🗊Презентация Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня выполнила ст.гр 3382 Починок Ирина

Канальный уровень в модели OSI и TCP/IP – модели:

Функции канального уровня Канальный уровень обеспечивает надежную передачу данных через физический канал. При этом он выполняет следующие функции: Основная функция: прием кадра из сети и отправка его в сеть; Выявление ошибок, возникающих на физическом уровне, и восстановление данных(Наиболее распространенным методом поиска ошибок является код Cyclic Redundancy Check (CRC)); Контроль за состоянием канала, обработка сбойных ситуаций(коллизий); Управление потоками данных; Соблюдение правил использования физического канала; Физическая адресацию передаваемых сообщений.

Формат данных канального уровня Канальный уровень оперирует блоками данных, называемых кадрами(frame). В общем случае каждый протокол канального уровня имеет свой особый формат кадра.

Формат данных канального уровня 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:

Формат данных канального уровня Принцип использования контрольной суммы На канальном уровне отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляется значение его контрольной суммы и это значение помещается 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.

Подуровни канального уровня Стандарт IEEE разделяет канальный уровень на два подуровня: - подуровень управления логическим линком(Logical Link Control - LLC); - подуровень управления доступом к среде(Media Access Control - MAC).

Функции подуровней канального уровня LLC(Стандарт IEEE 802.2) Интерфейс с сетевым уровнем; При передаче информации отвечает за объединение данных в кадры с адресами и полями контроля, а при получении – за обработку кадров, включающую распознавание адреса, проверку контрольных кодов и распаковку.

В связи с таким делением появляются два типа протоколов: В связи с таким делением появляются два типа протоколов: протоколы, предназначенные для организации передачи по одному каналу передачи данных; протоколы для организации многозвенной передачи данных(используют протоколы первой группы). Протоколы второго подуровня должны позволить верхнему уровню “безболезненно” учитывать возможные изменения суммарной пропускной способности между двумя узлами сети, которые могут иметь место при введении новых или исключении старых каналов связи

Протоколы первой группы(подуровня MAC) определяются используемой сетевой технологией локальных сетей: Протоколы первой группы(подуровня MAC) определяются используемой сетевой технологией локальных сетей: Token Ring; Ethernet; Fast Ethernet; 100VG-AnyLAN; FDDI.

Протоколы подуровня MAC 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-подуровня. Кроме того, МАС-подуровень 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.

Разделяемая среда передачи данных Для доступа к разделяемой среде в локальных сетях используется два типа методов доступа: детерминированные методы: метод опроса(звездообразные сети); метод передачи права(Token Ring, ARCnet-Bus); метод кольцевых слотов(Cambridge Ring, TransRing-3000); недетерминированные: случайный метод(CSMA/CD - доступ с контролем несущей частоты и обнаружением коллизий).

Разделяемая среда передачи данных Разделяемая среда, независимо от ее физической реализации в любой момент времени может находится в одном из трех состояний: свободы(никакой из узлов ничего не передает); занятости(нормальная передача кадра одним из узлов сети); коллизии(при одновременной передаче кадров более чем одним узлом сети). Протоколы MAC – подуровня должны обеспечивать обнаружение коллизий и обработку таких ситуаций.

Пример(технология Fast Ethernet) MAC – подуровень каждого узла сети получает от физического уровня информацию о состоянии разделяемой среды. Если она свободна и у MAC-подуровня есть кадр для передачи, то он передает его через физический уровень в сеть. Физический уровень одновременно с побитной передачей кадра следит за состоянием среды. Если за время передачи кадра коллизия не возникла, то кадр считается переданным. Если же за это время коллизия была зафиксирована, то передача кадра прекращается и в сеть выдается специальная последовательность из 32 бит(jam - последовательность), которая должна помочь однозначно распознать коллизию всеми узлами сети. После фиксации коллизии MAC-подуровень делает случайную паузу, а затем вновь пытается передать данный кадр. Интервал, из которого выбирается случайная величина паузы, возрастает с каждой попыткой (до 10-й). После достижения максимального числа попыток передачи кадра MAC – подуровень оставляет данный кадр и начинает передачу следующего кадра, поступившего с LLC – подуровня.

Протоколы подуровня LLC Предназначены для выполнения следующих функций: независимость от используемой среды передачи; кодонезависимость передаваемых данных; надежный обмен данными; выбор качества обслуживания при передаче данных.

