Лекция 4. Канальный уровень. Локальные сети

4.1. Подуровни llc и mac

Канальный уровень (Data Link) обеспечивает обмен данными через общую локальную среду. Он находится между сетевым и физическим уровнями модели OSI. Поэтому Канальный уровень должен предоставлять сервис вышележащему уровню, взаимодействуя с сетевым протоколом и обеспечивая инкапсулированным в кадр пакетам доступ к сетевой среде. В то же время, канальный уровень управляет процессом размещения передаваемых данных в физической среде. Поэтому канальный уровень разделен на 2 подуровня: верхний подуровень логической передачи данных LLC – Logical Link Control, являющийся общим для всех технологий, и нижний подуровень управления доступом к среде MAC – Media Access Control (рис.4.1). Кроме того, на канальном уровне обнаруживают ошибки в передаваемых данных.

Рис. 4.1. Подуровни канального уровня

Взаимодействие узлов локальных сетей происходит на основе протоколов канального уровня. Международным институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE) было разработано семейство стандартов 802.х, которое регламентирует функционирование нижних уровней (канального и физического) семиуровневой модели ISO/OSI. Ряд этих протоколов являются общими для всех технологий, например, стандарт 802.2, другие протоколы (например, 802.3, 802.5) определяют особенности технологий локальных сетей.

На подуровне LLC существует несколько процедур, которые позволяют устанавливать или не устанавливать связь перед передачей кадров, содержащих данные, восстанавливать или не восстанавливать кадры при их потере или обнаружении ошибок. Этот подуровень реализует связь с протоколами сетевого уровня. Связь с сетевым уровнем и определение логических процедур передачи кадров по сети реализует протокол 802.2. Протокол 802.1 дает общие определения локальных вычислительных сетей, связь с моделью ISO/OSI. Существуют также модификации этого протокола, которые будут рассмотрены позже.

Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей. Протоколы МАС-уровня ориентированы на совместное использование физической среды абонентами. Разделяемая среда (shared media) используется в таких широко распространенных в локальных сетях технологиях как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI. Использование разделяемой между пользователями среды улучшает загрузку канала связи, удешевляет сеть, но ограничивает скорость передачи данных между двумя узлами.

Каждой технологии МАС-уровня соответствует несколько вариантов (спецификаций) протоколов физического уровня (рис.4.1). Так протоколу 802.3, описывающему наиболее известную технологию Ethernet, соответствуют спецификации физического уровня: 10Base-T, 10Base-FB, 10Base-FL. Спецификация 10Base-T предусматривает построение локальной сети на основе использования неэкранированной витой пары UTP не ниже 3 категории и концентратора (hub). Спецификации 10Base-FB, 10Base-FL используют волоконно-оптические кабели. В более ранних спецификациях 10Base-5 и 10Base-2 применялся “толстый” и “тонкий” коаксиальные кабели.

Протоколу Fast Ethernet (802.3u) соответствуют следующие спецификации физического уровня:

- 100Base-T4, где используется четыре витых пары кабеля UTP не ниже 3 категории;

- 100Base-TX – применяется две пары кабеля UTP не ниже 5 категории;

- 100Base-FX – используется два волокна многомодового оптического кабеля.

Помимо Ethernet и Fast Ethernet на МАС уровне используется еще ряд технологий: Gigabit Ethernet со скоростью передачи 1000 Мбит/c – стандарты 802.3z и 802.3ab; 10Gigabit Ethernet со скоростью передачи 10000 Мбит/c – стандарт 802.3ае, а также ряд других. Например, протокол 802.5 описывает технологию сетей Token Ring, где в качестве физической среды используется экранированная витая пара STP, с помощью которой все станции сети соединяются в кольцевую структуру. В отличие от технологии Ethernet в сетях с передачей маркера (Token Ring) реализуется не случайный, а детерминированный доступ к среде с помощью кадра специального формата – маркера (token). Сети Token Ring позволяют передавать данные по кольцу со скоростями либо 4 Мбит/c, либо 16 Мбит/c. По сравнению с Ethernet технология Token Ring более сложная и надежная, однако, Token Ring не совместима с новыми технологиями Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10Gigabit Ethernet. Технологии Ethernet и совместимые с ними и рассматриваются в настоящем курсе лекций.

Передаваемый в сеть пакет инкапсулируется в поле данных кадра протокола LLC, формат которого приведен на рис.4.2.

