Канальный уровень Вычислительные сети Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики

Санкт-Петербургский государственный университет
информационных технологий, механики и оптики
Кафедра проектирования компьютерных систем
В. А. Козак
Вычислительные сети
Лекция 3
Канальный 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.
Коммутация
Коммутация — 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
Коммутация каналов
Коммутация
пакетов
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
Фиксированная
Динамическая
Во время установки
соединения
Для каждого
пакета
Возможность простоя линии
Да
Нет
Передача с промежуточным хранением
Нет
Да
Прозрачность
Да
Нет
За время на линии
За трафик
Параметр
Установка соединения
Доступная пропускная способность
Возможность занятости линии
Оплата
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 система
Структурированная 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.