Модемні протоколи фізичного рівня. Модемні протоколи фізичного рівня Фізичний рівень передає біти фізичними каналами зв'язку, наприклад

Локальні обчислювальні мережі будувалися з використанням декількох типів протоколів фізичного рівня, що відрізняються типом середовища передачі, частотним діапазоном сигналів, рівнями сигналів, способами кодування.

Першими технологіями побудови ЛОМ, які отримали комерційне визнання, були патентовані рішення ARCNET (Attached Resource Комп'ютер NETwork) та Token ring(Маркерне кільце), проте на початку 90-х років минулого століття вони поступово були практично повсюдно витіснені мережами на базі сімейства протоколів Ethernet.

Цей протокол був розроблений Дослідницьким центром у Пало Альто (PARC) корпорації Xerox у 1973 році. У 1980 компанії Digital Equipment Corporation, Intel Corporation та Xerox Corporation спільно розробили та прийняли специфікацію Ethernet (Version 2.0). Тоді ж в інституті IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) був організований комітет 802 стандартизації локальних мереж, в результаті роботи якого було прийнято сімейство стандартів IEEE 802.x, які містять рекомендації з проектування нижніх рівнів локальних мереж. До цього сімейства входять кілька груп стандартів:

802.1 – об'єднання мереж.

802.2 – Управління логічним зв'язком.

802.3 - ЛВС з множинним доступом, контролем несучої та виявленням колізій (Ethernet).

802.4 - ЛОМ топології «шина» з передачею маркера.

802.5 – ЛВС топології «кільце» з передачею маркера.

802.6 – мережа масштабу міста (Metropolitan Area Network, MAN).

802.7 - Консультативна рада з широкомовної технології (Broadcast Technical Advisory Group).

802.8 - Консультативна рада з оптоволоконної технології (Fiber-Optic Technical Advisory Group).

802.9 - Інтегровані мережі з передачею мови та даних (Integrated Voice/Data Networks).

802.10 – Безпека мереж.

802.11 – Бездротова мережа.

802.12 - ЛВС з доступом за пріоритетом запиту (Demand Priority Access LAN,

lOObaseVG-AnyLan).

802.13 – номер не був використаний!

802.14 – Передача даних через мережі кабельного TV (не активна з 2000 р.)

802.15 - Бездротові персональні мережі (WPAN), наприклад Bluetooth, ZigBee, 6loWPAN

802.16 - Бездротові мережі WiMAX ( Worldwide Interoperability for Microwave Access, по-російськи читається ваймакс)

802.17 називається RPR (Resilient Packet Ring – адаптивне кільце для пакетів). Розробляється з 2000 року як сучасна магістральна мережа міського масштабу.

По кожній групі працює свій підкомітет, який розробляє та приймає оновлення. Стандарти серії IEEE 802 охоплюють два рівні моделі OSI, нас поки що цікавлять тільки ті з них і в тій частині, які описують фізичний рівень.

Ethernet (802 .3) - ЛОМ з множинним доступом, контролем несучої та виявленням колізій.

На сьогоднішній день Ethernet є найпоширенішими протоколами локальних обчислювальних мереж. Причому специфікація IEEE 802.3 на сьогоднішній день описує кілька варіантів фізичної реалізації ЛОМ з різними середовищами передачі та швидкостями передачі даних.

Базовою властивістю, що об'єднує всі ці специфікації є метод керування доступомдо середовища передачі. Для Ethernet це множинний доступ з контролем несучої та виявленням колізій(CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). У мережі Ethernet всі вузли рівноправні, немає централізованого управління їх активністю чи розмежування повноважень (як, наприклад у Token ring). Кожен вузол безперервно прослуховує середовище передачі та аналізує вміст всіх пакетів даних, якщо пакет призначений не даному вузлу, він йому не цікавий і на верхні рівні не передається. Проблеми зазвичай виникають під час передачі, оскільки ніхто не гарантує, що два вузли не спробують вести передачу одночасно (в результаті в кабелі виникне суперпозиція, що несприймається, двох сигналів). Для запобігання таким ситуаціям ( колізій) кожен вузол перш ніж почати передачу переконується у відсутності в кабелі сигналів з інших мережевих пристроїв ( контроль несучої). Але цього мало для запобігання колізій через обмеженість швидкості поширення сигналу серед передачі. Можлива ситуація, що якийсь інший вузол вже розпочав передачу, просто сигнал від нього ще не досяг розглянутого нами пристрою. Тобто в мережі Ethernet можливі і є штатними ситуації, коли два або більше вузла одночасно намагаються передавати дані заважаючи один одному. Процедура вирішення такої колізії полягає в тому, що виявивши в процесі передачі присутність в кабелі чужого сигналу, всі вузли, що потрапили в таку ситуацію, припиняють передачу і роблять спроби відновити її через різніінтервали часу.

