Sicherungsschicht und Medienzugriff
Die Sicherungsschicht (Link Layer) überträgt Frames zwischen direkt verbundenen Knoten über eine einzelne physikalische Verbindung, und die Medienzugriffssteuerung (Medium Access Control Sublayer) regelt, wie mehrere Knoten einen Broadcast-Kanal gemeinsam nutzen, ohne dass ihre Übertragungen destruktiv kollidieren.
Definition
Die Sicherungsschicht ist die Protokollschicht, die für die Übertragung von Frames zwischen zwei durch eine einzelne Verbindung verbundenen Knoten verantwortlich ist, einschließlich der Rahmung, des Verbindungszugriffs über ein Medienzugriffssteuerungsprotokoll und der Fehlererkennung auf der Verbindung.
Scope
Dieser Bereich umfasst die zweite Schicht des Netzwerk-Stacks: die Rahmung von Daten in Sicherungsschicht-Frames, die Fehlererkennung und -korrektur über verrauschte Verbindungen sowie die Medienzugriffssteuerungs-Protokolle (MAC-Protokolle), die den Zugriff auf einen gemeinsamen Kommunikationskanal koordinieren. Er beinhaltet Kanalpartitionierungs-, Zufallszugriffs- und „Taking-Turns“-Protokolle, geschaltete lokale Netzwerke und die Ethernet-Familie mit ihren Switches und Adressierung. Ausgeschlossen sind die physikalischen Signalisierungsdetails darunter und das Netzwerk-Layer-Routing, das über mehrere Verbindungen darüber operiert.
Sub-topics
Core questions
- Wie wird ein Bitstrom in Frames unterteilt, und wie werden Übertragungsfehler erkannt oder korrigiert?
- Wie können viele Knoten einen einzelnen Broadcast-Kanal effizient und fair gemeinsam nutzen?
- Welche Kompromisse gibt es zwischen Kanalpartitionierungs-, Zufallszugriffs- und „Taking-Turns“-MAC-Protokollen?
- Wie leiten lernende Switches Frames in einem lokalen Netzwerk weiter, und wie unterscheiden sie sich von Routern?
- Warum werden zusätzlich zu den Netzwerkschicht-Adressen Sicherungsschicht- (MAC-) Adressen benötigt?
Key concepts
- Rahmung (Framing)
- Fehlererkennung (Parität, Prüfsumme, CRC)
- Medienzugriffssteuerung (MAC)
- Kanalpartitionierung (TDMA, FDMA)
- Zufallszugriff (ALOHA, CSMA/CD)
- MAC-Adressen
- Ethernet
- Sicherungsschicht-Switches (Link-Layer Switches)
- Kollisions- und Broadcast-Domänen
- Adressauflösung (ARP)
Key theories
- Zufälliger Mehrfachzugriff und CSMA/CD
- Zufallszugriffsprotokolle ermöglichen es Knoten, zu senden, wann immer sie Daten haben, und sich von Kollisionen zu erholen; Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), das im klassischen Ethernet verwendet wird, hört vor dem Senden zu und bricht bei Erkennung einer Kollision ab, um dann zufällig zurückzuweichen.
- Fehlererkennung durch Redundanz
- Das Anhängen von Prüfbits, die aus den Daten berechnet werden – Parität, Prüfsummen oder zyklische Redundanzprüfungen – ermöglicht es einem Empfänger, Bitfehler, die auf einer Verbindung auftreten, zu erkennen (und manchmal zu korrigieren), wobei ein geringer Overhead für die Zuverlässigkeit in Kauf genommen wird.
- Selbstlernende geschaltete LANs
- Ethernet-Switches erstellen Weiterleitungstabellen automatisch, indem sie die Quelladressen eingehender Frames beobachten und selektiv weiterleiten, anstatt zu senden, was Kollisionsdomänen segmentiert und lokale Netzwerke skaliert.
Clinical relevance
Die Sicherungsschicht-Technologie ist das, was Geräte physikalisch verbindet: Ethernet-Switches bilden das Rückgrat von Unternehmens- und Rechenzentrumsnetzwerken, das MAC-Protokoll von Wi-Fi steuert jedes drahtlose LAN, und Fehlererkennungscodes schützen Daten auf jeder Verbindung von Kupfer über Glasfaser bis Funk. Das Design von Rechenzentren mit geringer Latenz, die Diagnose von Kollisions- und Broadcast-Storm-Problemen sowie die Segmentierung von Netzwerken mit VLANs basieren alle auf Sicherungsschicht-Konzepten.
History
Das ALOHA-System an der University of Hawaii (Abramson, frühe 1970er Jahre) leistete Pionierarbeit beim zufälligen Mehrfachzugriff über einen gemeinsamen Funkkanal. Metcalfe und Boggs adaptierten diese Ideen 1976 bei Xerox PARC für Ethernet, wobei CSMA/CD über ein Koaxialkabel verwendet wurde. Ethernet wurde später als IEEE 802.3 standardisiert und entwickelte sich von gemeinsam genutztem Koax zu geschaltetem Twisted-Pair und Glasfaser, wodurch die kollisionsbasierte Konkurrenz durch Vollduplex-Switching ersetzt wurde.
Key figures
- Robert Metcalfe
- David Boggs
- Norman Abramson
- Andrew S. Tanenbaum
Related topics
Seminal works
- metcalfe1976
- kurose2021
- tanenbaum2010
Frequently asked questions
- Was ist der Unterschied zwischen einem Switch und einem Router?
- Ein Sicherungsschicht-Switch leitet Frames innerhalb eines lokalen Netzwerks basierend auf MAC-Adressen weiter und ist für die Netzwerkschicht transparent, während ein Router Pakete zwischen Netzwerken basierend auf Netzwerkschicht- (IP-) Adressen weiterleitet und Routing-Protokolle ausführt. Switches bilden ein einzelnes LAN; Router verbinden verschiedene Netzwerke miteinander.
- Warum benötigen wir MAC-Adressen, wenn wir bereits IP-Adressen haben?
- MAC-Adressen identifizieren eine Netzwerkschnittstelle auf einer lokalen Verbindung und werden für die Zustellung über diesen einzelnen Hop verwendet, während IP-Adressen einen Host innerhalb der globalen Adressierungsstruktur identifizieren und für das End-to-End-Routing verwendet werden. Die beiden operieren auf verschiedenen Schichten, und die Adressauflösung ordnet eine IP-Adresse der MAC-Adresse des nächsten Hops zu.