Рис. 4.2. Формат кадра LLC

Флаги определяют границы кадра LLC. В поле данных (Data) размещаются пакеты сетевых протоколов. Поле адреса точки входа службы назначения (DSAP – Destination Service Access Point) и адреса точки входа службы источника (SSAP – Source Service Access Point) длиной по 1 байту адресуют службу верхнего уровня, которая передает и принимает пакет данных. Например, служба IP имеет значение SAP равное 0х6. Обычно это одинаковые адреса. Адреса DSAP и SSAP могут различаться только в том случае, если служба имеет несколько адресов точек входа. Таким образом, адреса DSAP и SSAP не являются адресами узла назначения и узла источника, да и не могут быть таковыми, поскольку поле длиной 1 байт позволяет адресовать только 256 точек, а узлов в сети может быть очень много.

Поле управления (Control) имеет длину 1 или 2 байта в зависимости от того, какой тип кадра передается: информационный (Information), управляющий (Supervisory), ненумерованный (Unnumbered). У первых двух длина поля Control составляет 2 байта, у ненумерованного – 1 байт. Тип кадра определяется процедурой управления логическим каналом LLC. Стандартом 802.2 предусмотрено 3 типа таких процедур:

LLC1 – процедура без установления соединения и подтверждения;

LLC2 – процедура с установлением соединения и подтверждением;

LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением.

Процедура LLC1 используется при дейтаграммном режиме передачи данных. Для передачи данных используются ненумерованные кадры. Восстановление принятых с ошибками данных производят протоколы верхних уровней, например, протокол транспортного уровня. В дейтаграммном режиме функционирует, например, протокол IP.

Процедура LLC2 перед началом передачи данных устанавливает соединение, послав соответствующий запрос и получив подтверждение, после чего передаются данные. Процедура позволяет восстанавливать потерянные и исправлять ошибочные данные, используя режим скользящего окна. Для этих целей она использует все три типа кадров (информационные, управляющие, ненумерованные). Данная процедура более сложная и менее быстродействующая по сравнению с LLC1, поэтому она используется в локальных сетях значительно реже, чем LLC1, например, протоколом NetBIOS/NetBEUI.

Широкое применение процедура, подобная LLC2, получила в глобальных сетях для надежной передачи данных по ненадежным линиям связи. Например, она используется в протоколе LAP-B сетей Х.25, в протоколе LAP-D сетей ISDN, в протоколе LAP-M сетей с модемами, частично – в протоколе LAP-F сетей Frame Relay.

Процедура LLC3 используется в системах управления технологическими процессами, когда необходимо высокое быстродействие и знание того, дошла ли управляющая информация до объекта.

Таким образом, наиболее широкое распространение в локальных сетях получила процедура LLC1, в которой используются только ненумерованные типы кадров.

На передающей стороне кадр LLC уровня передается на МАС-уровень, где инкапсулируется в кадр соответствующей технологии данного уровня. При этом флаги кадра LLC отбрасываются. Технология Ethernet предусматривает кадры четырех форматов, которые незначительно отличаются друг от друга. На рис.4.3 приведен наиболее распространенный формат кадра 802.3/LLC.

Рис.4.3. Формат кадра Ethernet 802.3/LLC

Преамбула кадра состоит из семи байт 10101010, необходимых для вхождения приемника в режим синхронизации. Начальный ограничитель кадра (Start of Frame Delimiter - SFD) – 10101011 вместе с преамбулой в итоге составляют 8 байт. Далее следуют физические адреса узла назначения (DA – Destination Address) и узла источника (SA – Source Address). В технологиях Ethernet физические адреса получили название МАС-адресов. Они содержат по 48 двоичных разрядов и представляются в шестнадцатеричной системе. В локальных сетях адресация узлов производится на основе МАС-адресов, которые «прошиты» в ПЗУ сетевых карт.

Адрес, состоящий из всех единиц FFFFFFFFFFFF, является широковещательным адресом (broadcast), когда передаваемая в кадре информация предназначена всем узлам локальной сети.

Младшие 24 разряда МАС-адреса (6 шестнадцатеричных разрядов) задают уникальный номер оборудования, например, номер сетевой карты. Следующие 22 разряда, за исключением двух старших, задают идентификатор производителя оборудования. Старший бит равный 0 указывает на то, что адрес является индивидуальным, а равный 1 – адрес является групповым. Второй старший бит равный 0 указывает, что идентификатор задан централизованно комитетом IEEE. В стандартной аппаратуре Ethernet идентификатор всегда задан централизованно. Несмотря на то, что в МАС-адресе выделена старшая и младшая части, МАС-адрес считается плоским (flat).

Поле L (рис.4.3) определяет длину поля данных Data, которое может быть от 46 до 1497 байт (в информационных кадрах процедуры LLC2 – до 1496 байт, поскольку поле Control – 2 байта). Если поле данных меньше 46 байт, то оно дополняется до 46 байт.

Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) длиной в 4 байта позволяет определить наличие ошибок в полученном кадре, за счет использования алгоритма проверки на основе циклического кода.