Недолік імовірнісного методу доступу - невизначений час проходження кадру, що різко зростає зі збільшенням навантаження на мережу, що обмежує його застосування в системах реального часу.

Розглянемо докладніше процедуру виявлення колізії та взаємозалежність допустимих розмірів мережі від швидкості передачі даних та довжини інформаційних пакетів, що передаються через мережу. Вміст та внутрішній пристрій кадрів Ethernet ми розбиратимемо на канальному рівні. Поки ми просто будемо враховувати, що при швидкості поширення сигналу в провіднику близько 200 000 000 м/с при роботі мережевого адаптера Ethernet IEEE 802.3 зі швидкістю передачі даних 10 Мбіт/с на відправку одного байта йде 0,8 мкс і він є хвильовою пакет довжиною близько 150 м-коду.

Тепер ще раз повернемося до малюнку. Щоб робоча станція «А» дізналася, що в процесі передачі мала місце колізія, суперпозиція сигналів, що «зіштовхнулися», повинна досягти її до того, як буде завершена передача. Це накладає обмеження на можливу мінімальну довжину пакетів, що відправляються. Справді, якщо використовувати пакети коротші за довжину кабелю між робочими станціями «А» і «В», можлива ситуація, коли пакет повністю відправлений першою станцією (і вона вже вирішила, що передача пройшла успішно), а він ще навіть не дійшов до другої, і вона має повне право починати передавати свої дані будь-якої миті часу. Неважко переконатися, що уникнути подібних непорозумінь можна лише використовуючи пакети такої довжини, що за їх передачі сигнал встигає добігти до самої віддаленої станції і повернутися назад.

При швидкості передачі в 10 Мбіт/с ця проблема грала істотної ролі і мінімальна довжина кадру обмежена розміром 64 байта. За час їх передачі перші біти встигають пробігти близько 10 км, і для мереж з максимальною довжиною сегмента 500 м. всі необхідні умови виявляються виконаними.

При переході до 100 Мбіт/с довжина мінімального кадру скоротиться у 10 разів. Це значно посилює параметри роботи мережі та максимальна відстань між станціями була скорочена до 100 м.

При швидкості 1000 Мбіт/с 64 байти передаються всього за 0,512 мкс і тому в гігабітних мережах довелося збільшити мінімальну довжину кадру в 8 разів до 512 байт. Якщо даних для заповнення кадру не вистачає, мережний адаптер просто доповнює його спеціальною послідовністю знаків до цієї довжини. Цей прийом називається "розширенням носія".

Вирішуючи проблему виявлення колізій, розширення носія марно витрачає смугу пропускання каналу передачі під час передачі невеликих пакетів. Щоб зменшити вплив цього фактора в гігабітному Ethernet адаптеру дозволено за наявності кількох готових до передачі коротких кадрів формувати їх певним чином один загальний кадр «нормальної» довжини до 1518 байт.

Більше того, було запропоновано допустити використання кадрів більшої довжини, ніж попередні стандарти Ethernet. Ця пропозиція була реалізована у вигляді так званих "jumbo" - кадрів завдовжки до 9018 або навіть більше байт.

IEEE 802.3 визначає кілька різних стандартів фізичного рівня. Кожен із стандартів протоколу фізичного рівня IEEE 802.3 має найменування.

З таблиці видно, що вихідна топологія загальна шина (товстий Ethernet, тонкий Ethernet) досить швидко замінили зірку.

TokenRing (IEEE 802.5)

Мережа Token Ring була представлена ​​фірмою IBM в 1984 р., як частина запропонованого нею способу об'єднати в мережу весь ряд комп'ютерів і комп'ютерних систем, що випускаються. У 1985 році комітет IEEE 802 на основі цієї технології прийняв стандарт IEEE 802.5. Принципова відмінність від Ethernet - детермінований метод доступу до середовища у визначеному порядку. Реалізовано доступ з передачею маркера (застосовується також у мережах ARCnet та FDDI).

