CCNA1 : Chapter 7 OSI Data Link Layer

CCNA1 : CCNA Exploration Network Fundamentals – 4.0

Chapter 7 OSI Data Link Layer

>Data Link Layer: Accessing the MediaSupporting and Connecting to Upper-Layer Services

– Data-Link Layer จะเกี่ยวข้องกับการรวมข้อมูลเป็น  Data  Frame  หรือ   Packet ซึ่งมีการระบุจุดเริ่มต้น  จุดสิ้นสุด และการตรวจสอบความผิดพลาดของข้อมูลในระหว่างการรับ-ส่งข้อมูล

Controlling Transfer Across Local Media

– กระบวณการ media access control คือ วิธีในการควบคุมการเข้าใช้งานสื่อกลาง จะเป็นข้อตกลงที่ใช้ในการรับส่งข้อมูลผ่านสื่อกลางซึ่งทุกโหนดในเครือข่ายจะต้องใช้มาตรฐานเดียวกัน การทำงานจะเกิดอยู่ในส่วนของแผงวงจรเชื่อมต่อเครือข่าย (Network Interface Card : NIC) และทำงานอยู่ในครึ่งท่อนล่างของ Data link Layer

Creating a Frame

– ประกอบด้วย

1. Data : แพ็กเกตจาก Network Layer
2. Header : ประกอบด้วยข้อมูล Frame Start, Addressing, Type, Contol
3. Trailer : ประกอบด้วย Error Detection, Frame Stop

Connecting Upper-Layer Services to the Media

– จะมีการแบ่ง Data Link Layer ออกเป็น 2 sublayer

1. Upper sublayer : กำหนดกระบวณการของซอฟต์แวร์ที่จัดหาเซอร์วิสให้กับโพรโตคอลใน Network Layer
2. Lower sublayer : กำหนดกระบวณการควบคุมการใช้สื่อร่วมกันของฮาร์ดแวร์

