3. Linková vrstva Studijní cíl Představíme si funkci linkové vrstvy. Popíšeme její dvě podvrstvy, způsoby adresace, jednotlivé položky rámce.
Doba nutná k nastudování
2 hodiny
Linková (spojová) vrstva V linkové vrstvě jsou datové bity proudící po fyzické vrstvě sítí uvedeny do kontextu spojení ve smyslu síťové trasy mezi vysílajícím a přijímacím systémem, je zde k dispozici řídící mechanizmus pro určení cesty, kterou se budou data v síti ubírat. Linková vrstva poskytuje způsob (prostředky) a je odpovědná za posílání dat přes sdílené médium. Provádí dvě základní operace: • umožňuje vyšším vrstvám přistupovat k přenosovému médiu pomocí rámců • řídí vysílání a příjem dat, detekuje případné chyby při přenosu Ethernet implementuje linkovou a fyzickou vrstvu modelu. Linková vrstva je rozdělena na podvrstvy: • LLC (Logica Link Control) – řídí komunikaci se síťovou vrstvou a jejím protokolem (např. IP, IPX) – jedná se o software, • MAC (Media Access Control) – provádí adresaci a řídí příjem/vysílání signálu v závislosti na konkrétním přenosovém médiu – jedná se o hardware. MAC rámec - podvrstva MAC shromažďuje data z vyšší podvrstvy LLC (LLC rámec) a v rámci přípravy na jejich přenos je zapouzdřuje do MAC rámce. U příchozích dat provádí opačný proces – „vybalení “ dat z rámce a kontrolu chyb. Důležitým úkolem MAC podvrstvy je řízení přístupu k přenosovému médiu, včetně inicializace přenosu rámce a zotavení při selhání přenosu.
Počítačové sítě I.
1 (5)
KST/IPS1
Rámec – záhlaví (header)
Obrázek 1 Rámec – záhlaví (header) Hlavička každého rámce obsahuje řídící informace požadované daným protokolem linkové vrstvy. Typické části hlavičky jsou: • Start frame – označuje začátek rámce (speciální kombinace 0 a 1), • fyzická (MAC) adresa příjemce a odesilatele, • Priorita/QoS – může označovat druh komunikace (data, hlasová, …), • Type – identifikuje jaký protokol vyšší vrstvy je obsažen v rámci, • Flow control – slouží k řízení toku dat médiem (zastavení/povolení), • Congestion control – indikuje zahlcení média. Linková vrstva řeší adresy uzlů v rámci lokálního segmentu sítě. Hlavička rámce obsahuje fyzickou adresu příjemce a případně také odesilatele. Hlavní rozdíl mezi logickými (IP) a fyzickými (MAC) adresami je ve struktuře – logická adresa vyjadřuje, do jaké části sítě uzel patří, kdežto fyzická adresa ne. Logické adresy umožňují posílat zprávy mezi sítěmi, fyzické slouží ke komunikaci v rámci jedné sítě (segmentu). Proto se fyzické adresy (odesilatele i příjemce) při přenosu zprávy do jiné sítě mění – tuto změnu provádí propojovací zařízení, nejčastěji router. Některé topologie ale fyzické adresy nevyžadují – například spojení typu bodbod (point-to-point), kde je zřejmé kdo je odesilatelem přijaté zprávy – proto se zde používá pouze adresa příjemce, která je obvykle všesměrová (broadcast).
Rámec – zápatí (trailer)
Obrázek 2 Rámec – zápatí (trailer)
Počítačové sítě I.