Протоколы подуровня LLC Независимость от используемой среды передачи означает: Протоколы верхних уровней не зависят от типа и качества используемых каналов связи и режимов передачи по данному соединению. Надежный обмен данными предполагает: вероятности появления в передаваемых данных вставок, потерь и искажений достаточно малы; возможно требование сохранения порядка следования передаваемых по соединению данных.

Протоколы подуровня LLC Подуровень LLC дает более высоким уровням возможность управлять качеством услуг. LLC обеспечивает сервис трех типов: Сервис без подтверждения доставки и установления соединения(LLC1). Сервис с установлением соединения, способный обеспечить надежный обмен кадрами(LLC2). Сервис без установления соединения с подтверждением доставки(LLC3).

Используемые протоколы можно разделить на три группы: Используемые протоколы можно разделить на три группы: знакоориентированные (BSC); байториентированные (DDCMP); биториентированные (SDLC, HDLC, ADCCP, LAP, LAPB, BDLC, UDLC)

Знакоориентированные протоколы протоколы, в которых для функции управления применяются структуры определенных знаков некоторого(первичного) кода Пример знакоориентированных протоколов: BSC(Binary Synchronous Communication), SLC (Synchronous Link Control )

Знакоориентированные протоколы. Свойства. жесткая привязка процедуры к используемому первичному коду; выделение части знаков первичного кода для целей управления в процедуре не позволяет их использовать для передачи данных; ориентация процедуры на знаки делает ее непрозрачной по отношению к структуре передаваемых данных, а организация прозрачности приводит к снижению эффективности; Необходимость распознавания управляющих и информационных знаков в потоке следующих по каналу знаков первичного кода накладывает жесткие ограничения на производительность аппаратных и программных устройств, реализующих соответствующие функции протокола; Защите от ошибок подлежат только информационные знаки, что создает большие трудности в части создания надежной процедуры.

Байториентированные протоколы Пример протокола: DDCMP (Digital Data Communication Message Protocol). DDCMP предназначен для синхронной работы по дуплексным и полудуплексным соединениям, устанавливаемым по коммутируемым или выделенным каналам, по сетях “от точки к точке” или многоточечным соединениям. В формате кадра этого протокола выделено две области: область управления; информационная область. Каждая из этих областей закрывается своим кодом с числом проверочных символов, равным 2 байта.

Байториентированные протоколы область управления 1 2 3 2 инф. область 2

Байториентированные протоколы 1 байт используется для указания и распознавания типа кадра(информационный, служебный, управляющий); 2 байта применяются для указания длины информационной области(14 первых бит) и управления каналом связи(2 последних бита); 3 байта несут информацию о возвращаемом номере полученного от удаленной станции информационного кадра, порядковом номере передаваемого информационного кадра и адресе станции, которой направляется данный кадр(в многоточечном соединении); Вслед за байтами заголовка и соответствующими им двумя проверочными байтами следуют информационные байты, за которыми опять два проверочных байта.

Байториентированные протоколы DDCMP является кодонезависимой – отсутствуют ограничения на любые комбинации бит и байт в информационной области. Кодонезависимость обеспечивается подсчетом числа байт в информационной области и передачей его в заголовке информационного кадра. DDCMP обеспечивает синхронизация по кадрам и сообщениям(предполагается, что побитовая синхронизация обеспечивается на физическом уровне). Синхронизация реализуется с помощью стартстопного метода передачи, в качестве стартовой посылки используются 2 байта синхронизации, посылаемые в начале каждого кадра. Конец кадра опознается по количеству содержащихся в кадре байт управления и информации.

Биториентированные протоколы Примеры протоколов: SDLC (Synchronous Data Link Control Protocol) ADCCP (Advanced Data Communication Control Procedures) HDLC (High-Level DLC) LAP (Link Access Procedures) LAPB (Balanced LAP) BDLC (Burroughs DLC) UDLC (Univac DLC)

Биториентированные протоколы Используют выделенную в кадре управляющую область, двоичные символы которой применяются для организации управления. При таком подходе применение области управление из m двоичных символов позволяет определить до 2^m различных команд; Таким же образом выделяется адресная область(А), информационная область(I), область проверочных символов(FCS). Карты передаются на основе стартстопового принципа, т.е. в начале стартовая, а в конце стоповая битовые последовательности(флаги F).