Кільцева топологія означає впорядковану передачу інформації від однієї станції на іншу в одному напрямку, строго по порядку включення. Кільцева логічна топологія реалізується на основі фізичної зірки, в центрі якої знаходиться багато станційного пристрою доступу (MSAU - Multi-Station Access Unit).

У будь-який час передачу даних може вести тільки одна станція, що захопила маркер доступа(Token). При передачі даних у заголовку маркера робиться відмітка про зайнятість, і маркер перетворюється на обрамлення початку кадру. Інші станції бітно транслюють кадр від попередньої (upstream) станції до наступної (downstream). Станція, якій адресований поточний кадр, зберігає його копію у своєму буфері для подальшої обробки і транслює його далі по кільцю, зробивши позначку отримання. Таким чином кадр по кільцю досягає передавальної станції, яка видаляє його з кільця (не транслює далі). Коли станція закінчує передачу, вона позначає маркер як вільний і передає далі по кільцю. Час, протягом якого станція має право користуватися маркером, регламентовано. Захоплення маркера складає основі пріоритетів, що призначаються станціям.

Зі зростанням активності вузлів смуга пропускання, що дістається кожному з вузлів, звужується, але обвальної деградації продуктивності (як у Ethernet) немає. Крім того, механізм пріоритетів та обмеження на час володіння маркером дозволяють привілейованим вузлам виділяти гарантовану смугу пропускання незалежно від загального завантаження мережі. Кількість вузлів у одному кільці має перевищувати 260 (сегмент Ethernet теоретично допускає 1024 вузла). Швидкість передачі 16 Мбіт/с, розмір кадру може досягати 18,2 Кбайт.

Граничний час передачі пакету Token-Ring 10 мс. За максимальної кількості абонентів 260 повний цикл роботи кільця складе 260 x 10 мс = 2,6 с. За цей час усі 260 абонентів зможуть передати свої пакети (якщо, звичайно, їм є що передавати). За цей час вільний маркер обов'язково дійде до кожного абонента. Цей же інтервал є верхньою межею часу доступу Token-Ring

Ці чотири пари кабелю UTP категорії 5 утворюють канал, яким зі швидкістю 1000 Мбіт в секунду дані можуть передаватися в обох напрямках. Оскільки максимальна допустима швидкість передачі даних кабелю UTP категорії 5 становить не більше 125 МГц, канал 1000 Base T повинен забезпечувати передачу 8 біт даних у кожен період зміни сигналу (8 нс).

4) Протокол мережного рівня (англ. Network layer) - протокол 3-го рівня мережевої моделі OSI, призначається визначення шляху передачі даних. Відповідає за трансляцію логічних адрес та імен у фізичні, визначення найкоротших маршрутів, комутацію та маршрутизацію, відстеження неполадок та заторів у мережі. На цьому рівні працює такий мережний пристрій, як маршрутизатор.

В межах семантики ієрархічного представлення моделі OSI Мережевий рівень відповідає на запити обслуговування від Транспортного рівня та надсилає запити обслуговування на Канальний рівень.

Протоколи мережного рівня маршрутизують дані від джерела до одержувача і можуть бути поділені на два класи: протоколи із встановленням з'єднання та без нього.

· Протоколи з установкою з'єднання починають передачу даних із виклику або установки маршруту проходження пакетів від джерела до одержувача. Після чого починають послідовну передачу даних і після закінчення передачі розривають зв'язок.

· Протоколи без встановлення з'єднання надсилають дані, що містять повну адресну інформацію в кожному пакеті. Кожен пакет містить адресу відправника та одержувача. Далі кожен проміжний мережевий пристрій зчитує адресну інформацію та приймає рішення про маршрутизацію даних. Лист або пакет даних передається від одного проміжного пристрою до іншого, доки не буде доставлено одержувачу. Протоколи без встановлення з'єднання не гарантують надходження інформації одержувачу у порядку, у якому була відправлено, т.к. різні пакети можуть пройти різними маршрутами. За відновлення порядку даних під час використання мережевих протоколів без встановлення з'єднання відповідають транспортні протоколи.

