Adatkapcsolati réteg

Adatkapcsolati réteg

(DATA-LINK)

Feladata: -a hálózati rétegtől kapott adatcsomagok keretezése, átvitele,

fogadása és a fizika rétegnek továbbítása,

-kapcsolattartás a hálózati- és fizikai réteggel,

-átviteli hibák kezelése:

· hibadetektálás,

· hibajavítás,

-adatforgalom szabályozása.

Keretezés: KERET

Fejrész

Adatcsomag

Lábrész

ADATMEZŐ

Ahhoz hogy a kapott csomagokat keretezni tudja, az adatkapcsolati rétegnek tudnia kell a csomag méretét.

Szállítási réteg Szegmens Hálózati réteg Csomag Adatkapcsolati réteg Keret Fizikai réteg

A bitfolyamot keretekbe tördeli és kiszámolja az ellenőrző összeget, melyet a vevő újra számol, eltérés esetén a keretet kidobja.

Keret (FRAME) méretek:

· 1522 bájt (VLAN) 802.1q

· 1518 bájt (ETERNET) 802.3

· 5000 bájt (VEZÉRJELES GYŰRŰ) 802.5

· 8192 bájt (VEZÉRJELES GYŰRŰ) 802.4

· 53 bájt (ATM)

Tördelés módszerei:

1) Karakterszámlálás,

2) Karakter beszúrása kezdő- és végső jelzésnek,

3) Bitbeszúrás kezdő- és végső jelzésnek,

4) Fizikai rétegbeli kódolás sértés.

1.- A keretben lévő karakterek számának megadása, mely a fejlécbe kerül:

1-es keret 2-es keret 3-as keret stb.

karakterszám

2.- Az első és az utolsó karakter jelzőként szolgál. Ha a jelző az adatok között is előfordul, akkor a jelzőt megismétli, majd a vevő a minden másodikat kidobja, így visszakapja az eredeti adatot.

3.- Ugyan az, mint az előző, csak karakterek helyett, biteket használ.

4.- Olyan jel jelenik meg az adatok között, amely nem fordulhatna elő, így jelzésként szolgál: eleje, vége. Az adatbit fizikai kódolása:

magas alacsony

„1”-es bit= „0”-ás bit=

alacsony magas

Jelzőbit= vagy=

alacsony magas

Szolgálatai:

1. nyugtázatlan összeköttetés nélküli szolgálat, (lokális hálózatoknál)

2. nyugtázott összeköttetés nélküli szolgálat, (megbízhatatlan hálózat.)

3. nyugtázott összeköttetés alapú szolgálat. (vez.-nél hálózatoknál)

Az adatkapcsolati réteg alrétegei:

A hálózatok kétpontos vagy adatszóró csatornákat használnak. Az adatszóró csatornákon az ütközés szinte elkerülhetetlen ezért az adatkapcsolati réteget két alrétegre bontották:

· a MAC-alréteghez (Médium Access Control – közegelérési alréteg) tartoznak azok a protokollok, amelyek a közeg használatának vezérléséért felelősek.

· a LLC-alréteg (Logical Link Control - logikai kapcsolatvezérlés) képes hibajavításra és forgalomszabályozásra, és még arra is képes, hogy teljesen eltakarja a különböző 802-es hálózatokat azzal, hogy egységes formátumot és felületet biztosít a hálózati rétegek számára.

LLC

DATA-LINK

MAC

Hibakezelés: Ha hibás egy keret, vagy eldobásra került, az adónak értesülnie kell róla, különben nem tudja kezelni. Ezért az adótól nyugtázást vár. Viszont ha egy keret elvész, nincs mit nyugtázni, ennek megoldása az időzítő. Ha az időzítő lejár, és nem érkezik nyugta, akkor az adó újra küldi a keretet, már másik sorszámmal, hogy a vevő is értesüljön róla: ez egy ismételt keret és nem egy újabb.

