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.