Физический уровень и уровень канала данных

Модель OSI начинается снизу — с компонентов, расположенных ближе всего к оборудованию. Уровень 1 — это физический уровень, а уровень 2 — канальный уровень. Вместе они передают необработанные биты по среде и надёжно доставляют их следующему устройству в той же локальной сети. Эти два уровня служат основой для всего остального, преобразуя электрические или световые сигналы в пригодные для использования кадры.

Физический уровень отвечает за фактическую передачу битов в виде сигналов. Он охватывает кабели, разъёмы, уровни напряжения, световые импульсы и радиоволны. Его единственная задача — передавать необработанные единицы и нули по среде; он не понимает адресов и смысла данных. Всё, к чему можно прикоснуться физически, например кабель или порт, относится к физическому уровню.

На уровне 1 данные представляют собой поток битов, закодированных физическими сигналами. В медном кабеле биты — это изменения напряжения, в оптоволокне — световые импульсы, а в Wi-Fi — радиоволны. Физический уровень определяет, как представляются 1 и 0, чтобы оба конца соединения использовали одинаковые правила. Если сделать это неправильно, ни один вышестоящий уровень не сможет работать, поскольку биты не будут поступать корректно.

Канальный уровень берёт необработанные биты и организует их в структурированные единицы, называемые кадрами, добавляя локальную адресацию и проверку ошибок. Его задача — обеспечить надёжную доставку между двумя устройствами в одном сегменте локальной сети. Если уровень 1 просто передаёт сигналы, то уровень 2 придаёт этим сигналам структуру и указывает получателя, делая локальный обмен данными надёжным.

Кадр — это единица канального уровня. Он оборачивает данные заголовком и концевой частью, в которых содержатся аппаратные адреса источника и назначения, а также значение для проверки ошибок. Заголовок сообщает следующему устройству, кто должен получить кадр, а концевая часть позволяет получателю проверить, что кадр поступил без повреждений. Формирование кадров — это способ, которым уровень 2 упаковывает биты для локальной доставки.

Уровень 2 использует MAC-адреса (Media Access Control), чтобы идентифицировать устройства в локальной сети. MAC-адрес — это уникальный аппаратный адрес, записанный в сетевом адаптере; он представляется шестью парами шестнадцатеричных цифр. В отличие от IP-адресов, MAC-адреса действуют локально и связаны с физическим устройством. Коммутаторы используют их, чтобы доставлять кадры на правильный порт в LAN.

Канальный уровень проверяет каждый кадр на наличие ошибок с помощью значения в концевой части, называемого последовательностью проверки кадра. Получатель вычисляет это значение заново и сравнивает результаты; если они различаются, кадр повреждён и отбрасывается. Так обнаруживаются повреждения, вызванные электрическими помехами или наводками. Обнаружение ошибок на уровне 2 не позволяет повреждённым данным незаметно нарушать работу вышестоящих уровней.

Канальный уровень разделён на две части: подуровень MAC, который управляет доступом к среде и работает с аппаратной адресацией, и подуровень LLC (Logical Link Control), который управляет взаимодействием с вышестоящим уровнем. Благодаря такому разделению один общий интерфейс верхнего уровня может работать с множеством разных физических технологий. Именно на подуровне MAC находятся аппаратная адресация и доступ к среде.

Некоторые устройства работают главным образом на этих уровнях. Концентраторы и простые кабели работают на уровне 1, просто передавая сигналы. Коммутаторы работают на уровне 2: они считывают MAC-адреса и пересылают кадры на нужный порт. Понимание того, на каком уровне работает устройство, показывает, что оно может и чего не может делать; это особенно важно при проектировании или ремонте сети.

Уровни 1 и 2 обеспечивают обмен данными только внутри одной локальной сети. Они не могут передавать данные между отдельными сетями, поскольку MAC-адреса не предназначены для глобальной маршрутизации. Чтобы перейти из одной сети в другую, нужен уровень 3 и IP-адреса. Именно эта граница объясняет существование вышестоящих уровней и то, почему разные сети соединяет маршрутизатор, а не коммутатор.

Физический уровень передаёт необработанные биты в виде сигналов по среде, а канальный уровень упаковывает эти биты в кадры с MAC-адресами и проверкой ошибок для надёжной локальной доставки. Концентраторы работают на уровне 1, а коммутаторы — на уровне 2. Вместе эти нижние уровни превращают электрические или световые сигналы в надёжный обмен данными между соседними устройствами одной сети.

Что канальный уровень добавляет к необработанным битам, поступающим от физического уровня?

Физический уровень (уровень 1) передаёт необработанные биты в виде сигналов по кабелям, оптоволокну или радиоканалу. Канальный уровень (уровень 2) упаковывает биты в кадры с MAC-адресами и последовательностью проверки кадра для обнаружения ошибок, обеспечивая надёжную локальную доставку. Уровень 2 включает подуровни MAC и LLC. Концентраторы работают на уровне 1, а коммутаторы — на уровне 2. Эти уровни обеспечивают только локальный обмен данными; для перехода между сетями нужен уровень 3.