Hibajelzés és –javítás:

Analóg és vezeték-nélküli hálózatoknál a hibák igen gyakoriak, melyet kezelni kell. Ebben a két esetben a hibák általában csoportosak, melyek a hálózat megbízhatatlanságából ered, ezért egyszerűbb a hibás adatokat kijavítani, mint újra küldeni.

Optikai- és digitális hálózatoknál a hibák ritkák, és mivel ezek a hálózatok igen gyorsak egyszerűbb az adatokat újraküldeni, mint hibajavítással bajlódni.

Hibakódok:

1) Hibajelző-kód (Error- detecting):

Annyi redundáns információ mellékelése, melyből a hiba megállapítható.

2) Hibajavító-kód (Error-corregting):

Annyi redundáns információ mellékelése, melyből a hiba kijavítható.

A hiba felderítésének mértéke a Hamming-távolság (HD). Az adatbit (üzenetbit) és a redundánsbit (ellenőrzőbit) összegét kódszónak nevezzük, és az olyan helyek számát, ahol a két kódszóban különböző bitek állnak, a két kódszó közötti távolságot Hamming-távolságnak nevezzük. Minél magasabb a HD érték, annál megbízhatóbb az adatátvitel. A HD függ attól, hogy egy kód hibajavító, vagy hibajelző.

Forgalomszabályozás (Flow Control):

A torlódások kezelésére legelterjedtebben két megoldást használnak:

1. Visszacsatolás alapú (Feedback-Based):

A vevő visszajelzést küld mennyi adatot képes fogadni.

2. Sebesség alapú (Rate-based):

Protokoll segítségével az adó és a vevő előre egyeztet a sebességről, de később nincs visszacsatolás.

ÖCsúszóablakos protokoll (sliding window):

Minden csúszóablakos protokoll lényege az, hogy az adóállomás folyamatosan karbantart egy sorszámhalmazt, amely az elküldhető kereteknek felel meg. Azt mondjuk, hogy ezek a keretek az adási ablakba (sending window) esnek. Hasonlóan a vevő is karbantart egy vételi ablakot (receiving window), amely azoknak a kereteknek felel meg, amelyeket vehet. A küldő ablakába eső sorszámok azokat a kereteket jelképezik, amelyeket már az adó elküldött, vagy amelyek elküldhetők, de a vevő még nem nyugtázta. Amikor egy új csomag érkezik a hálózati rétegtől, az megkapja a következő legmagasabb sorszámot, és az ablak felső széle eggyel előre ugrik. Amikor egy nyugta érkezik, akkor az ablak alsó széle lép egyet előre. Ezzel a módszerrel az ablak a még nem nyugtázott keretek listáját tartja folyamatosan karban.

ÖNyugtaráültetés (piggybacking):

Amikor egy adatkeret megérkezik, ahelyett, hogy azonnal küldene egy külön vezérlő keretet, a vevő türtőzteti magát, és megvárja, hogy a hálózati réteg átadja neki a következő csomagot. A nyugtát hozzácsatolja a kimenő adatkerethez (a fejrész ack mezőjét használva). Valójában a nyugta így ingyen utazik a következő kimenő adatkerettel, ráültetésként ismert.

Alkalmazott protokollok:

Ö HDCL (High-level Data Link Control - magas szintű adatkapcsolat-vezérlés): bit alapú, és bitbeszúrást alkalmaz a kódfüggetlenség érdekében. Ahhoz a konvencióhoz tartja magát, hogy az utolsó hibátlanul vett keret sorszáma helyett az első nem vett keret sorszámát (azaz következő várt keretét) ülteti rá a visszirányú adatra. Ezenkívül csúszóablakot is használ. Háromféle keret van: információs (Information), felügyelő (Supervisory) és számozatlan (Unnumbered).

Ö PPP (Point-to-Point Protocol - pont-pont protokoll) az Interneten használatos kétpontos protokoll: A PPP három dolgot biztosít:

1. Olyan keretezési módszert, amely egyértelműen ábrázolja a keret végét és a következő keret kezdetét. A keretformátum megoldja a hibajelzést is.

