Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных между абонентами через физический уровень, поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации, позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем множестве абонентов, подключенных к общему физическому каналу. В функции данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов. Кроме того, средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок, которые могут возникать при передаче данных физическим уровнем. Большинство функций канального уровня выполняются устройствами передачи данных (например, сетевым адаптером).
Метод коммутации
Одной из центральных проблем организации передачи данных по физическим каналам является проблема параллельного использования одного и того же канала несколькими парами абонентов. Методы, лежащие в основе ее решения получили название методов коммутации.
В настоящее время существует два основных метода коммутации: коммутация каналов и коммутация пакетов.
Коммутация каналов предполагает, что перед началом передачи данных должна быть выполнена процедура установления соединения, в результате которой образуется составной канал. По окончании сеанса связи соединение разрывается, и канал освобождается. Классическим примером реализации коммутации каналов является телефонная связь, которая подразумевает, что абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента, в результате чего последовательное переключение промежуточных коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между абонентами. Коммутация каналов удобна для организации линий связи, в которых подразумевается передача потоков данных "постоянной интенсивности", например, таких, как телефонный разговор, в силу чего этот метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных сетей.
Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети данных на небольшие "порции". Каждая такая "порция" передается по сети как единое целое и называется пакетом. Такой метод является очень удобным для параллельного использования физического канала несколькими парами абонентов: канал является занятым только во время прохождения пакета. Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов.
Пакет обычно состоит из двух частей – заголовка, содержащего служебные данные, необходимые для управления доставкой пакета, и собственно данных, подлежащих передаче. Порядок обмена пакетами, а также конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом. Для именования пакетов различных уровней модели OSI, используются специальные термины. Для канального уровня используется термин "кадр", для сетевого – "пакет", для транспортного – "сегмент", "дейтаграмма", для сессионного и более высоких уровней – "сообщение".
Протоколы канального уровня
Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ представления информации, а также необходимый набор правил, позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов.
На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов. Перед передачей по физическим каналам этот поток, в соответствии с принципом пакетной коммутации, разделяется на "порции", каждая из которых снабжается заголовком, содержащим некоторую служебную информацию, т.е. формируется пакет. На канальном уровне пакет называется кадром (frame).
Структура заголовка кадра зависит от набора задач, которые решает протокол. Сложность канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети. Очевидно, что организовать общение всего двух абонентов существенно проще, чем упорядочивать информационный обмен в сетях, где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар абонентов. Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы:
протоколы для соединений типа "точка-точка";
протоколы для сетей сложных топологий.
Структура кадра данных
Состав заголовка кадра зависит от многих факторов, определяемых набором функций, которые выполняет протокол. Тем не менее, можно выделить ряд информационных полей, которые обычно присутствуют в заголовке кадра. К таким полям относятся:
1. Специальные поля, предназначенные для определения границ кадров. Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо сигналы, то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том, когда начинается передача кадра и когда она заканчивается.
2. Поле, предназначенное для определения протокола сетевого уровня, которому необходимо передать данные. Так как на одном компьютере могут функционировать программные модули различных протоколов сетевого уровня, то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные по этим протоколам.
3. Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра, которая позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых данных. Принцип ее использования состоит в следующем. Сетевой адаптер отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в заголовок кадра. Принимающая сторона также вычисляет контрольную сумму полученного кадра и сравнивает его со значением, помещенным в заголовке. Если они не совпадают, то это означает, что во время передачи кадра произошла ошибка.
4. Поля, предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях (определены для протоколов, применяемых в сетях, базирующихся на сложных топологиях).
На практике поля, относящиеся к заголовку кадра, не всегда располагаются перед данными. Достаточно часто поле контрольной суммы располагается после данных. Это обеспечивает высокую эффективность проверки кадра при приеме, так как к моменту получения битов, соответствующих этому полю, весь кадр уже получен, и контрольная сумма может быть вычислена. Очевидно также, что поле, предназначенное для определения конца кадра, должно быть последним полем кадра.
Для большинства протоколов канального уровня существует ограничение на максимально допустимый объем данных, передаваемых в одном кадре, вызванное различными техническими условиями. Характеристику, устанавливающую это пороговое значение, выраженное в байтах, обозначают английской аббревиатурой MTU (Maximum Transfer Unit, максимальная единица передачи данных).
Протоколы для соединений типа "точка-точка"
Существенным отличием протоколов для соединений типа "точка-точка" является отсутствие средств адресации абонентов. Это объясняется тем, что одновременно к сети может быть подключено всего два устройства, например, два компьютера. Поэтому заголовки кадров данных протоколов этой группы не содержат адресных полей.