Функції Мережевого рівня:

· моделі з'єднання: з установкою з'єднання та без встановлення з'єднання

Мережевий рівень моделі OSI може бути як із встановленням з'єднання, так і без нього. Для порівняння – міжмережевий рівень (англ. internet) стека протоколів Моделі DoD (Модель TCP/IP) підтримує тільки протокол IP, який є протоколом без встановлення з'єднання; протоколи із встановленням з'єднання знаходяться на наступних рівнях цієї моделі.

· адреса, присвоєна мережному вузлу

Кожен хост у мережі повинен мати унікальну адресу, яка визначає, де він знаходиться. Ця адреса зазвичай призначається з ієрархічної системи. В Інтернеті адреси відомі як IP-адреси.

· Просування даних

Оскільки багато мереж розділені на підмережі та з'єднуються з іншими мережами широкомовними каналами, мережі використовують спеціальні хости, які називаються шлюзами або роутерами (маршрутизаторами) для доставки пакетів між мережами. Це також використовується в інтересах мобільних програм, коли користувач рухається від однієї програми до іншої, в цьому випадку пакети (повідомлення) повинні слідувати за ним. У протоколі IPv4 така ідея описана, але практично не застосовується. IPv6 містить раціональніше рішення.

ICMP (англ. Internet Control Message Protocol- протокол міжмережевих керуючих повідомлень ) - мережевий протокол, що входить у стек протоколів TCP/IP. В основному ICMP використовується для передачі повідомлень про помилки та інші виняткові ситуації, що виникли при передачі даних, наприклад, запитувана послуга недоступна, або хост, або маршрутизатор не відповідають. Також на ICMP покладаються деякі сервісні функції.

ICMP-повідомлення (тип 12) генеруються при знаходженні помилок у заголовку IP-пакета (за винятком самих ICMP-пакетів, щоб не призвести до нескінченно зростаючого потоку ICMP-повідомлень про ICMP-повідомлення).

ICMP-повідомлення (тип 3) генеруються маршрутизатором за відсутності маршруту до адресата.

Утиліта Ping, що служить для перевірки можливості доставки IP-пакетів, використовує ICMP-повідомлення з типом 8 (відповідь) і 0 (відповідь).

Утиліта Traceroute, що відображає шлях проходження IP-пакетів, використовує ICMP-повідомлення з типом 11.

ICMP-повідомлення типу 5 використовуються маршрутизаторами для оновлення записів у таблиці маршрутизації відправника.

ICMP-повідомлення з типом 4 використовуються одержувачем (або маршрутизатором) для керування швидкістю надсилання повідомлень відправником.

5) Транспортний рівень (англ. Transport layer) - 4-й рівень мережевої моделі OSI, призначений для доставки даних. При цьому не важливо, які дані передаються, звідки і куди, тобто він надає сам механізм передачі. Блоки даних він поділяє на фрагменти, розмір яких залежить від протоколу, короткі поєднує один, а довгі розбиває. Протоколи цього рівня призначені взаємодії типу точка-точка. Приклад: TCP, UDP, SCTP.

Існує безліч класів протоколів транспортного рівня, починаючи від протоколів, що надають лише основні транспортні функції, наприклад, функції передачі даних без підтвердження прийому, і закінчуючи протоколами, які гарантують доставку до пункту призначення декількох пакетів даних у належній послідовності, мультиплексують кілька потоків даних, забезпечують механізм управління потоками даних та гарантують достовірність прийнятих даних.

Деякі протоколи транспортного рівня, які називаються протоколами без встановлення з'єднання, не гарантують, що дані доставляються за призначенням у тому порядку, в якому вони були надіслані пристроєм-джерелом. Деякі транспортні рівні справляються з цим, збираючи дані в потрібній послідовності до їх передачі на сеансовий рівень. Мультиплексування (multiplexing) даних означає, що транспортний рівень здатний одночасно обробляти кілька потоків даних (потоки можуть надходити від різних додатків) між двома системами. Механізм управління потоком даних – це механізм, що дозволяє регулювати кількість даних, що передаються від однієї системи до іншої. Протоколи транспортного рівня часто мають функцію контролю доставки даних, змушуючи систему, що приймає дані, відправляти підтвердження передавальної стороні про прийом даних.