2 (5)
KST/IPS1
Pojmy související s linkovou vrstvou: • Frame – rámec – PDU (název protokolové datové jednotky) linkové vrstvy, • Node – uzel – síťové zařízení funkční na linkové vrstvě, • Media – přenosové médium, • Network – síť – dva a více uzlů spojených sdíleným přenosovým médiem. Zápatí každého rámce obsahuje kontrolní součet (pole FCS), který umožňuje zjistit, zda při přenosu rámce nedošlo k chybě (jen zjistit, ne opravit!). Odesílající stanice vypočítá z odesílané zprávy kontrolní součet CRC a ten uloží do hodnoty FCS. Příjemce vypočítá z přijaté zprávy také CRC, a pokud souhlasí s přijatým, je zpráva považována za správně přenesenou. Pokud CRC nesouhlasí, je rámec zahozen. V tom případě také může protokol linkové vrstvy rozhodnout, zda má být chyba korigována – většinou rozhodnutí o znovu přenesení chybně přenesené části zprávy realizují protokoly vyšších vrstev – např. protokol TCP na transportní vrstvě. Linková vrstva definuje způsoby přenosu dat přes všechny typy přenosových médií. Díky tomu mohou být protokoly třetí (např. IP) a vyšších vrstev na přenosovém médiu nezávislé – o správný přenos se postará linková vrstva. Proto může jedna zpráva při průchodu Internetem procházet různými médii (metalický kabel, optika, wi-fi, satelitní přenos, …) – každé spojovací zařízení zná, jakým způsobem do jednotlivých typů přenosových médií vysílat data. Díky šumu ve fyzickém přenosovém médiu nebo z důvodů nezachycení dat přijímacím systémem dochází k narušení dat LAN V lokálních sítích se typicky používají vysokorychlostní technologie (např. Ethernet), protože se v ní vyskytuje mnoho počítačů (uzlů) na relativně malé rozloze – jedna nebo více propojených budov. Protokol Ethernet pro LAN sítě Ethernet je skupina technologií definovaných standardy organizace IEEE pod označením 802.2 a 802.3 – tyto standardy charakterizují vlastnosti první i druhé vrstvy OSI modelu. Podporované přenosové rychlosti jsou v současnosti 10, 100, 1000 a 10000 Mbit/s. Základní formát rámce je pro všechny rychlosti stejný, ale například metody přístupu k médiu se mohou lišit (full/half duplex).
Počítačové sítě I.
3 (5)
KST/IPS1
Obrázek 3 Linková vrstva Ethernet protokol Ethernet používá nespojovaný a nepotvrzovaný způsob přenosu zpráv. Sdílené médium vyžaduje adresaci uzlů, takže v hlavičce rámce jsou fyzické (MAC) adresy příjemce i odesílatele. MAC adresa je 48 bitová se zapisuje v podobě hexadecimálního čísla.
Shrnutí kapitoly Linková vrstva zajišťuje přenos pouze v dosahu přímého spojení tj. bez „přestupních stanic“. Adresy, používané na úrovni linkové vrstvy, jsou typicky jednorozměrnými adresami, které nejsou dále členěny na žádné logické složky (viz např. MAC adresy). To pak odpovídá představě, že na úrovni linkové vrstvy jsou všechna zařízení součástí jedné velké sítě, nestrukturované na menší, logicky oddělené části. Další důležitou představou je představa o tom, že mezi libovolnými dvěma uzly existuje přímé spojení, neboli možnost adresovat každý rámec přímo jeho konečnému adresátovi. Linková vrstva nabízí své bezprostředně vyšší vrstvě služby typu „odešli rámec sousednímu uzlu“, resp. „přijmi rámec od sousedního uzlu“.
Otázky na procvičení: 1. Vypište všechna zařízení, která pracují na 2. vrstvě. 2. Která vrstva je odpovědná za převod datových rámců z linkové vrstvy do podoby elektrických signálů? 3. Kterou vrstvu reprezentují rámce? 4. Jakou délku v bitech má MAC a z jakých součástí se skládá?
Počítačové sítě I.
4 (5)
KST/IPS1
5. Vyzkoušejte si v příkazovém řádku příkaz „ipconfig“.
Literatura [1]
Cisco Systems, Inc [online]. 2012 [cit. 2012-04-26]. Dostupné z: http://www.cisco.com/
[2]
LAMMLE, Todd. CCNA: výukový průvodce přípravou na zkoušku 640802. Vyd. 1. Brno: Computer Press, 2010, 928 s. ISBN 978-802-5123591.
Počítačové sítě I.
5 (5)
KST/IPS1
