Кафедра проектирования компьютерных систем Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики В. А. Козак Вычислительные сети Лекция 3 Канальный уровень Санкт-Петербург, 2009

Функции канального уровня Обеспечение интерфейса для сетевого уровня; Организация доступа к среде передачи; Обработка ошибок передачи данных; Управление потоком данных, исключающее затопление медленных приемников быстрыми передатчиками; Определяет структуру связей между узлами и способы их адресации; Оперирует не битами, а блоками данных – кадрами; Оборудование, работающее на канальном уровне: коммутаторы, мосты; Примеры протоколов, относящихся к канальному уровню: Ethernet, Token Ring, FDDI, Bluetooth, Wi-Fi, Wi-Max, X.25, Frame Relay, ATM и т.д.

Существенные характеристики метода передачи асинхронный/синхронный; символьно-ориентированный/бит-ориентированный; с предварительным установлением соединения/дейтаграммный; с обнаружением искаженных данных/без обнаружения; с обнаружением потерянных данных/без обнаружения; с восстановлением искаженных и потерянных данных/без восстановления; с поддержкой динамической компрессии данных/без поддержки.

Асинхронные протоколы Асинхронные протоколы: оперируют не с кадрами, а с отдельными символами; применяться для связи телетайпов, разного рода клавиатур и дисплеев с вычислительными машинами. применяются стандартные наборы символов (н-р, ASCII или EBCDIC).

Синхронные протоколы Все обмены данными осуществляются кадрами. Кадр обычно имеет заголовок, поле данных и концевик. Между пересылаемыми символами (байтами) нет стартовых и стоповых сигналов, отсюда проблема распознавания границы байт. Проблема определения начала и конца кадра, а также определения границы каждого поля кадра. Протоколы могут определять максимальное и минимальное значение длины поля данных - максимальной единицей передачи данных (Maximum Transfer Unit, MTU).

Виды синхронных протоколов Символьно-ориентированные протоколы; Бит-ориентированные протоколы.

Символьно-ориентированные протоколы используются в основном для передачи блоков отображаемых символов, например текстовых файлов; не эффективна для передачи двоичных данных из-за необходимости добавления символов DLE, кроме того управляющие символы различны для разных кодировок. Таблица служебных символов: имяASCII-кодназначение SYN синхронизация STX старт кадра ЕТХ конец кадра DLE стаффинг DLE DLE ETX стаффинг DLE ЕТХ (приемник всегда удаляет только первый символ DLE)

Бит-ориентированные протоколы Универсальный и наиболее распространённый метод передачи. 3 различные схемы бит-ориентированной передачи: a)Использование стартовых и стоповых битов с битовым заполнением ( ). Схема похожа на схему с символами STX и ЕТХ. Для недопущения флага в поле данных кадра используется вставка 0 бита, - бит-стаффинг; b)Подсчет количества символов. (стартовый флаг + поле длины кадра). Кадр содержит преамбулу; c)Использование запрещенных сигналов физического уровня. Например, отсутствие обязательного изменения полярности сигнала в середине тактового интервала при манчестерском кодировании.

Протоколы с гибким форматом кадра Служебные поля кадра, их длина и тип передаваемых данных заранее не определены; Примеры: SNMP (простой протокол управления сетью), РРР (протокол точка-точка); Поля «Тип» и «Длина» имеют фиксированный размер в один байт.

Обнаружение и коррекция ошибок Канальный уровень должен обнаруживать ошибки передачи данных, связанные с искажением бит в принятом кадре данных или с потерей кадра, и по возможности их корректировать. В высоконадежных каналах, (н-р, оптоволокно), разумно использовать код с обнаружением ошибок и заново передавать случайные поврежденные блоки. В беспроводных соединениях, в которых может возникать множество ошибок, чаще используют коды с избыточностью, достаточной для того, чтобы приемник мог определить, какие данные должны были прийти.

Методы обнаружения ошибок Все методы основаны на передаче служебной избыточной информации (контрольной суммы или последовательностью контроля кадра - Frame Check Sequence, FCS), по которой можно судить с некоторой степенью вероятности о достоверности принятых данных. Распространенные алгоритмы вычисления контрольной суммы: контроль по паритету; вертикальный и горизонтальный контроль по паритету; циклический избыточный контроль (Cyclic Redundancy Check.