UDP (англ. User Datagram Protocol- протокол користувача датаграм) - один з ключових елементів Transmission Control Protocol/Internet Protocol, набору мережевих протоколів для Інтернету. З UDP комп'ютерні програми можуть надсилати повідомлення (в даному випадку звані датаграм) іншим хостам по IP-мережі без необхідності попереднього повідомлення для встановлення спеціальних каналів передачі або шляхів даних. Протокол був розроблений Девідом П. Рідом у 1980 році та офіційно визначений у RFC 768.

UDP використовує просту модель передачі, без неявних «рукостискань» для забезпечення надійності, упорядкування чи цілісності даних. Таким чином, UDP надає ненадійний сервіс і датаграми можуть прийти не по порядку, дублюватися або зовсім зникнути без сліду. UDP має на увазі, що перевірка помилок і виправлення або не потрібні або повинні виконуватися в додатку. Чутливі до часу програми часто використовують UDP, так як краще скинути пакети, ніж чекати пакети, що затрималися, що може виявитися неможливим в системах реального часу. При необхідності виправлення помилок на мережному рівні інтерфейсу програма може використовувати TCP або SCTP, розроблені для цієї мети.

Природа UDP як протоколу без збереження стану також корисна для серверів, що відповідають на невеликі запити від величезної кількості клієнтів, наприклад DNS і потокові мультимедійні програми типу IPTV, Voice over IP, протоколи тунелювання IP і багато онлайн-ігри.

Минулої статті ми дізналися, . Сьогодні поговоримо про мережевих протоколах.
Протоколи передачі – це те, що уможливлює передачу інформації з використанням правил моделі взаємодії відкритих систем. Кожен із семи рівнів описаної в минулій статті моделі взаємодії відкритих систем обслуговується своїм набором протоколів, або, як ще кажуть, стеком протоколів .

Існує чимало стеків протоколів. Наприклад, у мережах стандарту Ethernet використовується стек TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol – Протокол управління передачею/Протокол Інтернету).

За аналогією з моделлю OSI протоколи також поділяються на низькорівневі і високорівневі : низькорівневі працюють на двох-трьох нижніх рівнях, високорівневі – на найвищих. У цьому низькорівневі протоколи, зазвичай, мають апаратну реалізацію, а високорівневі зазвичай реалізуються програмним шляхом.

На відміну від протоколів нижнього рівня, протоколи вищих рівнів постійно модернізуються або до них додаються нові. Це дозволяє використовувати нові методи обробки та шифрування даних, що відповідають сучасним вимогам безпеки передачі інформації.

Перерахуємо найпоширеніші протоколи для кожного з рівнів моделі OSI:

Протоколи фізичного рівня

Фізично протоколів як таких немає, за винятком модемних. Використовується інше поняття – стандарт. З найвідоміших стандартів можна відзначити X.24, RS-232, EIA-422, RS-485. Прикладами модемних є протоколи V.21, ZyX, PEP.

Протоколи канального рівня

Канальний рівень представлений безліччю протоколів, зокрема ARP, Ethernet, Token Ring, FDDI, X.25, SMT, SNAP, Frame relay, PPP.

Протоколи мережного рівня

Представниками протоколів мережного рівня є такі протоколи, як IPX, IP, DDP, RTMP, CLNP, RARPта ін.

Протоколи транспортного рівня

Транспортний рівень як представник більш інтелектуальних рівнів містить у своєму складі безліч різних протоколів, яскравими представниками яких є протоколи NetBIOS, UDP, TCP, ATP, SPX, SKIP.

Протоколи сеансового рівня

Представниками протоколів сеансового рівня є такі протоколи, як RPC, SSL, WSP. Насправді вони є інтерфейсом – сполучною ланкою між протоколами вищих і нижчих рівнів.

Протоколи рівня вистави

На рівні представлення працюють такі протоколи, як LDAP, XDRта ін. Дії цих протоколів практично повторюють одне одного. Їхнє завдання - організація процесу перетворення даних у той вид, який зрозумілий як джерелу, так і відправнику.

Протоколи прикладного рівня

Прикладний рівень характеризується найбільшою кількістю різноманітних протоколів, їх яскравими представниками є HTTP(протокол передачі гіпертексту), FTP(протокол передачі файлів), SMTP(протокол передачі пошти), X.400, Telnet, SNMP, POP3, IMAP4та ін.

