Раздел 2 Средства согласования протоколов на физическом и канальном уровнях

2.1 Функции физического уровня. Средства согласования

Большинство базовых технологий локальных сетей допускает использование различных спецификаций физического уровня в одной сети. Эти спецификации отличаются используемой кабельной системой, а также способом физического кодирования сигналов в кабелях. Например, технология Ethernet имеет 6 вариантов реализации физического уровня: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, FOIRL, 10Base-FL и 10Base-FB.

Согласование различных физических уровней одной и той же технологии выполняется концентраторами, имеющими порты с приемопередатчиками (трансиверами) различных типов. В стандартах новых технологий для работы с различными вариантами физической среды физический уровень обычно делится на две части: часть, зависящую от физической среды, и часть, не зависящую от физической среды. В стандартах детально описывается интерфейс между этими подуровнями, что дает возможность использовать в концентраторах трансиверы третьих фирм.

Концентратор с несколькими портами различного физического уровня реализует метод трансляции протоколов, а компьютер с несколькими сетевыми адаптерами - метод мультиплексирования протоколов.

Иногда концентраторы выполняют и более сложные функции, нежели замена метода физического кодирования сигнала. Например, при объединении физического уровня 100Base-TX и 100Base-T4 в сетях Fast Ethernet концентратор должен выполнять преобразование логического кода 4B/5B в логический код 8B/6T. Такой концентратор называется транслирующим. Операция трансляции логических кодов занимает гораздо больше времени, чем простое преобразование электрических импульсов в оптические, как это происходит при объединении сегментов 100Base-TX и 100Base-FX, использующих один и тот же метод логического кодирования 4B/5B. Из-за этого в одном домене коллизий Fast Ethernet допускается использование максимум одного транслирующего концентратора, тогда как нетранслирующих концентраторов может быть два.

2.2 Функции канального уровня модели osi

Функции протоколов канального уровня различаются в зависимости от того, предназначен ли данный протокол для передачи информации в локальных или в глобальных сетях. Протоколы канального уровня, используемые в локальных сетях, ориентируются на разделяемые между компьютерами сети и среду передачи данных. Поэтому в этих протоколах имеется подуровень доступа к разделяемой среде. Хотя канальный уровень локальной сети и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с совершенно определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда.

Использование разделяемой среды передачи данных делает в локальных сетях ненужными процедуры управления потоком кадров. Локальная сеть базовой топологии не может переполниться кадрами, так как узлы сети не могут начать генерацию нового кадра до приема предыдущего кадра станцией назначения.

Еще одной особенностью протоколов канального уровня локальных сетей является широкое использование дейтаграммных процедур. Это объясняется хорошим качеством каналов связи, редко искажающим биты в передаваемых кадрах.

Примерами протоколов канального уровня для локальных сетей являются протоколы Token Ring, Ethernet, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, FDDI.

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. К таким протоколам типа "точка-точка" относятся протоколы PPP, SLIP, LAP-B, LAP-D. Эти протоколы не используют подуровни доступа к среде, но требуют наличия процедур управления потоком кадров, так как промежуточные коммутаторы могут переполниться при слишком высокой интенсивности трафика по некоторым индивидуальным каналам. Кроме того, из-за высокой степени зашумленности глобальных каналов связи в протоколах этих сетей широко используются методы передачи данных с предварительным установлением соединения и повторными передачами кадров при их искажениях и потерях.

Канальный уровень оперирует единицами данных называемыми кадрами (frame). В общем случае каждый протокол канального уровня имеет свой особый формат кадра.

В локальных сетях канальный уровень разделяется на два подуровня:

• уровень управления логическим каналом (logical link control, LLC);

• уровень доступа к среде (media access layer, MAC).

Уровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. MAC-уровень лежит ниже LLC-уровня и выполняет функции обеспечения доступа к разделяемой между узлами сети общей среде передачи данных. Стандартные протоколы канального уровня часто различаются реализацией метода доступа к разделяемой среде, в то время как функции LLC-уровня гораздо меньше варьируются от одного стандарта к другому.

Уровень LLC дает более высоким уровням возможность управления качеством услуг, предоставляемых канальным уровнем. Так передача данных на канальном уровне может быть выполнена дейтаграммным способом либо с установлением соединений, с подтверждением правильности приема, либо без подтверждения.

Прием кадра из сети и отправка его в сеть связаны с процедурой доступа к среде передачи данных. В локальных сетях используется разделяемая среда передачи данных, поэтому все протоколы канального уровня локальных сетей включают процедуру доступа к среде, которая и является главной функцией МАС-уровня. Кроме того, МАС-уровень должен согласовать дуплексный режим работы уровня LLC с полудуплексным режимом работы физического уровня. Для этого он буферизует кадры с тем, чтобы при получении доступа к среде передать их по назначению.

Для доступа к разделяемой среде в локальных сетях используется два типа методов доступа:

• методы случайного доступа,

• методы маркерного доступа.

Особенностью всех методов доступа к передающей среде, используемых в локальных сетях, является распределенный характер механизма их реализации, то есть в решении этой задачи участвуют все компьютеры на равных (или почти равных) основаниях. Такая децентрализация делает работу сети более надежной.

Методы случайного доступа основаны на том, что каждая станция сети пытается получить доступ к среде в тот момент времени, когда ей это становится необходимым. Если среда уже занята, то станция повторяет попытки доступа до тех пор, пока очередная попытка не окажется успешной. Хотя принцип случайного доступа допускает различные реализации, широко используется только метод случайного доступа технологии Ethernet.

Методы маркерного доступа основаны на детерминированной передаче от одного узла сети другому специального кадра информации - маркера(токена) доступа. Маркерные методы доступа используются в сетях Token Ring, ArcNet и FDDI. В таких сетях право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу.

Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

Функции канального уровня реализуются установленными в компьютерах сетевыми адаптерами и соответствующими им драйверами, а также различным коммуникационным оборудованием: мостами, коммутаторами, маршрутизаторами, шлюзами. В зависимости от того, какой протокол реализует сетевой адаптер, адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т. д. Аналогично, коммутаторы, мосты и маршрутизаторы могут иметь порты, поддерживающие различные канальные протоколы.

Все эти устройства могут выполнять следующие действия:

• Формирование кадра - включает размещение данных, поступивших с верхнего уровня, в поле данных кадра, а также формирование заголовка, то есть определение и занесение в соответствующие поля кадра контрольной суммы, MAC-адресов отправителя и получателя, отметки о типе протокола верхнего уровня, пакет которого упакован в поле данных кадра, и возможно, некоторой, другой информации. Кадры могут быть информационными, содержащими данные конечных пользователей (они формируются в компьютерах) и служебными, источником которых может быть любое устройство, использующее канальный уровень. Служебные кадры формируются, например, маршрутизаторами при обмене маршрутной информацией, компьютерами при объявлении выполняемых ими сервисов.

• Анализ заголовка кадра и обработка кадра на основании результатов проведенного анализа могут заключаться, например, в уничтожении кадра при несовпадении контрольной суммы, в принятии решения о передаче кадра в сеть при несовпадении адреса назначения с адресом данного узла и т.п.

• Прием кадра из сети и отправка кадра в сеть, прежде всего, связаны с получением доступа к передающей среде, эта процедура единообразным образом выполняется всеми устройствами сети, построенной с использованием общей базовой сетевой технологии. Как правило, принимаемые кадры помещаются в буфер, а при отправке - выбираются из буфера.