях. Этот формат придает физическим сигналам структуру, которую узлы способны принимать и декодировать в пакеты в точке назначения.

Как показано на рисунке, существуют следующие типы полей кадра.

• Флаги начала и конца кадра: используются для определения границ начала и конца кадра.

• Адресация: указывает узлы источника и назначения в среде передачи данных.

• Тип: указывает протокол уровня 3 в поле данных.

• Управление: указывает особые службы управления потоком, например качество обслуживания (QoS). Служба QoS используется для приоритетной пересылки определенных типов сообщений. Кадры каналов передачи данных, в которых пересылаются пакеты протокола VoIP, обычно пользуются приоритетом, поскольку они чувствительны к задержкам.

• Данные: содержит полезную нагрузку кадра (т. е. заголовок пакета, заголовок сегмента и данные).

• Обнаружение ошибок: эти поля кадра используются для обнаружения ошибок и помещаются после данных для формирования концевика.

Не каждый протокол включает в себя все эти поля. Фактический формат кадра определяется стандартами для конкретного канального протокола.

Протоколы канального уровня добавляют концевик в конец каждого кадра. Концевик используется, чтобы проверить наличие ошибок в принятом кадре. Этот процесс называется обнаружением ошибок. Для этого в концевике кадра размещается специальная информация, полученная путем математической или логической обработки содержимого кадра. Биты обнаружения ошибок добавляются на канальном уровне, т. к. сигналы в среде передачи данных могут быть подвержены помехам, искажениям или потерям, в результате чего значения представленных этими сигналами битов могут изменяться.

Передающий узел путем логической обработки содержимого кадра создает так называемый циклический избыточный код (cyclic redundancy check, CRC). Значение этого кода помещается в поле контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS) и предоставляет информацию о содержимом кадра. Поле FCS в концевике кадра Ethernet позволяет принимающему узлу проверять кадр на наличие ошибок передачи.

Адрес уровня 2

Канальный уровень обеспечивает адресацию, используемую при пересылке кадра по совместно используемой среде передачи данных в локальной сети. Адреса устройств на этом уровне называются физическими адресами. Адресация канального уровня содержится в заголовке кадра и указывает узел назначения кадра в локальной сети. Заголовок кадра может также содержать адрес источника кадра.

В отличие от логических адресов уровня 3, которые являются иерархическими, физические адреса не указывают, в какой сети находится устройство. Физический адрес — это адрес конкретного физического устройства. Если устройство перемещается в другую сеть или подсеть, оно продолжит функционировать с тем же физическим адресом уровня 2.

В ходе пересылки IP-пакетов от узла к маршрутизатору, между маршрутизаторами и, наконец, от маршрутизатора к узлу в каждой точке на пути своего следования IP-пакет инкапсулируется в новый кадр канала передачи данных. Каждый кадр канального уровня содержит адрес канала-источника (передавшего этот кадр сетевой платы) и адрес канала назначения (сетевой платы, принимающей этот кадр).

Адрес, соответствующий конкретному устройству и не являющийся иерархическим, нельзя использовать для поиска устройств в больших сетях или в Интернете. Однако физический адрес можно использовать для обнаружения устройства в ограниченной зоне. Поэтому адрес канального уровня используется только для локальной доставки пакетов. Адреса этого уровня не имеют смысла за пределами локальной сети. Сравните их с уровнем 3, где адреса в заголовке пакета передаются от узла источника на узел назначения, независимо от количества транзитных участков сети на протяжении маршрута.

Если данные должны перейти в другой сегмент сети, необходимо промежуточное устройство, например маршрутизатор. Маршрутизатор должен принять кадр согласно физическому адресу и деинкапсулировать его для анализа иерархического адреса или IP-адреса. С помощью IP-адреса маршрутизатор может определить местоположение устройства назначения в сети, а также наилучший путь к нему. Узнав, куда необходимо переслать пакет, маршрутизатор создает для него новый кадр, который отправляется в следующий сетевой сегмент к месту назначения.

Кадры LAN и WAN

В сети на основе стека протоколов TCP/IP все протоколы уровня 2 модели OSI работают с протоколом IP на уровне 3 модели OSI. Однако фактически используемый протокол уровня 2 зависит от логической топологии сети и физической среды передачи данных.

Каждый протокол управляет доступом к среде для указанных логических топологий уровня 2. Это означает, что при реализации этих протоколов в качестве узлов, действующих на канальном уровне, может использоваться целый ряд различных сетевых устройств. К таким устройствам относятся сетевые платы на компьютерах, а также интерфейсы на маршрутизаторах и коммутаторах уровня 2.

Протокол уровня 2, используемый для конкретной топологии сети, определяется технологией, используемой для реализации этой топологии. Эта технология, в свою очередь, определяется размером сети (с точки зрения количества узлов и территории) и сервисами, предоставляемыми в этой сети.

В локальных сетях обычно используются технологии, которые обеспечивают высокую пропускную способность и поддерживают большое количество узлов. Сравнительно небольшая протяженность локальных сетей (в пределах одного здания или комплекса зданий) и высокая плотность пользователей обеспечивают рентабельность этой технологии.

Однако использование технологии с высокой пропускной способностью обычно нерентабельно для глобальных сетей, охватывающих обширные территории (например, города или целые области). Ввиду высокой стоимости физических каналов большой протяженности и технологий, используемых для передачи сигналов на большие расстояния, пропускная способность таких сетей, как правило, определяется уровнем рентабельности.

Разница в пропускной способности требует использования различных протоколов для локальных и глобальных сетей.

К протоколам канального уровня относятся:

• Ethernet

• Беспроводная сеть 802.11

• Протокол точка-точка (протокол PPP)

• HDLC

• Протокол ретрансляции кадров (протокол Frame Relay)