2. Kapcsolatvezérlő protokollt a vonalak felélesztésére, tesztelésére, az opciók megbeszélésére és a vonalak elegáns elengedésére, amikor már nincs rájuk szükség. Ezt a protokollt LCP-nek (adatkapcsolat-vezérlő protokoll - Link Control Protocol) nevezik. Támogatja a szinkron és aszinkron áramköröket, valamint a bájt és bit alapú kódolásokat.

3. Olyan módot a hálózatiréteg-opciók megbeszélésére, amely független az alkalmazott hálózatiréteg-protokolltól. A választott módszer az, hogy különböző NCP (hálózati vezérlő protokoll - Network Control Protocol) van mindegyik támogatott hálózati réteghez.

A PPP keretszerkezetét a tervezők a HDLC keretszerkezetéhez nagyon hasonlónak választották, mivel nem volt semmi okuk arra, hogy újra feltalálják a kereket. A legfőbb különbség a PPP és a HDLC között az, hogy a PPP karakter alapú, a HDLC pedig bit alapú. Ez például abban nyilvánul meg, hogy a PPP bájtbeszúrást használ a modemek betárcsázó telefonvonalain, így minden keret egész számú bájtot tartalmaz.

Az ütközés: Amikor ugyanabban az időpillanatban két keret is megpróbálja elfoglalni a csatornát, ütközés lép fel, és mindkét csomag megsérül. A két keret akkor is használhatatlanná válik, ha az egyik első bitje éppen hogy ütközik a másik utolsó bitjével, így később mindkét keretet újra kell majd küldeni. Az ellenőrző összeg nem képes megkülönböztetni (és nem is feladata) a teljes ütközést a részlegestől. Ami hibás, az hibás.

Véletlen hozzáférésű protokollok:

ÖEgyszerű ALOHA (pure ALOHA): az ALOHA-rendszer alapötlete, hogy engedjük a felhasználót adni, amikor csak van továbbítandó adata. Az ALOHA figyelheti a csatornát, vagy ha valamilyen okból kifolyólag nem lehetséges az átvitel közben figyelni, akkor nyugtákra van szükség. Ha a keret megsérült, a küldő egyszerűen véletlenszerű ideig várakozik, majd ismét elküldi a keretet.

A várakozási időnek véletlenszerűnek kell lennie, különben ugyanazok a keretek ütköznének újra és újra szabályos időközönként. Azokat a rendszereket, amelyekben a közös csatorna használata konfliktus helyzetek kialakulásához vezethet, versenyhelyzetes (contention) rendszereknek nevezzük.

Ö Réselt ALOHA (slotted ALOHA): egyszerű ALOHA rendszerével ellentétben, a terminálok nem kezdhetnek el adni bármikor, amikor leütik a kocsi-vissza billentyűt, hanem meg kell előbb várniuk a következő időrés kezdetét. Ezáltal a folyamatos egyszerű ALOHA diszkrétté alakul. Az időréseket központi órajel határozza meg.

Csatornafigyelő protokollok:

Azokat a protokollokat, amelyekben az állomások figyelik a csatornán folyó forgalmat, és ennek megfelelően cselekszenek, csatornafigyelő protokolloknak vagy vivőjel-érzékeléses protokollnak (carrier sense protocols) nevezik.

Ö Perzisztens és nemperzisztens CSMA: Az első csatornafigyelő protokoll az 1-perzisztens CSMA (Carrier Sense Multiple Access - vivőjel-érzékeléses többszörös hozzáférés). Amikor egy állomás adni készül, először belehallgat a csatornába, hogy eldönthesse, használja-e azt éppen egy másik állomás. Ha a csatorna foglalt, akkor addig vár, amíg az ismét szabad nem lesz. Amikor az állomás szabad csatornát érzékel, elküld egy keretet. Ha ütközés következik be, akkor az állomás véletlen hosszúságú ideig vár, majd újból elölről kezdi az egészet. A protokollt, 1-perzisztensnek nevezik, mivel a várakozó állomás 1 valószínűséggel adni kezd, amint üresnek érzékeli a csatornát.