Биториентированные протоколы. Свойства. Обеспечивают кодонезависимость передачи данных; Легко приспосабливаются к различным условиям применения; Позволяют вести как полудуплексный, так и дуплексный обмен данными; Обеспечивают высокую надежность и эффективность использования различных каналов связи.

Протокол HDLC HDLC(High-level Data Link Control Protocol) – протокол управления каналом связи высокого уровня. Он был разработан ISO на базе протокола SDLC, который был первым из протоколов канального уровня, базирующихся на синхронном бит-ориентированном режиме работы. Существует три типа станций(узлов) HDLC: первичная станция; вторичная станция; комбинированная станция.

Протокол HDLC. Типы узлов Первичная станция (ведущая) управляет звеном передачи данных (каналом). Несет ответственность за организацию потоков передаваемых данных и восстановление работоспособности звена передачи данных. Эта станция передает кадры команд вторичным станциям, подключенным к каналу. В свою очередь она получает кадры ответа от этих станций. Если канал является многоточечным, главная станция отвечает за поддержку отдельного сеанса связи с каждой станцией, подключенной к каналу. Вторичная станция (ведомая) работает как зависимая по отношению к первичной станции (ведущей). Она реагирует на команды, получаемые от первичной станции, в виде ответов. Поддерживает только один сеанс, а именно только с первичной станцией. Вторичная станция не отвечает за управление каналом. Комбинированная станция сочетает в себе одновременно функции первичной и вторичной станции. Передает как команды, так и ответы и получает команды и ответы от другой комбинированной станции, с которой поддерживает сеанс.

Протокол HDLC. Логические состояния узлов Станции(узлы) в процессе взаимодействия друг с другом могут находиться в трех логических состояниях: Состояние логического разъединения (LDS). Состояние инициализации (IS). Состояние передачи информации (ITS).

Протокол HDLC.Состояние LDS В этом состоянии станция не может вести передачу или принимать информацию. Если вторичная станция находится в нормальном режиме разъединения (NDM - Normal Disconnection Mode), она может принять кадр только после получения явного разрешения на это от первичной станции. Если станция находится в асинхронном режиме разъединения (ADM - Asynchronous Disconnection Mode), вторичная станция может инициировать передачу без получения на это явного разрешения, но кадр должен быть единственным кадром, который указывает статус первичной станции. Условиями перехода в состояние LDS могут быть начальное или повторное (после кратковременного отключения) включение источника питания; ручное управление установлением в исходное состояние логических цепей различных устройств станции и определяется на основе принятых системных соглашений.

Протокол HDLC. Состояния IS и ITS Состояние инициализации (IS). Это состояние используется для передачи управления на удаленную вторичную/комбинированную станцию, ее коррекции в случае необходимости, а также для обмена параметрами между удаленными станциями в звене передачи данных, используемыми в состоянии передачи информации. Состояние передачи информации (ITS). Вторичной, первичной и комбинированным станциям разрешается вести передачу и принимать информацию пользователя. В этом состоянии станция может находится в режимах NRM, ARM и ABM.

Протокол HDLC. Режимы работы узлов. Три режима работы станции в состоянии передачи информации, которые могут устанавливаться и отменяться в любой момент: Режим нормального ответа (NRM - Normal Response Mode) Режим асинхронного ответа (ARM - Asynchronous Response Mode) Асинхронный сбалансированный режим (ABM - Asynchronous Balanse Mode)

Режим NRM требует, чтобы прежде, чем начать передачу, вторичная станция получила явное разрешение от первичной. После получения разрешения вторичная станция начинает передачу ответа, который может содержать данные. Пока канал используется вторичной станцией, может передаваться один или более кадров. После последнего кадра вторичная станция должна снова ждать явного разрешения, прежде чем снова начать передачу. Как правило, этот режим используется вторичными станциями в многоточечных конфигурациях звена передачи данных.

Режим ARM позволяет вторичной станции инициировать передачу без получения явного разрешения от первичной станции (обычно, когда канал свободен, - в состоянии покоя). Этот режим придает большую гибкость работы вторичной станции. Могут передаваться один или несколько кадров данных или управляющая информация, отражающая изменение статуса вторичной станции. ARM может уменьшить накладные расходы, поскольку вторичная станция, чтобы передать данные, не нуждается в последовательности опроса. Как правило, такой режим используется для управления соединенными в кольцо станциями или же в многоточечных соединениях с опросом по цепочке. В обоих случаях вторичная станция может получить разрешение от другой вторичной станции и в ответ на него начать передачу. Таким образом разрешение на работу продвигается по кольцу или вдоль соединения.

