Канальный уровень (L2) модели OSI

Aladdin

Канальный уровень (Data Link Layer) — второй уровень эталонной модели взаимодействия открытых систем (OSI). Его основная задача — обеспечение надежной передачи данных между двумя непосредственно подключенными узлами в пределах одного сегмента сети.

Основные функции канального уровня

Фрейминг (Framing): Инкапсуляция пакета сетевого уровня в структурированную единицу данных, называемую кадром (frame), с добавлением заголовка и трейлера для обозначения границ и управления передачей.
Адресация: Использование аппаратных адресов (MAC-адресов) для идентификации отправителя и получателя на локальном сегменте сети.
Обнаружение ошибок: Проверка целостности данных в кадре с помощью контрольных сумм (например, CRC) для выявления искажений, возникших на физическом уровне.
Управление доступом к среде (Media Access Control, MAC): Координация передачи данных несколькими устройствами по общему физическому каналу для предотвращения коллизий.

Внутренняя архитектура: подуровни LLC и MAC

Стандарты IEEE 802 декомпозируют канальный уровень на два специализированных подуровня: LLC (Logical Link Control) и MAC (Media Access Control). Это разделение позволяет отделить универсальные задачи управления данными от специфичных для каждой технологии задач управления физическим каналом.

Подуровень LLC (Logical Link Control — Логический контроль связи)

Подуровень LLC является “верхней” частью канального уровня и служит интерфейсом для сетевого уровня. Его главная цель — предоставить стандартизированную и универсальную услугу передачи данных, которая не зависит от того, какая конкретно технология (Ethernet, Wi-Fi, FDDI) используется ниже.

Основные функции подуровня LLC:

Инкапсуляция протокола верхнего уровня: LLC добавляет в кадр информацию, которая говорит сетевому уровню получателя, какому именно протоколу (IP, IPX, AppleTalk и т.д.) следует передать полезную нагрузку. Это достигается через поле DSAP (Destination Service Access Point) и SSAP (Source Service Access Point) в чистом формате IEEE 802.2 или через механизм SNAP (Subnetwork Access Protocol), который эмулирует поле EtherType из Ethernet II.
Управление логическим соединением: В некоторых режимах работы (например, в режиме с установлением соединения) LLC может управлять состоянием логического канала между двумя узлами, обеспечивая упорядоченную доставку кадров.
Базовое управление потоком и ошибками: Хотя в большинстве современных LAN (например, Ethernet) эта функция не используется, в теории LLC может применять простые механизмы, такие как подтверждение получения кадров и их повторная передача в случае потери. Однако на практике эти задачи перекладываются на более высокие уровни (например, на транспортный уровень с TCP).

Суть LLC: Это “переводчик” для сетевого уровня. Он говорит: “Не волнуйся, какой у нас кабель или Wi-Fi, я позабочусь о том, чтобы твой пакет был правильно помечен и передан вниз”.

Подуровень MAC (Media Access Control — Управление доступом к среде)

Подуровень MAC является “нижней” частью канального уровня и напрямую взаимодействует с физическим уровнем. Он отвечает за все, что связано с физической средой передачи и уникальной идентификацией оборудования.

Основные функции подуровня MAC:

Физическая адресация: Работа с уникальными 48-битными MAC-адресами, которые “вшиты” в сетевые адаптеры производителями. MAC-подуровень помещает адреса отправителя и получателя в каждый исходящий кадр и проверяет их в каждом входящем кадре.
Управление доступом к среде (Medium Access Control): Реализация конкретного протокола, который определяет, как устройства делят общий канал. Например:
- В Ethernet используется CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) — “слушай, пока не станет свободно, передавай, но если столкнулся, отступи”.
- В Wi-Fi (IEEE 802.11) используется CSMA/CA (Collision Avoidance) — “слушай, пока не станет свободно, а потом еще и спроси разрешения передать, чтобы избежать столкновения”.
Формирование и распознавание кадров: Непосредственное создание структуры кадра, включая добавление преамбулы, флагов начала/конца (в некоторых протоколах) и поля FCS для проверки на ошибки.

Суть MAC: Это “диспетчер трафика” на физическом уровне. Он знает, кто есть кто (по MAC-адресам), и решает, когда каждому устройству можно “говорить” в эфир, чтобы не было хаоса.