Ö Nemperzisztens CSMA (nonpersistent CSMA): Ebben a protokollban tudatosan arra törekedtek, hogy az állomások ne legyenek mohók. Küldés előtt az állomás megfigyeli a csatornát. Ha senki sem forgalmaz, akkor az állomás elkezdhet adni. Ha azonban foglalt a csatorna, nem folytatja folyamatosan a megfigyelést, hogy a forgalom megszűntével azonnal megkezdje az adást, hanem véletlen hosszúságú ideig várakozik, és ekkor elölről kezdi az algoritmust.

Ö A p-perzisztens CSMA (p-persistent CSMA) protokoll: Réselt csatornát alkalmaz, és a következőképpen működik. Amikor egy állomás, adásra kész állapotba kerül, megvizsgálja a csatornát. Ha az szabad, akkor p valószínűséggel forgalmazni kezd, vagy q = 1 - p valószínűséggel visszalép szándékától a következő időrésig. Ha a következő időrésben a csatorna még mindig szabad, akkor ismét p, illetve q valószínűséggel ad vagy visszalép.

Ö CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - ütközésérzékeléses CSMA): ha két állomás tétlennek érzékelve a csatornát egyszerre kezd adni, majd érzékelik az ütközést, akkor nem fejezik be a már visszavonhatatlanul sérült keretek csatornára küldését, hanem az ütközés érzékelését követően azonnal felfüggesztik tevékenységüket. A sérült keretek küldésének megszakítása időt és sávszélességet takarít meg. Elterjedten használják LAN-ok MAC-protokolljaként.

Ütközésmentes protokollok:

Ö Egy bittérkép (helyfoglalásos) protokoll (basic bit-map method): Ha a 0-s

állomás adni szeretne, akkor l-es bitet küld a 0-s (első) versengési időrésben. Ez alatt

az időrés alatt másik állomások nem használhatják a csatornát. A 0-s állomástól függetlenül, az l-es állomásnak szintén megvan a lehetősége, hogy az l-es (második)

időrés jelzőbitjét l-re állítsa, ha van kész kerete. Általánosan a j-edik állomás a j időrésben jelezheti egy l-es bittel, ha van elküldésre váró kerete. Az N darab időrés elküldése után, mindegyik állomás pontosan tudja, hogy mely állomások szeretnének

forgalmazni. Ekkor számsorrendben megkezdhetik a tényleges adattovábbítást.

Adatkeretek

8 versengési időrés 8 versengési időrés

Ö Bináris visszaszámlálás (binary countdown): a forgalmazni kívánó állomás elkezdi a bináris címét, a legnagyobb helyi értékű bittel kezdve, mindenkinek szétküldeni. A versenyben a logikai „1” a nyerő, minden helyi értéknél. Az az állomás kezdhet először adni, amelyiknek azonos helyi értéken előbb van „1”-es bitje. Így a csatorna 100%-os kihasználtságú. Virtuális címek használatával azonban elkerülhető, hogy az alacsonyabb prioritású állomások kimaradjanak az adásból.

Ö WDMA (Wavelength Division Multiple Access - hullámhosszosztásos többszörös hozzáférés): Ahhoz, hogy egyszerre több átvitel is történhessen, a színspektrumot csatornákra (hullámhossztartományokra) kell osztani. Minden állomáshoz két csatornát rendelnek. Egy keskeny csatorna szolgál az állomás felé érkező vezérlőjelek átvitelére, míg egy szélesebb csatorna az állomás adatkereteinek továbbítására.

Ö DWDM- (Dense Wavelength Division Multiplexing - nagysűrűségű hullámhosszosztásos multiplex): nagyon nagyszámú frekvenciát használnak.