МОДЕМНІ ПРОТОКОЛИ ФІЗИЧНОГО РІВНЯ

Телекомунікації - галузь у світі, що найбільш динамічно розвивається. Актуальність цієї галузі саме для нашої країни через її розміри і традиційні проблеми зі стійкістю і керованістю важко переоцінити. З іншого боку, нерозвиненість, на жаль, сучасних каналів зв'язку не дозволяє повною мірою скористатися світовими досягненнями у сфері високошвидкісних цифрових систем передачі. І тому модеми для комутованих телефонних каналів зв'язку залишаються і, думаю, ще довго залишатимуться найпоширенішим засобом інформаційних комунікацій. До того ж, судячи з ентузіазму, з яким провідні зарубіжні фірми-виробники телекомунікаційного обладнання взялися за розробку та виробництво модемів за новим стандартом V.34, інтерес до модемної тематики не скоро згасне і в благополучніших у сенсі комунікаційної інфраструктури країнах.

У цій статті робиться спроба дати огляд протоколів фізичного рівня та їх параметрів для модемів, що працюють по комутованих та виділених каналах зв'язку тональної частоти (телефонних каналів). Перш ніж розпочати власне огляд, варто зробити кілька зауважень загального характеру щодо прийнятої термінології та принципів роботи модемів. Це дозволить зняти можливі непорозуміння, пов'язані з нечіткістю уявлення широкої публіки про різницю між поняттями бода та біт/с відповідно між модуляційною швидкістю та інформаційною. Крім того, непотрібними будуть відомості про можливі види модуляції, що застосовуються в модемах, а також про дуплексний зв'язок і способи її забезпечення.

Швидкість

Аналогові канали тональної частоти характеризуються тим, що спектр сигналу, що передається по них, обмежений діапазоном від 300 Гц до 3400 Гц. Причини, з яких таке обмеження має місце, нехай залишаться поза рамками цієї статті. Приймемо це як даність. Саме це обмеження спектра є основною перешкодою у використанні телефонних каналів для високошвидкісної передачі цифрової інформації. Людина, знайома з працями Найквіста, безперечно вкаже нам, що швидкість передачі з каналу з обмеженим спектром неспроможна перевищувати ширини цього спектра, т. е. 3100 бод у разі. Але як тоді бути з модемами, що передають інформацію зі швидкостями 4800, 9600, 14400 біт/с і навіть більше? Відповідь напрошується сама: в аналоговій техніці передачі даних бод і біт/с немає одне й те саме. Для прояснення цієї тези варто розглянути уважніше фізичний рівень роботи модему.

Електричний сигнал, що поширюється каналом, характеризується трьома параметрами - амплітудою, частотою і фазою. Саме зміна одного з цих параметрів, або навіть спільно деякої їхньої сукупності залежно від значень інформаційних біт і становить фізичну сутність процесу модуляції. Кожному інформаційному елементу відповідає фіксований відрізок часу, на якому електричний сигнал має певні значення параметрів, що характеризують значення цього інформаційного елемента. Цей час називають бодовим інтервалом. Якщо елемент, що кодується, відповідає одному біту інформації, який може приймати значення 0 або 1, то на бодовому інтервалі параметри сигналу відповідно можуть приймати одну з двох зумовлених сукупностей значень амплітуди, частоти і фази. В цьому випадку модуляційна швидкість (ще її називають лінійною або бодовою) дорівнює інформаційній, тобто 1 бод = 1 біт/с. Але елемент, що кодується, може відповідати не одному, а, наприклад, двом бітам інформації. У цьому випадку інформаційна швидкість вдвічі перевершуватиме бодову, а параметри сигналу на бодовому інтервалі можуть приймати одну з чотирьох сукупностей значень, що відповідають 00, 01, 10 або 11.