Режим ABM использует комбинированные станции. Комбинированная станция может инициировать передачу без получения предварительного разрешения от другой комбинированной станции. Этот режим обеспечивает двусторонний обмен потоками данных между станциями и является основным (рабочим) и наиболее часто используемым на практике.

Протокол HDLC. Формат кадров. Адресное поле определяет первичную или вторичную станции, участвующие в передаче конкретного кадра. Каждой станции присваивается уникальный адрес. Управляющее поле задает тип команды или ответа, а так же порядковые номера, используемые для отчетности о прохождении данных в канале между первичной и вторичной станциями. Формат и содержание управляющего поля определяют кадры трех типов: информационные (I), супервизорные (S) и ненумерованные (U). Информационное поле содержит действительные данные пользователя. Информационное поле имеется только в кадре информационного формата. Его нет в кадре супервизорного или ненумерованного формата.

Протокол HDLC. Формат кадров Поле CRC (контрольная последовательность кадра) используется для обнаружения ошибок передачи между двумя станциями. Передающая станция осуществляет вычисления над потоком данных пользователя, и результат этого вычисления включается в кадр в качестве поля CRC. В свою очередь, принимающая станция производит аналогичные вычисления и сравнивает полученный результат с полем CRC. Если имеет место совпадение, велика вероятность того, что передача произошла без ошибок. В случае несовпадения, возможно, имела место ошибка передачи, и принимающая станция посылает отрицательное подтверждение, означающее, что необходимо повторить передачу кадра. Все кадры должны начинаться и заканчиваться полями флага "01111110". Для индексации исключительной ситуации в канале могут быть посланы семь подряд идущих единиц. Пятнадцать или большее число единиц поддерживают канал в состоянии покоя. Если принимающая станция обнаружит последовательность битов не являющихся флагом, она тем самым уведомляется о начале кадра, об исключительной (с аварийным завершением) ситуации или ситуации покоя канала. При обнаружении следующей флаговой последовательности станция будет знать, что поступил полный кадр.

Типы кадров По своему назначению все кадры подразделяются на три типа: информационные; предназначены для передачи информации в процедурах с установлением логического соединения и должны обязательно содержать поле информации. В процессе передачи информационных блоков осуществляется их нумерация в режиме скользящего окна. управляющие; предназначены для передачи команд и ответов в процедурах с установлением логического соединения, в том числе запросов на повторную передачу искаженных информационных блоков. ненумерованные. предназначены для передачи ненумерованных команд и ответов, выполняющих в процедурах без установления логического соединения передачу информации, идентификацию и тестирование, а в процедурах с установлением логического соединения - установление и разъединение логического соединения, а также информирование об ошибках.

LLC LLC (Управление логическим звеном) является стандартом, опубликованным Комитетом по стандартам IEEE 802 для локальных сетей. Стандарт допускает взаимодействие локальной сети с глобальной сетью. LLC использует подкласс базового множества HDLC.

Подуровень LLC. Структура кадров DSAP (destination service access point – адрес точки входа сервиса назначения); SSAP (source service access point – адрес точки входа сервиса источника); Управляющее поле(Control) Поле данных(Data)

Подуровень LLC. Структура кадров Структура поля DSAP: I/G - персональный или групповой адрес: 0 персональный адрес DSAP; 1 групповой адрес DSAP. Структура поля SSAP: C/R - Команда (C) или отклик (R): 0 команда; 1 отклик на команду. Поля DSAP и SSAP позволяют указать, какой сервис верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра. Программному обеспечению узлов сети при получении кадров канального уровня необходимо распознать, какой протокол вложил свой пакет в поле данных поступившего кадра, для того, чтобы передать извлеченный из кадра пакет нужному протоколу для последующей обработки. Например, в качестве значения DSAP и SSAP может выступать код протокола IPX.

