I. Канальный уровень. Протоколы и стандарты.

       Вторым уровнем эталонной модели OSI является канальный уровень. Этот уровень организует интерфейс между аппаратным и программным обеспечением и отвечает за выполнение двух задач: приема и передачи. В отношении передачи он отвечает за упаковку инструкций, данных и т.д. в кадры. Кадр (frame) – это структура, которая содержит достаточно информации для успешной передачи данных адресату через компьютерную сеть. Или, если сказать проще, то кадр – это структура, используемая для передачи блока данных через сеть.  

Размер и структура кадра определяются протоколом аппаратного уровня, используемого сетью, например, Ethernet, FDDI, и т.п. Кадры можно сравнить с конвертами: размер стандартного конверта #10 составляет 105*241 мм, это общеизвестная информация. Однако, содержимое конверта может широко варьироваться по размер, содержанию, срочности и т.п.

Знание размера конверта еще ничего не говорит о способе его доставки адресату. Процессы, используемые для пересылки кадров в сети, называются протоколами. Протоколы существуют также и на третьем уровне модели OSI – они заключают кадры в пакеты и обеспечивают их транспортировку за пределы локальной сети.

Стандартные компоненты кадров

       Типичные кадры содержат столько полей и подструктур, сколько необходимо для гарантии безопасной доставки кадра получателю. Тем не менее любо кадр содержит следующие поля:

- начальный ограничитель кадра;

- адрес отправителя;

- адрес получателя;

- данные;

- контрольную последовательность кадра.

Определение кадра

       Продолжим аналогию с конвертом. Зная возможные размеры конвертов, можно создать инфраструктуру для их обработки в больших количествах. Таким образом, стандартизация размеров конвертов имеет большое значение для гарантии того, что почтовая инфраструктура сможет приспособиться ко всем конвертам, независимо от изготовителя.

Адреса отправителя и получателя

       Так же, как конверт обычно содержит необходимые сведения об отправителе и адресате, кадр содержит адреса отправителя и получателя. Адрес отправителя состоит из кода адреса компьютера, инициализировавшего передачу кадра по сети. Адрес получателя состоит из кода адреса компьютера, который предположительно должен принять пакет.

       Размещение этой информации в начале кадра избавляет прпинимающие компьютеры от необходимости открытия каждого кадра, исследование его содержимого и последующего анализа, действительно этот кадр предназначен ему. Этот процесс потребовал бы много времени и ресурсов, что в результате привело бы к снижению производительности сети.

       Вместо этого в самом начале кадра содержится два адреса: адрес отправителя и адрес получателя. Размещение этих адресов как можно ближе к началу кадра ускоряет процесс передачи кадра: исследование 18 первых октетов кадра выполняется намного быстрее, чем исследование 1500 октетов.

       Единственным оставшимся полем, общим для всех кадров, является поле данных. Размер этого поля может изменяться; размер всех остальных компонентов заголовка кадра обычно фиксирован и определяется спецификацией протокола. Если данные не достигли места назначения или повредились во время доставки, отбраковывается весь кадр.

Протоколы канального уровня

Протокол канального уровня имеет локальный смысл, он предназначен для доставки кадров данных, как правило, в пределах сетей с простой топологией связей и однотипной или близкой технологией, например в односегментных сетях Ethernet или же в многосегментных сетях Ethernet и Token Ring иерархической топологии, разделенных только мостами и коммутаторами. Во всех этих конфигурациях адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла-источника к узлу назначения. Возможность передавать данные между локальными сетями разных технологий связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата, к тому же производители сетевых адаптеров обеспечивают уникальность адресов независимо от технологии.

Другой областью действия протоколов канального уровня являются связи типа «точка-точка» глобальных сетей, когда протокол канального уровня ответственен за доставку кадра непосредственному соседу. Адрес в этом случае не имеет принципиального значения, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры, так как плохое качество территориальных каналов, особенно коммутируемых телефонных, часто требует выполнения подобных действий.

Если же перечисленные выше условия не соблюдаются (например связи между сегментами Ethernet имеют петлевидную структуру, либо объединяемые сети используют различные способы адресации, как это имеет место в сетях Ethernet и Х25), то протокол канального уровня не может в одиночку справиться с задачей передачи кадра между узлами и требует помощи протокола сетевого уровня.

Характеристики протоколов

Наиболее существенными характеристиками метода передачи, а значит, и протокола, работающего на канальном уровне, являются следующие:

- 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.

Многие из этих свойств характерны не только для протоколов канального уровня, но и для протоколов более высоких уровней.

Асинхронные протоколы

Асинхронные протоколы представляют собой наиболее старый способ связи. Эти протоколы оперируют не с кадрами, а с отдельными символами, которые представлены байтами со старт-стопными символами. Асинхронные протоколы ведут свое происхождение от тех времен, когда два человека связывались с помощью телетайпов по каналу «точка-точка». С развитием техники асинхронные протоколы стали применяться для связи телетайпов, разного рода клавиатур и дисплеев с вычислительными машинами. Единицей передаваемых данных был не кадр данных, а отдельный символ. Некоторые символы имели управляющий характер, например символ <CR> предписывал телетайпу или дисплею выполнить возврат каретки на начало строки. В этих протоколах существуют управляющие последовательности, обычно начинающиеся с символа <ESC>. Эти последовательности вызывали на управляемом устройстве достаточно сложные действия - например, загрузку нового шрифта на принтер.

В асинхронных протоколах применяются стандартные наборы символов, чаще всего ASCII или EBCDIC. Так как первые 32 или 27 кодов в этих наборах являются специальными кодами, которые не отображаются на дисплее или принтере, то они использовались асинхронными протоколами для управления режимом обмена данными. В самих пользовательских данных, которые представляли собой буквы, цифры, а также такие знаки, как @, %, $ и т. п., специальные символы никогда не встречались, так что проблемы их отделения от пользовательских данных не существовало.

Постепенно асинхронные протоколы усложнялись и стали наряду с отдельными символами использовать целые блоки данных, то есть кадры. Например, популярный протокол XMODEM передает файлы между двумя компьютерами по асинхронному модему. Начало приема очередного блока файла инициируется символьной командой - принимающая сторона постоянно передает символ ASCII NAK. Передающая сторона, приняв NAK, отправляет очередной блок файла, состоящий из 128 байт данных, заголовка и концевика. Заголовок состоит из специального символа SOH (Start Of Header) и номера блока. Концевик содержит контрольную сумму блока данных. Приемная сторона, получив новый блок, проверяла его номер и контрольную сумму. В случае совпадения этих параметров с ожидаемыми приемник отправлял символ АСК, а в противном случае - символ NAK, после чего передатчик должен был повторить передачу данного блока. В конце передачи файла передавался символ ЕОХ.

Как видно из описания протокола XMODEM, часть управляющих операций выполнялась в асинхронных протоколах посылкой в асинхронном режиме отдельных символов, в то же время часть данных пересылалась блоками, что более характерно для синхронных протоколов.