Kettes exponenciális visszalépés (binary exponential backoff): véletlenszám-generálás intervalluma az egymást követő ütközések hatására exponenciálisan nő, az algoritmus biztosítja azt, hogy kevés ütköző állomás esetén viszonylag kis késleltetés következzen be, ugyanakkor nagyszámú állomás esetén az ütközés még belátható időn belül feloldódjon.

Vezeték nélküli LAN (WLAN)-protokollok:

Ha egy vevő két aktív adónak is a hatósugarán belül tartózkodik, akkor az ilyenkor vett jel általában zavaros és használhatatlan lesz. A hálózat nagyban különbözik a LAN-októl, ezért a LAN-oknál bevált protokollok WLAN-ok esetében használhatatlanok.

Problémák:

A rejtett állomás problémájának (hidden station problem) nevezik azt, amikor egy állomás nem képes érzékelni egy potenciális versenytársát, mivel az túl messze van tőle.

Megvilágított állomás problémájáról (exposed station problem) beszélünk abban az esetben, ha az adó, egy másik adó és vevő között zajló forgalomról azt feltételezi, hogy foglalt a csatorna.

Protokollok:

Ø MACA (Multiple Access with Collision Avoidance - többszörös hozzáférés ütközések elkerülésével) egy vezeték nélküli LAN-ok számára tervezett korai protokoll. A protokoll mögött rejlő alapötlet az, hogy az adónak rá kell vennie a vevőt, hogy adjon ki egy rövid keretet, amely következtében a hatósugarában tartózkodó állomások nem adnak a következő (hosszabb) adatkeret időtartama alatt.

Ø MACAW (MACA for Wireless - vezeték nélküli MACA): MACA esetében, az adatkapcsolati rétegben implementált visszajelzések hiányában az elveszett keretek újraküldése nem történik meg addig, amíg a szállítási réteg észre nem veszi azok hiányát, ami sokkal később következik csak be. A problémát úgy oldották meg, hogy bevezettek egy ACK (nyugta) keretet minden sikeresen továbbított adatkeret után. Észrevették azt is, hogy a CSMA rendelkezik egy hasznos képességgel - nevezetesen azzal, hogy egy állomás nem kezd RTS (megszakítás) üzenet küldésébe addig, amíg észleli más állomások azonos célállomás irányába történő hasonló tevékenységét, így hát a protokollhoz adták a vivőérzékelést is. Elhatározták továbbá, hogy a visszalépéses algoritmust nem állomásonként, hanem adatfolyamonként (forrás-cél páronként) futtatják, ami a protokoll fair mivoltát növeli. Végül a rendszer teljesítményének növelése érdekében az állomásokhoz hozzáadtak egy mechanizmust, amellyel az állomások megoszthatják egymással torlódási információikat, valamint kidolgoztak egy módszert, amelynek köszönhetően a visszalépéses algoritmus kevésbé hevesen reagál az időszakos problémákra.

Keretformátumok:

Bitalapú:

BITEK

8 8 8 =>0 16 8

01111110

(jelző)

Cím

Vezérlés

(sorszám, nyugtaszám)

Adat

Ellenőrzőösszeg

(CRC)

01111110

PPP

BÁJTOK

1 1 1 1v.2 =>0 2v.4 1

01111110

(jelző)

11111111

(cím)

00000011

(vezérlő)

Protokoll

Adat

Ellenőrzőösszeg

01111110

(jelző)

ETERNET

BÁJTOK

8 6 6 2 0-1500 0-46 4

Előtag

Célcím

Forráscím

Típus

Adat mező

Kitöltés

Ellenőrzőösszeg

IEEE 802.3

BÁJTOK

7 1 6 6 2 0-1500 0-46 4

Előtag

SOF

Célcím

Forráscím

Hossz

Adat mező

Kitöltés

Ellenőrzőösszeg

VLAN keret

BÁJTOK

7 1 6 6 2 4 0-1500 0-46 4

Jelző

SOF

Cél-cím

Forrás-cím

VLAN

Protokoll

Cimke

Hossz

Adat mező

Kitöltés

Ellenőrzőösszeg