Канальный уровень и управление доступом к среде
Канальный уровень перемещает кадры между непосредственно соединенными узлами по одному физическому каналу, а подуровень управления доступом к среде регулирует, как несколько узлов совместно используют широковещательный канал без деструктивных коллизий их передач.
Definition
Канальный уровень — это протокольный уровень, отвечающий за передачу кадров между двумя узлами, соединенными одним каналом, включая кадрирование, доступ к каналу через протокол управления доступом к среде и обнаружение ошибок в канале.
Scope
Эта область охватывает второй уровень сетевого стека: кадрирование данных в кадры канального уровня, обнаружение и исправление ошибок на зашумленных каналах, а также протоколы управления доступом к среде (MAC), которые координируют доступ к общему каналу связи. Она включает протоколы разделения канала, случайного доступа и поочередного доступа, коммутируемые локальные сети и семейство Ethernet с его коммутаторами и адресацией. Она исключает детали физической сигнализации ниже него и маршрутизацию сетевого уровня, которая работает через несколько каналов выше него.
Sub-topics
Core questions
- Как поток битов разделяется на кадры и как обнаруживаются или исправляются ошибки передачи?
- Как множество узлов могут эффективно и справедливо совместно использовать один широковещательный канал?
- Каковы компромиссы между протоколами MAC с разделением канала, случайным доступом и поочередным доступом?
- Как самообучающиеся коммутаторы пересылают кадры в локальной сети и чем они отличаются от маршрутизаторов?
- Почему адреса канального уровня (MAC) необходимы в дополнение к адресам сетевого уровня?
Key concepts
- кадрирование
- обнаружение ошибок (четность, контрольная сумма, CRC)
- управление доступом к среде (MAC)
- разделение канала (TDMA, FDMA)
- случайный доступ (ALOHA, CSMA/CD)
- MAC-адреса
- Ethernet
- коммутаторы канального уровня
- домены коллизий и широковещательные домены
- разрешение адресов (ARP)
Key theories
- Случайный множественный доступ и CSMA/CD
- Протоколы случайного доступа позволяют узлам передавать данные при их наличии и восстанавливаться после коллизий; множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD), используемый в классическом Ethernet, прослушивает канал перед отправкой и прерывает передачу при обнаружении коллизии, затем отступает на случайное время.
- Обнаружение ошибок с помощью избыточности
- Добавление контрольных битов, вычисленных из данных — четности, контрольных сумм или циклических избыточных кодов — позволяет приемнику обнаруживать (а иногда и исправлять) битовые ошибки, возникающие в канале, обменивая небольшие накладные расходы на надежность.
- Самообучающиеся коммутируемые локальные сети
- Коммутаторы Ethernet автоматически строят таблицы пересылки, наблюдая за исходными адресами входящих кадров, пересылая выборочно, а не широковещательно, что сегментирует домены коллизий и масштабирует локальные сети.
Clinical relevance
Технология канального уровня — это то, что физически соединяет устройства: коммутаторы Ethernet формируют основу корпоративных сетей и сетей центров обработки данных, протокол MAC Wi-Fi управляет каждой беспроводной локальной сетью, а коды обнаружения ошибок защищают данные на каждом канале от медных до оптоволоконных и радиоканалов. Проектирование центров обработки данных с низкой задержкой, диагностика проблем с коллизиями и широковещательными штормами, а также сегментирование сетей с помощью VLAN — все это основано на концепциях канального уровня.
History
Система ALOHA в Гавайском университете (Абрамсон, начало 1970-х годов) впервые применила случайный множественный доступ по общему радиоканалу. Меткалф и Боггс адаптировали эти идеи в Ethernet в Xerox PARC в 1976 году, используя CSMA/CD по коаксиальному кабелю. Ethernet позже был стандартизирован как IEEE 802.3 и эволюционировал от общего коаксиального кабеля к коммутируемой витой паре и оптоволокну, вытеснив конкуренцию на основе коллизий полнодуплексной коммутацией.
Key figures
- Robert Metcalfe
- David Boggs
- Norman Abramson
- Andrew S. Tanenbaum
Related topics
Seminal works
- metcalfe1976
- kurose2021
- tanenbaum2010
Frequently asked questions
- В чем разница между коммутатором и маршрутизатором?
- Коммутатор канального уровня пересылает кадры в пределах локальной сети на основе MAC-адресов и прозрачен для сетевого уровня, тогда как маршрутизатор пересылает пакеты между сетями на основе IP-адресов сетевого уровня и использует протоколы маршрутизации. Коммутаторы строят одну локальную сеть; маршрутизаторы соединяют различные сети вместе.
- Почему нам нужны MAC-адреса, если у нас уже есть IP-адреса?
- MAC-адреса идентифицируют сетевой интерфейс в локальном канале и используются для доставки на этом одном переходе, тогда как IP-адреса идентифицируют хост в глобальной структуре адресации и используются для сквозной маршрутизации. Эти два типа адресов работают на разных уровнях, и разрешение адресов сопоставляет IP-адрес с MAC-адресом следующего перехода.