Простейшим примером протоколов данной группы является протокол SLIP (Serial Line Internet Protocol). Единственными служебными полями кадра протокола SLIP являются поля, позволяющие определить начало и конец кадра. Данный протокол может совместно работать только с одним протоколом сетевого уровня – протоколом IP, поскольку в заголовке кадра не предусмотрено поля идентификации протокола сетевого уровня. Кроме того, протокол не располагает средствами обнаружения ошибок, возникающих при передаче данных, что делает его малоэффективным при построении сетей на основе каналов низкого качества, например, телефонных линий.
В связи с этим протокол SLIP в настоящее время почти не используется при построении реальных сетей. Для подключения к Интернет по обычным телефонным линиям конечных пользователей в основном применяется более совершенный протокол канального уровня PPP (Point-to-Point Protocol). В отличие от SLIP протокол PPP обладает большей функциональностью и обеспечивает:
возможность использования нескольких протоколов сетевого уровня;
механизм согласования параметров устройств передачи данных;
механизм сжатия передаваемой информации с целью повышения эффективности и надежности передачи;
Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными, чем протоколы, использующиеся в сетях типа "точка-точка", так как вынуждены выполнять ряд дополнительных функций. Основными функциями являются:
Выделение на всем множестве компьютеров, подключенных к сети, конкретного абонента, с которым осуществляется информационный обмен, то есть адресация;
Упорядочивание доступа к среде передачи в случае, когда нескольким парам абонентов требуется осуществить передачу данных.
Адресация абонентов
Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны присутствовать следующие поля:
1. Адрес отправителя – некоторое число (или набор чисел), позволяющее идентифицировать сетевой адаптер (а, следовательно, и компьютер, в котором она установлена), который осуществил передачу кадра данных в сеть. Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе, и, как правило, не изменяются в дальнейшем, хотя большинство современных адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес.
Достаточно часто в литературе, посвященной компьютерным сетям, аппаратный адрес сетевого адаптера называется MAC-адресом. Аббревиатура MAC происходит от названия функционального подуровня управления доступом к среде передачи (Media Access Control, MAC), который выделяется внутри канального уровня, и в задачи которого входит, в том числе, и обеспечение адресации абонентов.
2. Адрес получателя, определяющий компьютер, который должен принять и обработать кадр. Очевидно, что кадр данных, отправленный кем-либо, "виден" сетевыми адаптерами всех компьютеров, подключенных к общему носителю. Каждый сетевой адаптер, получивший кадр, сравнивает адрес получателя, записанный в кадре со своим собственным адресом. Если они совпадают, то кадр адресован данному компьютеру и подлежит дальнейшей обработке. В противном случае кадр отбрасывается, поскольку он направлен другому абоненту. Адрес получателя может иметь специальное значение – так называемый широковещательный адрес. Такой тип адресации получателя предполагает, что кадр должен приниматься и обрабатываться всеми компьютерами, которые его получили.
Метод доступа к среде передачи
Важной проблемой передачи данных по сети с коммутацией пакетов, является проблема одновременной передачи данных несколькими компьютерами. Поскольку одновременно в сети может присутствовать только один пакет, то доступ компьютеров к среде передачи должен определенным образом упорядочиваться. В настоящее время существует три основных метода управления доступом к среде передачи: "Обнаружение коллизий", "Предупреждение коллизий" и "Передача маркера".
Метод обнаружения коллизий. Полное название этого метода – "Множественный доступ к сетям с проверкой несущей и обнаружением коллизий" (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD). Данный метод предполагает, что перед передачей данных передающий компьютер должен убедиться в "свободном состоянии" линии, а в процессе передачи – "прослушивать" канал. При обнаружении коллизии (столкновения с "чужими данными", collision) он должен прекратить передачу и попытаться возобновить ее через определенный промежуток времени. Обычно этот способ используется в сетях с топологией "шина". *Метод предупреждение коллизий. Полное название этого метода – "Множественный доступ к сетям с проверкой несущей и предупреждением коллизий" (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA). Этот метод также предполагает, что передающий компьютер перед началом передачи определяет занятость канала. Убедившись в том, что кабель свободен, он оповещает другие компьютеры о начале передачи, предупреждая тем самым возможность одновременной посылки данных. Главный недостаток этого метода состоит в значительном объеме широковещательной рассылки. *Метод передачи маркера. Принцип этого метода достаточно прост. Для того чтобы передать данные, компьютер должен получить разрешение. Для этого он должен "поймать" пакет данных специального вида – маркер (token). Маркер перемещается по замкнутому кругу от одного компьютера к другому. Получив маркер, компьютер может передать его дальше или вместо него отправить пакет с данными. Когда данные достигнут компьютера-получателя, тот, в свою очередь, должен снова "выставить" в сеть маркер. Такой алгоритм используется, как правило, в сетях с топологией кольцо.
