Data Link Layer: Pakete, Zugriffsmethoden und Topologien

Vorbereitung von Data Link Layer Paketen

Pakete für den Transport durch lokale Medien werden in Frames gekapselt, die einen Header und einen Trailer enthalten.

Zugriffsmethoden im Data Link Layer

Im Data Link Layer gibt es verschiedene Methoden für den Medienzugriff, die in unterschiedlichen Datenkommunikationsumgebungen ordnungsgemäß implementiert werden können.

Kontrollierte und Wettbewerbsbasierte Verfahren

• Kontrollierte Zugriffsverfahren: Jeder Knoten hat seine eigene Zeit, die Medien zu nutzen, z. B. in einer Ring-Topologie.
• Wettbewerbsbasierte Zugriffsverfahren: Alle Knoten konkurrieren um die Nutzung des Mediums, z. B. in einer Bus-Topologie.

Halbduplex und Vollduplex

• Halbduplex: Ein Knoten kann nur senden oder empfangen, nicht beides gleichzeitig. Diese Methode eignet sich für niedrige Bandbreiten und lange Distanzen.
• Vollduplex: Knoten können gleichzeitig senden und empfangen. Dies ist ideal für hohe Bandbreiten und direkte Fernverbindungen.

Logische Topologien: Punkt-zu-Punkt vs. Multi-Access

Punkt-zu-Punkt-Topologie

Eine Punkt-zu-Punkt-Topologie verbindet zwei Knoten. In Datennetzwerken mit Punkt-zu-Punkt-Topologien kann das Media Access Control (MAC)-Protokoll sehr einfach sein. Alle Frames in den Medien können nur zwischen diesen beiden Knoten reisen. Frames werden am einen Ende in die Medien eingelegt und verlassen den Knoten am anderen Ende. In Punkt-zu-Punkt-Netzwerken, wo Daten nur in eine Richtung gleichzeitig fließen können, funktioniert dies wie eine Halbduplex-Verbindung. Wenn Daten gleichzeitig über die Verbindung von jedem Knoten fließen können, handelt es sich um einen Vollduplex-Dienst.

Multi-Access Logische Topologie

Eine Multi-Access logische Topologie ermöglicht es einer Reihe von Knoten, über dasselbe gemeinsame Medium zu kommunizieren. Daten von einem einzelnen Knoten können jederzeit in das Medium eingelegt werden. Jeder Knoten sieht alle Frames, die sich im Medium befinden, aber nur der Knoten, für den der Frame bestimmt ist, verarbeitet dessen Inhalt. Viele Knoten, die sich die Medienzugriffsmethode teilen, erfordern eine Medienzugriffssteuerung (MAC) auf der Data Link Schicht, um die Datenübertragung zu regeln und Kollisionen zwischen verschiedenen Signalen zu reduzieren.

Funktionen einer logischen Ring-Topologie

In einer logischen Ring-Topologie empfängt jeder Knoten einen Frame zur Weiterleitung. Wenn der Frame an Knoten A geroutet wird, übergibt Knoten A den Frame an den nächsten Knoten. Dies ermöglicht einen Ring mit einer Technik namens kontrolliertem Medienzugriff durch Token-Passing. Die Medien übertragen in der Regel einen Frame nach dem anderen. Wenn keine Daten übertragen werden, wird ein Signal (bekannt als Token) in das Medium gegeben, und ein Knoten kann nur dann einen Datenframe in das Medium platzieren, wenn er das Token besitzt.

Fünf Protokolle der Data Link Schicht (Schicht 2)

• Point-to-Point Protocol (PPP)
• Ethernet
• High-Level Data Link Control (HDLC)
• Frame Relay
• Asynchronous Transfer Mode (ATM)

Data Link Layer Adressen vs. Netzwerk-Layer Adressen

Im Gegensatz zu den logischen Adressen der Schicht 3, die hierarchisch angeordnet sind, geben physikalische Adressen nicht an, welches Netzwerk das Gerät ist. Wenn das Gerät in ein anderes Subnetz oder Netzwerk transportiert wird, arbeitet es weiterhin mit denselben physikalischen Layer-2-Adressen. Da die Data Link Layer-Adresse nur dazu dient, Daten zwischen lokalen Knoten über die Medien zu transportieren, ist die Richtung des Data Link Layers die einzige, die für die lokale Zustellung verwendet wird. Die Adressen in dieser Schicht haben keine Bedeutung außerhalb des lokalen Netzwerks. Im Gegensatz dazu werden in Schicht 3 die Anweisungen im Paket-Header vom Quell- zum Ziel-Host übergeben, unabhängig von der Anzahl der Netzwerk-Hops auf der Strecke.

Header-Felder eines Data Link Layer Frames

Die Frame-Header-Felder umfassen typischerweise:

Start Frame Feld:

Zeigt den Beginn eines Frames an.

Zieladresse und Herkunftsadresse:

Geben den Ziel- und Herkunftsknoten in den Medien an.

Priorität / Qualität der Dienstleistungen (QoS):

Zeigt eine besondere Art von Kommunikationsdienst an.

Typ des Prozess-Feldes:

Zeigt den Dienst der oberen Schicht an, der im Frame enthalten ist.

Feld für logische Verbindungssteuerung:

Wird verwendet, um eine logische Verbindung zwischen den Knoten herzustellen.

Feld für physikalische Verbindungssteuerung:

Wird zur Steuerung der Medienführung verwendet.

Flusskontrollfeld:

Dient zum Starten und Stoppen des Datenverkehrs durch die Medien.

Überlastungssteuerungsfeld:

Zeigt den Stau in den Medien an.

Frame Check Sequence (FCS) im Data Link Trailer

Das Medium ist eine potenziell unsichere Umgebung für Daten. Die Signale in den Medien können Interferenzen, Verzerrungen oder Verluste ausgesetzt sein, die die Werte der Bits, die solche Signale darstellen, wesentlich verändern könnten. Um sicherzustellen, dass der Inhalt des am Ziel empfangenen Frames dem des Frames entspricht, den der Quellknoten gesendet hat, erstellt ein sendender Knoten eine logische Zusammenfassung des Frame-Inhalts. Dies wird als Frame Check Sequence (FCS) bezeichnet und im Trailer platziert, um den Inhalt zu repräsentieren. Wenn der Frame den Zielknoten erreicht, berechnet der empfangende Knoten seine eigene logische Zusammenfassung oder FCS des Frames. Der empfangende Knoten vergleicht die beiden FCS-Werte. Wenn die beiden Werte gleich sind, wird davon ausgegangen, dass der Frame so angekommen ist, wie er übertragen wurde. Wenn die FCS-Werte abweichen, wird der Frame verworfen. Es besteht immer eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass ein Frame mit einem korrekten FCS-Ergebnis tatsächlich beschädigt ist. Bitfehler können sich bei der Berechnung des FCS gegenseitig aufheben. Die Protokolle der oberen Schichten sollten dann solche verlorenen Daten erkennen und korrigieren.