Канальный уровень

Протокол Канального уровня обеспечивает интерфейс между физической сетью и стеком протоколов компьютера. Протокол Канального уровня обычно состоит из трех элементов:

• кадра специального формата, который инкапсулирует данные протокола Сетевого уровня;

• механизма, регулирующего доступ к совместно используемой сетевой среде;

• принципов, которые должны быть реализованы при разработке Физического уровня сети.

Заголовок и хвост, добавляемые этим протоколом к данным Сетевого уровня, во время передачи пакета по сети являются его самыми крайними полями. По существу, такой кадр — это оболочка, которая переносит пакет к его следующему месту назначения и обеспечивает адресную информацию, необходимую для доставки пакета к цели. В дополнение к сказанному, протоколы Канального уровня обычно содержат средства контроля ошибок и индикатор, указывающий на протокол Сетевого уровня принимающей системы, который должен быть задействован для обработки данных пакета.

В большинстве ЛВС множество систем обращаются к одной совместно используемой узкополосной среде передачи данных. Это означает, что в любой момент времени может передавать данные только один компьютер. Если передачу одновременно начинают две и более системы, то возникает коллизия, и данные теряются. На протокол Канального уровня возложено осуществление контроля за доступом к совместно используемой среде и предотвращение возникающих конфликтов.

Большинство протоколов Канального уровня включают в свои спецификации элементы Физического уровня. Это положение необходимо для поддержания тесного согласования протокола Канального уровня с Физическим уровнем, поскольку механизмы управления доступом к среде передачи имеют ярко выраженную зависимость от размера передаваемых кадров и длины сегментов кабеля.

Адресация

Заголовок протокола Канального уровня содержит адрес компьютера, отправившего пакет, и адрес компьютера, который должен получить этот пакет. На этом уровне используются аппаратные (MAC) адреса.

Протоколы Канального уровня не заботятся о доставке пакета конечному адресату. Когда маршрут следования пакета до его места назначения проходит через несколько сетей, поля протокола Канального уровня отвечают только за доставку пакета маршрутизатору локальной сети, обеспечивающему доступ к следующей сети маршрута следования пакета. Таким образом, адрес получателя в заголовке протокола Канального уровня всегда относится к устройству, расположенному в локальной сети, даже если конечный компьютер, которому отправлено сообщение, находится в сети, удаленной на расстояние в несколько миль.

Протоколы Канального уровня, используемые в ЛВС, полагаются на совместно задействуемую среду передачи данных. Все компьютеры сегмента сети получают каждый пакет, но только система, адрес которой совпадает с адресом, указанным в заголовке пакета, считывает пакет в буфер памяти и обрабатывает его. Все другие узлы просто отбрасывают пакет, не предпринимая каких-либо действий.

Управление доступом к среде

Управление доступом к среде — это процесс, посредством которого протокол Канального уровня разрешает спорные ситуации, связанные с попытками одновременного использования сетевой среды передачи. Для того чтобы сеть могла функционировать эффективно, каждая рабочая станция, подключенная к общему кабелю или другой среде передачи, должна иметь возможность регулярно передавать информацию.

В большинстве современных ЛВС применяются два основных способа контроля доступа к среде:

• Метод доступа с передачей маркера;

• Метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий.

Эти механизмы для обеспечения собственного правильного функционирования должны опираться на спецификации Физического уровня. Например, Ethernet системы могут обнаружить появление коллизии только в том случае, если рабочая станция все еще передает пакет. Если сегмент сети слишком длинный, конфликт может возникнуть уже после того, как последний бит информации покинул передающую систему, таким образом, коллизия останется незамеченной. Данные такого пакета будут потеряны, и обнаружить их отсутствие смогут только протоколы вышележащих уровней той системы, которой предназначалось сообщение. Таким образом, если эталонная модель OSI выделяет четкую границу между Физическим и Канальным уровнями, в реальном мире их функции сильно переплетены.

Индикатор протокола

Большинство реализаций протокола Канального уровня разработаны для единовременной поддержки нескольких протоколов Сетевого уровня. Это означает, что на каждом компьютере доступны несколько путей для прохождения информации через стек протоколов. Для того чтобы иметь возможность использовать множество протоколов Сетевого уровня, заголовок протокола Канального уровня должен содержать код, определяющий, какой из протоколов Сетевого уровня был выбран для создания полезной нагрузки пакета. Выполнение этого требования дает возможность принимающей системе передать данные, содержащиеся в кадре, соответствующему процессу Сетевого уровня.

Выявление ошибок

Большинство протоколов Канального уровня отличаются от всех протоколов верхнего уровня наличием постинформации, следующей за полезными данными. Эта постинформация содержит поле контрольной последовательности кадра (FCS, frame check sequence), которое используется для выявления любых ошибок, возникающих во время передачи данных. Для этого система, отправляющая пакет, вычисляет значение циклического избыточного кода (CRC) для всего кадра и включает его в поле FCS. Когда пакет достигает места своего назначения, принимающая сторона выполняет точно такие же вычисления и сравнивает их результаты со значением рассматриваемого поля. Если значения не совпадают, пакет считается поврежденным при пересылке и "молча" отбрасывается.

Принимающая система не предпринимает никаких действий, чтобы передача отбракованных пакетов повторилась. Эти действия производят протоколы вышележащих уровней модели OSI. Данный процесс выявления ошибок осуществляется всеми промежуточными узлами пересылки на пути следования пакета к месту его назначения. Некоторые протоколы вышележащих уровней имеют свои собственные механизмы выявления ошибок.