Следует отметить, что почти все современные адаптеры имеют режимы, в которых "чужие" кадры не отбрасываются, а принимаются и обрабатываются. Это необходимо для функционирования специального программного обеспечения, предназначенного для анализа структуры информационных потоков внутри сети.
Протоколы канального уровня и сетевые технологии
Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во многом определяется особенностями физического уровня, например, топологией сети или типом среды передачи. Поэтому при проектировании сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные стандарты, получившие название сетевых технологий.
Сетевая технология – это набор стандартов, определяющий минимальный состав программно-аппаратных средств, достаточный для организации взаимодействия компьютеров в сети. Как правило, сетевая технология определяет топологию сети, а также протокол канального уровня (формат кадра, порядок обмена кадрами, MTU).
В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и, соответственно, определяемых ими протоколов канального уровня. Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время технологий – технологию локальных сетей Ethernet. Эта технология предполагает, что сеть должна строиться на основе физических топологий "шина", если используется коаксиальный кабель, или "звезда", если используется кабель типа "витая пара". В зависимости от типа используемого кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-1000 Мбит/с. В качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения коллизий (CSMA/CD). Что касается формата кадра, то в настоящее время на практике используются 4 варианта кадров Ethernet, отличающихся друг от друга, но все они согласуются с общими положениями, изложенными ранее. Максимальный объем данных, передаваемых в одном кадре (MTU), в технологии Ethernet не может превышать 1500 байт.
Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко используются технологии AppleTalk, FDDI и ATM. В глобальных сетях широко распространены технологии ATM, FrameRelay, ISDN и SMDS.
Существует также ряд технологий, использующихся для организации беспроводных сетей. Наиболее популярной технологией, применяемой при построении локальных сетей, в настоящее время является технология RadioEthernet. Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах: около 915 МГЦ и 2400-2483,5 МГц, а также в инфракрасном спектре. Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен средствами связи (сотовая телефония), поэтому он используется, как правило, для организации сетей внутри зданий, хотя технически позволяет осуществлять передачу на значительные расстояния. Это же ограничение распространяется и на инфракрасный диапазон, поскольку инфракрасные лучи чувствительны к погодным условиям. В зависимости от того, какой режим передачи используется, сети RadioEthernet позволяют осуществлять передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбит/с. Технология RadioEthernet предполагает построение сетей на базе топологий "точка-точка" и "звезда". В качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий (CSMA/CA).
Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также технологии, предполагающие комбинирование различных типов физической среды передачи. Обычно они применяются для построения асимметричных сетей: небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров передаются по кабельным каналам, например, с использованием телефонных линий и модемов, а прием осуществляется через спутниковый радиоканал.
Объединение сетей на канальном уровне
Сложные сети, в общем случае, представляют собой совокупность нескольких сетей. Такие сети называются объединенными сетями (internetwork).
Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами. Прежде всего, это - преодоление технических ограничений среды передачи, например, максимального расстояния передачи данных. Кроме того, построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные, передаваемые между компьютерами одной физической среды, оказываются недоступными компьютерам других сетей).
Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства, которые позволяют подключать к себе две (или более) сети. Наиболее простым устройством такого вида является мост (bridge).
Мост
Принцип функционирования моста достаточно прост: для подключения сетей мост располагает несколькими портами, с каждым из которых связываются записи так называемой адресной таблицы, содержащей список адресов компьютеров сетей, подключенных к мосту. Когда мост получает кадр данных, то он передает его в сеть через порт, который согласно таблице соответствует адресу получателя. В случае, если адрес получателя не обнаружен в адресной таблице, то кадр передается во все сети. Адресные таблицы мостов, как правило, строятся на основе анализа кадров, передаваемых по сетям. Важной проблемой, возникающей при использовании мостов, является объединение сетей, базирующихся на разных технологиях. Вообще говоря, существуют так называемые транслирующие мосты, позволяющие объединять сети разных технологий. Однако объединяемые сети должны иметь единый принцип адресации. Так, например, можно объединить сеть Ethernet с сетью FDDI, поскольку адрес сетевого адаптера, работающего по технологии Ethernet, будет понятен сетевому адаптеру FDDI и наоборот. А вот сеть, построенную на базе протокола канального уровня SLIP, нельзя объединить с помощью моста с сетью Ethernet, поскольку в отличие от Ethernet, SLIP вообще не предусматривает механизм адресации. Поэтому для построения объединенных сетей, в общем случае, требуется функциональная надстройка, обеспечивающая единую логическую систему адресации. Такая система не должна зависеть от принципов физической адресации, принятых для каждой конкретной сетевой технологии.