– ตัวอย่างของ เทคโนโลยี LAN , Eternet มี sublayer ดังนี้

1. Logical Link Control
LLC (Logical Link Control) เป็นเลเยอร์ที่อยู่ด้านบนของดาต้าลิงค์เลเยอร์  ซึ่งจะให้บริการกับโปโตคอลของเลเยอร์บนในการเข้าใช้สื่อกลางหรือสายสัญญาณใน การรับส่งข้อมูล ตามมาตรฐาน IEEE802 แล้วจะอนุญาตให้สถาปัตยกรรมของ LAN ที่ต่างกันสามารถทำงานร่วมกันได้ กล่าวคือ โปรโตคอลเลเยอร์บนไม่จำเป็นต้องทราบว่าฟิซิคอลเลเยอร์ใช้สายสัญญารประเภทใด ในการรับส่งข้อมูล เพราะ LLC จะรับผิดชอบแทนในการปรับเฟรมข้อมูลให้สามารถส่งไปได้ในสายสัญญาณประเภทนั้น ๆ LLC เป็นเลเยอร์ที่แยกชั้นเครือข่าย (Network Layer) ออกจากการเปลี่ยนแปลงบ่อย ๆ ของสถาปัตยกรรมของ LAN โดยโปรโตคอลของเลเยอร์ที่สูงกว่าไม่จำเป็นต้องสนใจว่าแพ็กเก็ตจะส่งผ่าน เครือข่ายแบบอีเธอร์เน็ต โทเคนริง หรือ ATM และไม่จำเป็นต้องรู้ว่าการส่งผ่านข้อมูลในขั้นกายภาพจะใช้การรับส่งข้อมูล แบบใด ชั้น LLC จะจัดการเรื่องเหล่านี้ได้ทั้งหมด
ที่มา : http://www.thaiinternetwork.com/chapter/detail.php?id=0053
2.Media Access Control
MAC (Media Access Control) เป็นเลเยอร์ย่อยที่อยู่ล่างสุดของดาต้าลิงค์เลเยอร์ ซึ่งจะทำหน้าที่เชื่อมต่อกับฟิสิคอลเลเยอร์ และรับผิดชอบในการรับส่งข้อมูลให้สำเร็จและถูกต้อง  โดยจะแบ่งหน้าที่ออกเป็นสองส่วนคือ การส่งข้อมูลและการรับข้อมูล
MAC จะทำหน้าที่ห่อหุ้มข้อมูลที่ส่งผ่านจากชั้น LLC และทำให้อยู่ในรูปแบบเฟรมข้อมูล ซึ่งเฟรมข้อมูลนี้จะประกอบด้วยที่อยู่ (Address) และข้อมูลต่าง ๆ ที่จำเป็นสำหรับการส่งข้อมูลให้ถึงปลายทาง ชั้น MAC ยังรับผิดชอบในการสร้างกลไกสำหรับตรวจสอบข้อผิดพลาดของข้อมูลในเฟรมนั้น ๆ ในระหว่างการรับส่งเฟรมด้วย นอกจากนี้ MAC ยังต้องตรวจสอบชั้นกายภาพว่าช่องสัญญาณพร้อมสำหรับการส่งข้อมูลหรือไม่ ถ้าไม่พร้อมเฟรมก็จะถูกส่งต่อไปยังชั้นกายภาพเพื่อทำการส่งไปตามสายสัญญาณ ต่อไป  แต่ถ้ายังไม่พร้อมชั้น MAC ก็จะรอจนกว่าจะว่าง แล้วค่อยทำการส่งข้อมูล
หน้าที่สุดท้ายของชั้น MAC คือ การตรวจสอบสถานะภาพของเฟรมที่กำลังส่ง ว่ามีการชนกันของข้อมูลเกิดขึ้นหรือไม่ ถ้าหากมีการชนกันเกิดขึ้นก็หยุดการส่งข้อมูล และเข้าสู่กลไกการรอด้วยช่วงเวลาที่เป็นเลขสุ่มเพื่อการส่งข้อมูลใหม่อีก ครั้ง  ซึ่งจะทำเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะทำการส่งข้อมูลได้สำเร็จ กระบวนการส่งข้อมูลที่ว่านี้เป็นทั้งข้อดีและข้อเสียของอีเธอร์เน็ต ข้อดีก็คือ เป็นการรองรับให้แก่โปรโตคอลชั้นที่อยู่เหนือกว่ามั่นใจว่าข้อมูลจะถูกส่งไป ถึงปลายทางอย่างแน่นอน แต่ในขณะเดียวกันข้อเสียก็คือ การส่งข้อมูลอาจใช้เวลานานมากถ้ามีการใช้เครือข่ายมาก   ๆ

ที่มา : http://www.thaiinternetwork.com/chapter/detail.php?id=0051

Standards

– Data Link layer services และ specifications ถูกกำหนดโดยหลากหลายมาตรฐานขึ้นกับเทคโนโลยีและสื่อที่โพรโตคอลใช้
– Engineering organizations ได้กำหนดมาตรฐานและโพรโตคอลที่ใช้ใน Data Link layer เช่น:

1. International Organization for Standardization (ISO) : HDLC
2. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) : 802.2(LLC), 802.3(Eternet), 802.5(Token Ring), 802.11(Wireless LAN)
3. American National Standards Institute (ANSI) : Q.922
4. International Telecommunication Union (ITU) : 3T9.5 , ADCCP

>Media Access Control (MAC) Techniques:

Placing Data on the Media

– Media access control คือการควบคุมการใช้สือกลางร่วมกัน
– ในบางกระบวณการของการควบคุมการใช้สื่อจะมีการควบคุมอย่างสูงเพื่อรับประกันว่าเฟรมจะมีความปลอดภัยในการส่งผ่านสื่อ โดยกระบวณการนี้จะถูกกำหนดโดย sophisticated protocols
– กระบวณการของ Media access control ขึ้นอยู่กับ
1. Media Sharing : โหนดมีการแชร์กันอย่างไร
2. Topology : รูปแบบในการติดต่อสื่อสารกันระหว่างโหนดในชั้น Data Link Layer

