Вопрос 10. Функции и особенности канального уровня. Услуги канального уровня с соединением

Определение канального уровня

Канальный уровень (Data Link Layer, L2) — это второй уровень модели OSI, который отвечает за надёжную передачу данных через физический канал между двумя соседними узлами в одной локальной сети (LAN).habr+1​

Если физический уровень работает с битами, то канальный уровень работает с кадрами (фреймами) — структурированными группами битов с адресной и управляющей информацией.

Основные функции канального уровня

1. Форматирование данных в кадрыsky+1​

• Преобразование потока битов из физического уровня в структурированные кадры (фреймы)

• Добавление заголовков и трейлеров для управления и адресации

• Структура типичного кадра (на примере Ethernet):

  • Преамбула (синхронизация)

  • Начальный флаг (SOF — Start of Frame)

  • MAC-адрес получателя (destination MAC)

  • MAC-адрес отправителя (source MAC)

  • Тип протокола (Type/Length field)

  • Полезные данные (Payload)

  • Контрольная сумма (CRC/FCS)

  • Конечный флаг (EOF — End of Frame)

2. Обнаружение и исправление ошибокhabr+1​

• Обнаружение ошибок:

  • Использование CRC (Cyclic Redundancy Check) — циклического избыточного кода

  • Контрольные суммы (Checksum)

  • Проверка целостности на основе вычисления математического значения

• Исправление ошибок (в некоторых протоколах):

  • FEC (Forward Error Correction) — корректирующий код

  • Повторная передача при обнаружении ошибки

• Действия при ошибке:

  • Отброс повреждённого кадра (если нет средств исправления)

  • Запрос на повторную передачу (у протоколов с надёжной доставкой)

3. Управление доступом к общей среде передачи (MAC)sky+1​

На одном физическом канале часто хотят работать несколько устройств одновременно. Канальный уровень должен организовать справедливый доступ всех к ресурсу.

Основные методы:

• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) — для Ethernet:

  • Устройство слушает канал перед передачей

  • Если канал свободен, начинает передачу

  • Если обнаружена коллизия (два устройства передают одновременно), происходит откат и повторная попытка со случайной задержкой

• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) — для Wi-Fi:

  • Устройство слушает канал

  • Перед отправкой отправляет сигнал RTS (Request to Send)

  • Получатель отвечает CTS (Clear to Send)

  • Только после этого начинается передача

  • Избегает коллизий заранее

• Token Passing — для сетей Token Ring:

  • По кольцу циркулирует специальный маркер (токен)

  • Устройство может передавать только когда имеет токен

  • После завершения передачи передаёт токен следующему

4. Физическая (MAC) адресацияhabr+1​

• Использование 48-битных MAC-адресов (физических адресов)

• Формат: XX:XX:XX:XX:XX:XX (в шестнадцатеричной системе)

• Пример: 00:1A:2B:3C:4D:5E

• Первые три октета: идентифицируют производителя (OUI — Organizationally Unique Identifier)

• Последние три октета: серийный номер устройства у этого производителя

• MAC-адреса уникальны в пределах локальной сети

5. Управление потоком данныхsky+1​

• Предотвращение перегрузки приёмника

• Механизмы:

  • Буферизация данных

  • Отправка сигналов управления потоком (pause frames в Ethernet)

  • Согласование скоростей отправителя и приёмника

Структура канального уровня: два подуровня

Канальный уровень условно разделён на два функциональных подуровня:admin-gu+1​

Подуровень MAC (Media Access Control)

Назначение: управление физическим доступом к среде передачи данных; обслуживание устройств низкого уровня.

Функции:

• Управление доступом к физической среде (методы CSMA/CD, CSMA/CA и т.п.)

• Формирование кадров с MAC-адресами

• Добавление контрольной суммы (CRC) и концевика

• Прямое взаимодействие с физическим уровнем

• Обнаружение коллизий

Стандарты:

• IEEE 802.3 — Ethernet (проводные сети)

• IEEE 802.11 — Wi-Fi (беспроводные сети)

• IEEE 802.15.1 — Bluetooth

• IEEE 802.16 — WiMAX

Подуровень LLC (Logical Link Control)

Назначение: обеспечение логической связи между уровнями; управление надёжностью передачи.

Функции:wikipedia+1​

• Мультиплексирование протоколов — маршрутизация кадров к нужным протоколам верхнего уровня (SAP — Service Access Point)

• Управление потоком данных — согласование скоростей

• Обнаружение и восстановление ошибок — на уровне логической связи

• Установление и разрыв логических соединений (при использовании сервиса с соединением)

• Нумерация кадров — в режиме скользящего окна (для надёжной доставки)

• Подтверждение приёма — отправка ACK (acknowledgement) при получении

Стандарт:

• IEEE 802.2 — протокол LLC

Единица данных канального уровня

Единица данных (PDU): КАДР (Frame) или ФРЕЙМ

Структура кадра (примерно):

text

┌───────┬──────────┬──────────┬──────┬─────────┬───────┬────────┐

│ Преа- │ Доступ к │Адр. │Адр. │ Тип │Полезн.│Контроль│

│ амбула│ среде │получат. │ отпр.│Протокола│данные │суммы │

└───────┴──────────┴──────────┴──────┴─────────┴───────┴────────┘

Физ.ур │← MAC-подуровень (отвечает) →│ LLC-подуровень(отвечает) │ Физ.ур

Услуги канального уровня

На канальном уровне выделяют два класса услуг:linuxtesting+1​