Управление потоком передачи Управление потоком передачи необходимо для: повторной отправки кадров в случае обнаружения ошибки и невозможностью её исправить; повторной отправки кадров в случае, если кадр был потерян; недопущения отправки кадров быстрее, чем получатель способен их принимать. Для контроля отправитель нумерует отправляемые кадры и для каждого кадра ожидает от приемника положительной либо отрицательной квитанции.

Организация процесса обмена квитанциями Варианты организации процесса обмена квитанциями: с простоями; с организацией «окна». Метод скользящего окна более сложен в реализации, чем метод с простоями, но гораздо эффективнее. Метод скользящего окна имеет два параметра, которые могут заметно влиять на эффективность передачи данных между передатчиком и приемником, - размер окна и величина тайм-аута ожидания квитанции.

Метод «скользящего окна»

Алгоритм «дырявое ведро»

Компрессия данных Компрессия (сжатие) данных применяется для сокращения времени их передачи. Так как на компрессию и декомпрессию данных тратится дополнительное время, то выгода от компрессии заметна только для низкоскоростных каналов (

Коммутация Коммутация процесс соединения абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы. Методы коммутации: коммутация каналов (circuit switching); коммутация пакетов (packet switching); коммутация сообщений (message switching)

Коммутация каналов Особенности: перед передачей данных выполняется установление соединения; установленный при соединении путь остается неизменным до конца сеанса связи; коммутаторы такой сети не должны буферизовать передаваемые данные; возможность повременной оплаты.

Цели установления соединения при коммутации каналов резервирование ресурсов; взаимная аутентификация; согласование изменяемых параметров протокола: MTU, различных тайм-аутов, кодеков и т. п; обнаружение и коррекция ошибок; динамическая настройка коммутаторов сети для маршрутизации всех последующих кадров, относящихся к данному логическому или физическому соединению; возможность повременной оплаты; и другие.

Достоинства и недостатки коммутации каналов Достоинства коммутации каналов: постоянная и известная скорость передачи данных; правильная последовательность прихода данных; низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Недостатки коммутации каналов: возможен отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения; нерациональное использование пропускной способности физических каналов; обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Коммутация пакетов Коммутация пакетов эффективна для передачи компьютерного трафика, для которого характерна высокая пульсация скорости передачи данных. Коммутаторы имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов.

Достоинства и недостатки коммутации пакетов Достоинства коммутации пакетов: более устойчива к сбоям; высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика; возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи. Недостатки коммутации пакетов: неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети; переменная величина задержки пакетов данных; возможны потери данных из-за переполнения буферов; возможны нарушения последовательности прихода пакетов.

Сравнительная таблица методов коммутации ПараметрКоммутация каналов Коммутация пакетов Установка соединенияТребуетсяНе требуется Выделенный «медный» путьДаНет Каждый пакет перемещается по одному и тому же путиДаНет Пакеты приходят в правильном порядкеДаНет Критичность выхода из строя коммутатораДаНет Доступная пропускная способностьФиксированнаяДинамическая Возможность занятости линии Во время установки соединения Для каждого пакета Возможность простоя линииДаНет Передача с промежуточным хранениемНетДа ПрозрачностьДаНет ОплатаЗа время на линииЗа трафик

Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов Механизм виртуальных каналов (virtual circuit или virtual channel) создает в сети устойчивые пути следования трафика через сеть с коммутацией пакетов. Виртуальные каналы позволяют экономить на адресах получателя, указывая вместо них короткие номера виртуальных каналов. Компромис между временем установки соединения и временем маршрутизации каждого пакета. Возможно резервирование ресурсов.

Сравнение дейтаграмных и виртуальных каналов

Задержка при коммутации

Организация доступа к линии связи Линии связи: индивидуальные линии связи; разделяемые линии связи. Основные виды доступа к разделяемым линиям связи: централизованный подход; множественный доступ с контролем несущей; маркерный доступ.

Структурированная кабельная система Структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS) - это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях. Иерархическая структура СКС включает: горизонтальные подсистемы (в пределах этажа); вертикальные подсистемы (внутри здания); подсистему кампуса (в пределах одной территории с несколькими зданиями).

Преимущества от использования СКС Использование СКС дает ряд преимуществ: универсальность; увеличение срока службы; уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения; возможность легкого расширения сети; обеспечение более эффективного обслуживания; надежность.