MAC for Shared Media

– กระบวณการขั้นพื้นฐานในการ media access control สำหรับการแชร์ไฟล์
1. Controlled : แต่ละโหนดจะมีช่วงเวลาในการใช้งานสื่อของตัวเอง
2. Contention-based : ทุกๆโหนดมีความพร้อมสำหรับการใช้งานสื่อ
– Controlled Access for Shared Media

– เมื่อใช้ กระบวณการ Controlled Access อุปกรณ์ในเครือข่ายจะผลัดกันในการใช้งานสื่อเป็นลำดับ โดยอาจเรียกกระบวณการนี้ว่า scheduled access or deterministic
– อุปกรณ์ในเครือข่ายสามารถส่งได้ทีละอัน อุปกรณ์อื่นต้องรอให้ถึงตาของตัวเอง
– ไม่มีการชนกันของข้อมูล
– ตัวอย่างเช่น Token Ring, FDDI

– Contention-based Access for Shared Media

– เรียกอีกอย่างว่า non-determistic ซึ่งจะอนุญาตให้อุปกรณ์มาสามารถใช้สื่อเมื่อไรก็ได้
– ซึ่งอาจจะมีการชนกันของข้อมูลได้
– เพื่อป้องการใช้กระบวณการ Carrier Sense Multiple Access (CSMA)ซึ่งจะคอยตรวจสอบสื่อกลางเสียก่อนว่าว่างหรือไม่ ถ้าว่างจึงจะสามารถส่งได้
– ตัวอย่างเช่น Eternet, wireless
– ไม่เหมาะกับระบบที่มีการใช้งานสื่อมากๆ เพราะว่าถ้าจำนวนโหนดเพิ่มขึ้น ความน่าจะเป็นนการประสบความสำเร็จในการใช้งานสื่อโดยไม่มี Collision หรือการชนกันของข้อมูลจะลดลง

– CSMA

–  CSMA เป็นเทคนิคที่สามารถช่วยลดการชนกันของข้อมูลได้ แต่ไม่สามารถแก้ปัญหาการชนกันทั้งหมดได้ จึงมีการเพิ่มกระบวณการทำงานบางอย่างเข้าไป

1. CSMA/Collision Detection (CSMA/CD) : เทคนิคนี้เมื่ออุปกรณ์ทราบแล้วว่ามีการใช้งานของสื่อ ก็ให้หยุดการส่งแล้วรอส่งใหม่อีกครั้ง โดยเทคนิคนี้นิยมใช้กับ Ethernet แบบเก่า
2. CSMA/Collision Avoidance (CSMA/CA) : เทคนิคนี้อุปกรณ์จะตรวจสอบการใช้งานของสื่อ ถ้าสื่อว่างอุปกรณ์จะส่งการแจ้้งการใช้งานผ่านสื่อว่าต้องการใช้งาน จากนั้นจึงค่อยส่งข้อมูล นิยมใช้กับ 802.11 wireless

MAC for Nonshared Media

– ตัวอย่างเช่นpoint-to-point topologies ซึ่งสื่อจะเชื่อมระหว่างสองโหนดโดยจะไม่มีการแชร์สื่อร่วมกัน ดังนั้นใน Data Link Layer พิจา่รณาเฉพาะว่าเการสื่อสารนั้นป็น  half-duplex หรือ full-duplex.
– Half-duplex : อุปกรณ์สามารถส่งและรับข้อมูลได้หากันได้แต่ทำพร้อมกันไม่ได้
– Full-duplex : อุปกรณ์สามารถส่งและรับข้อมูลได้หากันได้โดยทำพร้อมกันได้

Logical Topology Versus Physical Topology

– Physical Topology : หมายถึงการเชื่อมโยงทางกายภาพของเครื่องคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ต่างๆ ซึ่งเป็นการเชื่อมโยงทางวงจรอิเล็กทรอนิกส์
– Logical Topology :  แสดงถึงการเชื่อมโยงระหว่างอุปกรณ์ต่างๆของเครือข่ายเป็นแผนภาพ
– โดยปกติแล้ว Topology ที่ใช้คือ Point-to-Point, Multi-Access, Ring

