Кафедра проектирования компьютерных систем

Санкт-Петербургский государственный Санкт-Петербургский государственный университетуниверситет

информационных технологий, механики и информационных технологий, механики и оптикиоптики

В. В. А. А. КозакКозак

Вычислительные сетиВычислительные сети

Лекция Лекция 33

Канальный уровеньКанальный 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:

имя ASCII-код назначение

SYN 0010110 синхронизация

STX 0000010 старт кадра

ЕТХ 0000011 конец кадра

DLE 0010000 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 (01111110). 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 (<=64 Кбит/с).

Основные алгоритмы компрессии данных:• десятичная упаковка;• относительное кодирование;• символьное подавление;• коды переменной длины.

КоммутацияКоммутация — 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

Параметр Коммутация каналовКоммутация

пакетов

Установка соединения Требуется Не требуется

Выделенный «медный» путь Да Нет

Каждый пакет перемещается по одному и тому же пути Да Нет

Пакеты приходят в правильном порядке Да Нет

Критичность выхода из строя коммутатора Да Нет

Доступная пропускная способность Фиксированная Динамическая

Возможность занятости линииВо время установки

соединенияДля каждого

пакета

Возможность простоя линии Да Нет

Передача с промежуточным хранением Нет Да

Прозрачность Да Нет

Оплата За время на линии За 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 системаСтруктурированная 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.