Подуровень LLC. Поле управления. N (S) Порядковый номер при передаче. N (R) Порядковый номер при приеме. P/F Биты опроса (P) / завершения (F). Передача команды / отклика LLC PDU. S Биты функций управления: 00 RR (готовность к приему); 01 REJ (отказ – reject); 10 RNR (отсутствие готовности к приему). X Зарезервировано и должно иметь нулевое значение. M Биты модификатора функций

Подуровень LLC. Формат кадра. Кадр LLC обрамляется двумя однобайтовыми полями "Флаг", имеющими значение 01111110. Флаги используются на MAC-уровне для определения границ блока. Поле данных кадра LLC предназначено для передачи по сети пакетов протоколов верхних уровней - IP, IPX, AppleTalk, DECnet, в редких случаях - прикладных протоколов, когда те не пользуются сетевыми протоколами, а вкладывают свои сообщения непосредственно в кадры канального уровня. Поле данных может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованных кадрах.

Протоколы SLIP/CSLIP и PPP. SLIP - Serial Line IP Protocol CSLIP – Compressed SLIP PPP – Point-to-Point Protocol SLIP и PPP - это протоколы, адаптирующие IP для работы на последовательных линиях. Они представляют собой некую прокладку между IP и модемными протоколами. Основная функция программного обеспечения SLIP/PPP - организовать пересылку IP-пакетов по последовательной линии. Многие интернет-провайдеры используют PPP для предоставления коммутируемого доступа в Интернет.

Протокол SLIP SLIP (Serial Line IP) был создан в начале 80-х годов и в 1984 году встроен Риком Адамсом (Rick Adams) в ОС 4.2 Berkley UNIX. Позднее SLIP был поддержан и в других версиях UNIX и реализован в программном обеспечении для ПК. Протокол SLIP использует специальные символы для ограничения кадра данных в последовательном канале.

Протокол SLIP

Протокол PPP Протокол Point-to-Point Protocol выполняет формирования стандартных пакетов данных Internet IP в каналах с непосредственным соединением. РРР также выполняет другие функции: присвоение и управление адресами IP; асинхронное (старт/стоп) и синхронное бит- ориентированное формирование пакета данных; мультиплексирование протокола сети; конфигурация канала связи; проверка качества канала связи.

Протокол PPP. Компоненты РРР обеспечивает метод передачи дейтаграмм через последовательные каналы связи с непосредственным соединением. Он содержит три основных компонента: Метод формирования дейтаграмм для передачи по последовательным каналам. РРР использует протокол High-level Data Link Control (HDLC) в качестве базиса для формирования дейтаграмм при прохождении через каналы с непосредственным соединением. Расширяемый протокол LCP (Link Control Protocol ) для организации, выбора конфигурации и проверки соединения канала передачи данных. Семейство протоколов NCP (Network Control Protocols ) для организации и выбора конфигурации различных протоколов сетевого уровня. РРР предназначен для обеспечения одновременного пользования множеством протоколов сетевого уровня.

Протокол PPP. Алгоритм работы

Протокол PPP. Формат кадра РРР использует принципы, терминологию и структуру блока данных процедур HDLC (High Level Data Link Control ). Структура кадра PPP представлена на рисунке:

Протокол PPP. Формат кадра Flag Длина последовательности "флаг" равна одному байту. Она указывает на начало или конец блока данных. Эта последовательность состоит из бинарной последовательности 01111110. Address Длина поля "адрес" равна 1 байту. Оно содержит бинарную последовательность 11111111, представляющую собой стандартный широковещательный адрес. РРР не присваивает индивидуальных адресов станциям, то есть содержимое поля "адрес" никогда не изменяется. Control Поле "управление" составляет 1 байт и содержит бинарную последовательность 00000011, которая требует от пользователя передачи информации непоследовательным кадром. Предусмотрены услуги без установления соединения канала связи, аналогичные услугам LLC Type 1. Protocol Длина поля "протокол" равна 2 байтам. Его значение идентифицирует протокол, заключенный в информационном поле блока данных.

Протокол PPP. Преимущества По сравнению с протоколом SLIP протокол PPP является значительно более развитым инструментом для работы на последовательных линиях и имеет следующие преимущества: возможность одновременной работы по различным сетевым протоколам, а не только по IP ; проверка целостности данных путем подсчета контрольной суммы; поддержка динамического обмена адресами IP ; возможность сжатия заголовков IP - и TCР -пакетов, разработанных Van Jacobson (механизм похож на реализованный в протоколе CSLIP ).