Point-to-Point Topology

– เป็นการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ได้เพียง 2 อุปกรณ์(หรือ 2 จุด)เท่านั้น
– ความน่าเชื่อถือต่ำ เนื่องจากถ้าหาก Link ที่มีอยู่เพียงเส้นเดียวเสียหาย จะทำให้เครือข่ายทั้งสองด้านของ Link ถูกตัดขาดออกจากกันทันที
– เป็นพื้นฐานของการเชื่อมต่อเครือข่ายประเภทอื่นๆที่ซับซ้อนมากขึ้นเนื่องจากต้องอาศัยการเชื่อมต่อแบบ Point-to-Point เป็นพื้นฐานนั้นเอง
– ในกระบวณการ media access method ที่ถูกทำโดย Data Link protocol จะถูกพิจารณาโดย logical point-to-point topology

Multi-Access Topology

–  เป็นการเชื่อมต่อโดยอาศัยอุปกรณ์มากกว่า 2 อุปกรณ์ขึ้นไป ซึ่งอุปกรณ์สามารถ Share ร่วมกันได้
– อุปกรณ์สามารถส่งข้อมูลหากันได้ (ส่งได้เมื่อไม่มีการใช้สื่ออยู่)
– โดยปกติในการ media access control methods จะใช้ CSMA/CD or CSMA/CA, token passing

Ring Topology

– คือคอมพิวเตอร์แต่ละตัวจะมี link แบบ Point-to-Point ที่เชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ตัวที่อยู่ใกล้ที่สุดแค่ 2 เครื่องเท่านั้น และจะส่งสัญญาณต่อ ๆ กันไปเรื่อย ๆ จนถึงเครื่องที่เป็นผู้รับปลายทาง
– ข้อมูลที่ถูกส่งเข้าไปใน Ring จะวิ่งผ่านไปยังอุปกรณ์ทุกๆตัวที่    เชื่อมต่อกับเครือข่าย
– โดยปกติในการ media access control methods จะใช้ token passing

>MAC: Addressing and Framing Data

Data Link Layer Protocols: The Frame

– ส่วนประกอบหลังของเฟรม คือ Header, Data, Trailer
– the structure of the frame and the fields contained in the header and trailer vary according to the protocol.
– โครงสร้างของเฟรมและfields ที่ประกอบอยู่ำภายใน Header และ Trailer ขึ้นอยู่กับ Protocol ด้วย

Framing: Role of the Header

– องค์ประกอบของ Header

1. Start Frame field – บอกจุดเริ่มต้นของเฟรม
2. Source and Destination address fields – บอกแอดเดรสของต้นทางและปลายทางบนสื่อ
3. Priority/Quality of Service field – บอกชนิดของการบริการการสื่อสารสำหรับกระบวณการนั้นๆ
4. Type field
5. Logical connection control field
6. Physical link control field
7. Flow control field
8. Congestion control field

– ชื่อฟิล์ดอาจจะแตกต่างกันในแต่ละโพรโตคอล เนื่องจาก โพรโตคอลใน Data Link Layer มีเป้าหมายและฟังก์ชั่นเกี่ยวข้องกับspecific topologies และสื่อ แตกต่างกันไป

Addressing: Where the Frame Goes

– แอดเดรสที่ใช้ในเลเยอร์นี้เรียกว่า physical addresses
– Data Link layer addressing จะประกอบด้วย frame header และ destination node ในเครือข่ายภายใน
– ความต้องการสำหรับ Data Link layer addressing ขึ้นอยู่กับ logical topology.