Сравнение подуровней

Характеристика	Подуровень LLC (Logical Link Control)	Подуровень MAC (Media Access Control)
Расположение	Верхняя часть канального уровня	Нижняя часть канального уровня
Основная цель	Предоставить универсальный интерфейс для сетевого уровня	Управлять доступом к физической среде и физической адресацией
Зависимость от технологии	Независим (один и тот же для Ethernet, Wi-Fi, FDDI)	Зависит от конкретной технологии (разные протоколы для разных сетей)
Ключевые функции	Инкапсуляция протокола верхнего уровня (DSAP/SSAP, SNAP), управление логическим соединением	Физическая адресация (MAC-адреса), управление доступом к среде (CSMA/CD, CSMA/CA), формирование кадра

Структура кадра: пример Ethernet

Наиболее распространенным форматом кадра является Ethernet II (DIX). Его структура наглядно демонстрирует функции канального уровня.

Поле кадра	Размер	Назначение
Destination MAC Address	6 байт	MAC-адрес получателя.
Source MAC Address	6 байт	MAC-адрес отправителя.
EtherType	2 байта	Идентификатор протокола сетевого уровня (например, `0x0800` для IPv4, `0x86DD` для IPv6).
Data (Payload)	46–1500 байт	Полезная нагрузка, содержащая пакет сетевого уровня.
Frame Check Sequence (FCS)	4 байта	Поле для контрольной суммы (обычно 32-битный CRC), используемое для обнаружения ошибок.

Минимальный размер кадра (64 байта) и максимальный (1518 байт) определяются требованиями надежной работы протоколов управления доступом к среде и эффективного использования канала.

Протокол ARP: связь между сетевым и канальным уровнями

Протокол разрешения адресов (Address Resolution Protocol, ARP) играет критическую роль в связке между сетевым (Layer 3) и канальным (Layer 2) уровнями.

Задача: Преобразование логического IP-адреса узла в его физический MAC-адрес в пределах одной локальной сети.
Механизм: Когда узлу необходимо отправить пакет, он проверяет свою таблицу ARP. Если записи для целевого IP-адреса нет, он рассылает широковещательный запрос ARP: “Кто имеет IP-адрес X.X.X.X? Сообщите свой MAC-адрес”. Узел с этим IP-адресом отвечает своим MAC-адресом напрямую отправителю.
Результат: Отправитель получает необходимый MAC-адрес и может сформировать корректный Ethernet-кадр для передачи на канальный уровень. Таким образом, ARP служит мостом, позволяя сетевому уровню использовать логические адреса, в то время как канальный уровень работает с физическими.

Aladdin

Кадры (фреймы) канального уровня

Кадр (frame) — это основная единица данных на канальном уровне модели OSI. Он представляет собой структурированную оболочку, в которую инкапсулируется пакет сетевого уровня для передачи по физическому каналу связи между двумя непосредственно подключенными узлами.

Общая структура кадра

Несмотря на различия в конкретных реализациях, большинство кадров канального уровня имеют схожую логическую структуру, состоящую из трех основных частей:

Заголовок (Header): Содержит управляющую информацию, необходимую для доставки и обработки кадра.
Полезная нагрузка (Payload/Data): Содержит инкапсулированный пакет сетевого уровня (например, IP-пакет).
Трейлер (Trailer): Содержит информацию для проверки целостности данных, обычно поле контрольной суммы.

+------------------+------------------+------------------+
|    Заголовок     |  Полезная нагрузка |     Трейлер      |
| (Управляющая инф.)| (Пакет L3)       | (Проверка ошибок)|
+------------------+------------------+------------------+

Ключевые компоненты заголовка и их функции

Заголовок кадра содержит поля, которые реализуют основные функции канального уровня.

Компонент	Функция	Примеры значений/форматов
Адрес назначения (Destination Address)	Идентифицирует получателя кадра на локальном сегменте сети.	MAC-адрес (6 байт): `AA:BB:CC:11:22:33` (Unicast), `01:00:5E:xx:xx:xx` (Multicast), `FF:FF:FF:FF:FF:FF` (Broadcast).
Адрес источника (Source Address)	Идентифицирует отправителя кадра.	MAC-адрес (6 байт): `00:11:22:33:44:55`.
Идентификатор протокола (Protocol Identifier)	Указывает, какому протоколу сетевого уровня принадлежит полезная нагрузка. Это позволяет получателю корректно передать данные на следующий уровень.	EtherType (2 байта): `0x0800` (IPv4), `0x86DD` (IPv6), `0x0806` (ARP). В формате IEEE 802.3 это поле может указывать длину данных.
Управление доступом к среде (MAC Control)	Специфичные для технологии поля для управления передачей (например, приоритет, управление потоком).	В Ethernet: не используется в базовом формате. В других протоколах могут быть флаги начала/конца кадра или токены.

