Der Data Link Layer: Funktionen, Protokolle und Aufbau

Der Data Link Layer: Funktionen und Aufgaben

Der Data Link Layer (Sicherungsschicht) bietet ein Mittel, um den Datenaustausch zu ermöglichen. Die PDU (Protocol Data Unit) dieser Schicht wird als Frame (Rahmen) bezeichnet.

Die Sicherungsschicht bietet zwei grundlegende Dienste:

• Ermöglicht den Zugriff auf die oberen Schichten durch die Verwendung von Frames.
• Kontrolliert, wie Daten platziert und verwendet werden, unter Einsatz von Techniken wie der Medienzugriffssteuerung und Fehlererkennung.

Die Protokolle der Sicherungsschicht legen die Kapselung eines Paketes in einen Frame fest. Diese Methode wird als Media Access Control bezeichnet. Die Sicherungsschicht stellt die Verbindung zwischen der Software und der physischen Schicht her.

Die zwei Sublayer der Sicherungsschicht

Der Data Link Layer ist in zwei Teilschichten unterteilt:

• Logical Link Control (LLC): Die LLC-Schicht fügt Informationen in den Frame ein, um das verwendete Netzwerkprotokoll der Vermittlungsschicht zu identifizieren. Dies ermöglicht es mehreren Protokollen, dieselbe Netzwerkschnittstelle und dieselben Medien zu nutzen.
• Media Access Control (MAC): Zuständig für das Routing von Daten und die Definition der Protokollart.

Aufbau eines Frames

Ein Frame der Sicherungsschicht enthält stets:

• Datenpaket: Das Paket von der Vermittlungsschicht (Network Layer).
• Header: Enthält Kontrollinformationen wie Adressen und wird zu Beginn der PDU platziert. Er umfasst in der Regel:
  • Felder für den Beginn und das Ende des Frames (Indikatoren).
  • Quell- und Zieladressen.
  • Feld-Typ: Der Typ der PDU, die im Frame enthalten ist.
  • Control: Dienste zur Flusssteuerung.
• Trailer: Enthält Kontrollinformationen am Ende der PDU. Das Feld Frame Check Sequence (FCS) wird verwendet, um festzustellen, ob Fehler bei der Übertragung aufgetreten sind. Der CRC (Cyclic Redundancy Check) des empfangenen Frames muss mit dem Wert übereinstimmen, den der Quellknoten gesendet hat.

Diese Felder sind in allen Frames vorhanden. Der Aufbau hängt zudem von der Netzwerk-Topologie ab (Punkt-zu-Punkt, Ethernet oder Token-Ring).

Adressierungsanforderungen

Die Adressierung im Header gibt den Zielknoten an und kann auch die Quelladresse des Frames enthalten. Ein Frame wird nur zwischen Knoten innerhalb der lokalen Umgebung verwendet.

• Punkt-zu-Punkt-Topologien: Benötigen bei nur zwei Knoten oft keine explizite Adressierung.
• Ringstrukturen: Erfordern eine Adressierung.

Methoden der Medienzugriffssteuerung

Kontrollierter Zugriff auf gemeinsam genutzte Medien

Bei dieser Methode greifen Netzwerkgeräte der Reihe nach abwechselnd auf das Medium zu. Wenn ein Gerät keinen Zugriff benötigt, wird das nächste Gerät ausgewählt. Während ein Gerät einen Frame sendet, kann kein anderes Gerät zugreifen.

Konkurrierender Zugriff (Contention-based)

Hierbei versucht ein Gerät eigenständig, auf das Medium zuzugreifen. Um Chaos zu vermeiden, wird CSMA (Carrier Sense Multiple Access) genutzt. Wenn ein Gerät senden möchte und bemerkt, dass das Medium belegt ist, wartet es eine kurze Zeit. Wenn kein Trägersignal erkannt wird, sendet das Gerät seine Daten.

In Ethernet- und Wireless-Netzwerken kann dieser Prozess fehlschlagen, was zu Datenkollisionen führt. In diesem Fall werden die Daten beider Geräte beschädigt und müssen erneut gesendet werden. Mit zunehmender Anzahl der Knoten steigt die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen.

CSMA/CD (Collision Detection)

Wenn kein Signal vorhanden ist, werden die Daten gesendet. Wird währenddessen ein Signal (Kollision) erkannt, stoppt das Gerät die Übertragung und versucht es später erneut. Ethernet nutzt diese Methode.

CSMA/CA (Collision Avoidance)

Das Gerät analysiert das Medium. Wenn es frei ist, sendet das Gerät eine Benachrichtigung und erst danach die Daten. Diese Methode wird in 802.11-WLAN-Technologien verwendet.

Protokolle der Sicherungsschicht

Zu den Protokollen der Sicherungsschicht gehören:

• Ethernet (LAN-Protokoll, unterstützt Bandbreiten von 10 bis 10.000 Mbps).
• Point-to-Point Protocol (PPP): Wird im WAN verwendet, um Frames zwischen zwei Knoten zu liefern und mehrere Netzwerkprotokolle zu kapseln. Es beinhaltet Authentifizierung, Komprimierung und Multilink.
• High-Level Data Link Control (HDLC).
• Frame Relay.
• Asynchronous Transfer Mode (ATM).

Datenübertragung über eine WAN-Verbindung

Der Prozess der Datenübertragung erfolgt schrittweise:

1. Anwendungsschicht: Ein Nutzer greift z. B. auf eine Webseite zu.
2. Transportschicht: Empfängt Daten und fügt Port-Informationen sowie Sequenznummern hinzu (TCP- oder UDP-Segment).
3. Netzwerkschicht: Ergänzt IP-Adressen von Quelle und Ziel sowie Kontrollinformationen wie die TTL (IP-Paket).
4. Sicherungsschicht: Fügt einen Header mit physikalischen Adressen und einen Trailer mit der FCS hinzu (Frame).
5. Physikalische Schicht: Codiert den Frame als Bitfolge (elektrische Signale) für den Transport über das WAN.

An jedem Zwischenknoten wird das Paket entkapselt und für den nächsten Link neu verpackt. Beim Empfänger wird der Prozess umgekehrt, bis die gewünschte Webseite angezeigt wird.