1. Point-to-point topologies : ไม่ต้องการแอดเดรส
2. multi-access topologies และ Ring : ต้องการแอดเดรส

Framing: Role of the Trailer

– Trailer ใช้สำหรับตรวจสอบว่ามีควาผิดพลาดหรือไม่ โดยเรียกกระบวณการตรวจสอบว่า error detection
– ฟิลด์ตรวจสอบ หรือ ฟิลด์ Frame Check Sequence (FCS) เป็นฟิลด์ืั้เก็บกลุ่มของบิตสำหรับตรวจสอบความผิดพลาดของข้อมูล
– มีการใ่ช้ cyclic redundancy check (CRC) เช็คว่าต้นทางและปลายทางตรงกันหรือไม่เพื่อเช็คความผิดพลาดของข้อมูล โดยถ้าไม่ตรงกันปลายทางจะทำการลบเฟรมนั้นทิ้ง

Data Link Layer Protocol – The Frames

– ชนิดของโพรโตคอลที่ใช้ใน Data Link Layer

– Ethernet

– ให้การบริการแบบ unacknowledged connectionless ผ่านสื่อที่แชร์อยู่โดยใช้ กระบวณการ CSMA/CD ในการเข้าถึงสื่อ
– LAN protocols ส่วนใหญ่จะใช้ MAC address ในการอ้างแอดเดรสของต้นทางและปลายทาง
– Ethernet MAC address เป็นแบบ 48 bits และจะเขียนแทนในรูปแบบของเลขฐานสิบหก

– Point-to-Point Protocol (PPP)

– PPP เป็นโพรโตคอลที่ใช้สำหรับการส่งเฟรมข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ 2 ตัวที่เชื่อมโยงกันแบบจุดต่อจุด
– ลักษณะที่สำคัญของ PPP

1. จะมีการกำหนดโครงสร้างของเฟรมข้อมูลที่ใช้ในการติดต่อสื่อสารกันระหว่างอุปกรณ์
2. จะมีการกำหนดวิธีการสร้างการติดต่อ และการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างกัน
3. จะมีการกำหนดว่าข้อมูลที่ถูกส่งมาจากเน็ตเวิร์กเลเยอร์ จะนำมาใส่ในเฟรมของดาต้าลิงค์เลเยอร์ได้อย่างไร
4. จะมีการกำหนดถึงวิธีการยืนยันตัวบุคคล (Authentication)

–  PPP สามารถใช้งานบนหลากหลายสื่อ เช่น twisted pair, fiber optic lines, และ satellite transmission

– Wireless Protocol for LANs

– IEEE 802.11เป็นมาตรฐานที่มักจะอ้างถึง Wi-Fi ซึ่งเป็น contention-based system ที่ใช้ Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA) media access process
– โดย CSMA/CA จะทำการสุ่มเวลาหรือความน่าจะเป็นในการส่งเฟรมข้อมูล เมื่อสายว่าง โหนดที่ต้องการจะส่ง จะรอเวลา จากนั้นจะทำการสุ่มเวลาที่จะต้องส่งเฟรมข้อมูล เมื่อถึงกำหนดเวลาที่สุ่มแล้วจึงทำการส่ง และทำการกำหนดเวลาในการรอการตอบรับ ถ้ามีการตอบรับภายในเวลาที่ำกำหนด แสดงว่าการส่งสำเร็จ

– High-Level Data Link Control (HDLC) : เป็นโพรโตคอลที่ถูกออกแบบมาให้สามารถสื่อสารได้ทั้งแบบ Half duplex แลพ Full duplex บนพื้นฐานของการเชื่อมโยงอุปกรณ์สื่อสารทั้งแบบจุดต่อจุดและแบบ หลายจุด
– Frame Relay
– Asynchronous Transfer Mode (ATM)

– การเลือกว่าจะใช้ Layer 2 protocol แบบไหนขึ้นกับ เทคโนโลยีที่ใช้ในการ implement ของ topology นั้น โดยจะพิจารณา ขนาดของเครือข่าย และการให้บริการผ่านเครือข่าย

– ความแตกต่างของแบนด์วิทเป็นผลมาจากการใช้โพรโตคอลที่แตกต่างกันสำหรับ LANs และ WANs.

1. LAN Technology : small geographic area, cost-effective > Ethernet
2. WAN Technology : large geographic area, not cost-effective > Point-to-Point Protocol for WANs