Трейлер: обнаружение ошибок

Трейлер кадра почти всегда содержит одно ключевое поле:

Последовательность проверки кадра (Frame Check Sequence, FCS): Это поле содержит значение контрольной суммы, вычисленное для всего кадра (обычно для заголовка и полезной нагрузки). Наиболее распространенным алгоритмом является Циклический избыточный код (Cyclic Redundancy Check, CRC).
- Как работает: Отправитель вычисляет CRC и помещает его в FCS. Получатель, получив кадр, самостоятельно вычисляет CRC для принятых данных и сравнивает результат со значением в FCS.
- Результат: Если значения совпадают, кадр считается целым. Если не совпадают, кадр был поврежден при передаче и отбрасывается. Это гарантирует, что на сетевой уровень поступают только проверенные и целые данные.

Конкретные примеры форматов кадров

Ethernet II (DIX) — самый распространенный формат

Этот формат используется в подавляющем большинстве современных Ethernet-сетей.

Поле	Размер	Описание
Преамбула	7 байт	Последовательность `10101010...` для синхронизации приемника.
SFD (Start Frame Delimiter)	1 байт	`10101011` — маркер начала кадра.
Destination MAC Address	6 байт	Адрес получателя.
Source MAC Address	6 байт	Адрес отправителя.
EtherType	2 байта	Идентификатор протокола верхнего уровня (L3).
Data (Payload)	46–1500 байт	Инкапсулированный пакет (например, IP).
FCS	4 байта	CRC-32 для обнаружения ошибок.
Межкадровый интервал (IFG)	12 байт	Пауза между кадрами.

MTU (Maximum Transmission Unit): Максимальный размер поля данных — 1500 байт.
Минимальный размер кадра: 64 байта (включая MAC-адреса, EtherType и FCS, но без преамбулы и SFD). Это требование связано с работой CSMA/CD в старых сетях.
Максимальный размер кадра: 1518 байт (без преамбулы и SFD).

IEEE 802.3 (с LLC/SNAP)

Этот формат был разработан комитетом IEEE и использует подуровень LLC для идентификации протокола.

Поле	Размер	Описание
… (Преамбула, SFD, MAC-адреса)	…	То же, что и в Ethernet II.
Length	2 байта	Длина поля данных в байтах (не более 1500).
LLC Header	3 байта	Поля DSAP (Destination Service Access Point), SSAP (Source SAP) и Control.
SNAP Extension	5 байт	(Опционально) Для эмуляции EtherType. Содержит OUI (Organizationally Unique Identifier) и Protocol ID.
Data (Payload)	…	Инкапсулированный пакет.
FCS	4 байта	CRC-32.

Отличие от Ethernet II: Поле после MAC-адресов указывает длину, а не тип. Тип протокола определяется внутри заголовка LLC/SNAP.
Совместимость: Современные устройства легко различают два формата, анализируя значение этого 2-байтового поля. Значения больше 1500 (0x05DC) интерпретируются как EtherType (Ethernet II), а меньшие или равные — как длина (IEEE 802.3).

PPP (Point-to-Point Protocol) — для выделенных линий

PPP используется для прямого соединения двух узлов (например, через модем или последовательный порт).

Поле	Размер	Описание
Flag	1 байт	`01111110` — маркер начала и конца кадра.
Address	1 байт	Обычно `11111111` (широковещательный адрес, так как соединение точка-точка).
Control	1 байт	Обычно `00000011` (ненумерованный информационный кадр).
Protocol	1-2 байта	Идентификатор протокола (например, `0x0021` для IPv4).
Data (Payload)	Переменный	Инкапсулированный пакет.
FCS	2 или 4 байта	CRC для обнаружения ошибок.
Flag	1 байт	Маркер конца кадра.

Особенность: Использует побайтовое “stuffing” (вставка дополнительных битов) для экранирования флагов внутри полезной нагрузки, чтобы избежать ложного определения границ кадра.

Дополнительно

Структура кадра напрямую определяется его функциями и ограничениями физической среды:

Наличие MAC-адресов — следствие необходимости локальной адресации на канальном уровне.
Поле EtherType/Length — следствие необходимости мультиплексирования/демультиплексирования различных протоколов сетевого уровня.
Поле FCS — следствие необходимости обнаружения ошибок, вносимых шумом и помехами на физическом уровне.
Минимальный размер кадра в Ethernet — следствие физических ограничений протокола CSMA/CD, который должен успеть обнаружить коллизию до окончания передачи кадра.

Таким образом, кадр канального уровня — это не просто “обертка”, а сложная и продуманная структура данных, которая реализует все ключевые функции этого уровня, обеспечивая надежную и адресную доставку информации на локальном участке сети.