У випадку, якщо на бодовом інтервалі кодується n біт, то інформаційна швидкість перевершуватиме бодову в n раз. Але кількість можливих станів сигналу в тривимірному (в загальному випадку) просторі – амплітуда, частота, фаза – дорівнюватиме 2**n. Це означає, що демодулятор модему, отримавши на бодовом інтервалі якийсь сигнал, повинен буде порівняти його з 2**n еталонними сигналами і вибрати один з них для декодування шуканих n біт. Таким чином, зі збільшенням ємності кодування та зростанням інформаційної швидкості щодо бодової, відстань у сигнальному просторі між двома сусідніми точками скорочується у статечній прогресії. А це, у свою чергу, накладає дедалі жорсткіші вимоги до "чистоти" каналу передачі. Теоретично можлива швидкість у реальному каналі визначається відомою формулою Шеннона:

V = F log (1+S/N),

де F – ширина смуги пропускання каналу, S/N – відношення сигнал/шум.

Другий змножувач і визначає можливості каналу з точки зору його зашумленості за достовірною передачею сигналу, що кодує не один біт інформації в інтервалі бодові. Так, наприклад, якщо відношення сигнал/шум відповідає 20 dB, тобто потужність сигналу, що доходить до віддаленого модему, в 100 разів перевищує потужність шуму, і використовується повна смуга каналу тональної частоти (3100 Гц), максимальна межа Шеннону дорівнює 20640 біт/с.

Модуляція

Говорячи про види модуляції, обмежимося лише тими, що реально використовуються в модемах. А таких насправді всього три: частотна, фазоразностна та багатопозиційна амплітудно-фазова модуляція. Решта - не більше, ніж варіації цих трьох.

При частотній модуляції (FSK, Frequency Shift Keying) значенням 0 і 1 інформаційного біта відповідають частоти фізичного сигналу при незмінній його амплітуді. Частотна модуляція дуже перешкодостійка, оскільки спотворення при перешкодах піддається в основному амплітуда сигналу, а не частота. При цьому достовірність демодуляції, а значить і стійкість до перешкод тим вище, чим більше періодів сигналу потрапляє в бодовий інтервал. Але збільшення бодового інтервалу зі зрозумілих причин знижує швидкість передачі. З іншого боку, необхідна для цього виду модуляції ширина спектра сигналу може бути значною мірою всієї смуги каналу. Звідси витікає сфера застосування FSK - низькошвидкісні, але високонадійні стандарти, що дозволяють здійснювати зв'язок на каналах з великими спотвореннями амплітудно-частотної характеристики, або навіть з усіченою смугою пропускання.

При фазоразностной модуляції (DPSK, Differential Phase Shift Keying) змінним залежно від значення інформаційного елемента параметром є фаза сигналу при незмінних амплітуді та частоті. При цьому кожному інформаційному елементу ставиться у відповідність не абсолютне значення фази, а її зміна щодо попереднього значення. Якщо інформаційний елемент є дибітом, то залежно від його значення (00, 01, 10 або 11) фаза сигналу може змінитися на 90, 180, 270 градусів або не змінитися зовсім. З теорії інформації відомо, що фазова модуляція найбільш інформативна, однак збільшення числа біт, що кодуються, вище трьох (8 позицій повороту фази) призводить до різкого зниження завадостійкості. Тому на високих швидкостях застосовуються комбіновані амплітудно-фазові методи модуляції.

Багатопозиційну амплітудно-фазову модуляцію називають ще квадратурною амплітудною модуляцією (QAM, Quadrature Amplitude Modulation). Тут крім зміни фази сигналу використовується маніпуляція його амплітудою, що дозволяє збільшувати число біт, що кодуються. В даний час використовуються модуляції, в яких кількість кодованих на одному бодовому інтервалі інформаційних біт може сягати 8, а, відповідно, кількість позицій сигналу в сигнальному просторі - до 256. Однак, застосування багатоточкової QAM в чистому вигляді стикається з серйозними проблемами, пов'язаними з недостатньою завадостійкістю кодування. Тому у всіх сучасних високошвидкісних протоколах використовується різновид цього виду модуляції, т.з. модуляція з решітчастим кодуванням або треліс-кодуванням (TCM, Trellis Coded Modulation), яка дозволяє підвищити перешкода захищеність передачі інформації - знизити вимоги до відношення сигнал/шум в каналі на величину від 3 до 6 дБ. Суть цього кодування полягає у введенні надмірності. Простір сигналів розширюється вдвічі шляхом додавання до інформаційних біт ще одного, який утворюється за допомогою згорткового кодування над частиною інформаційних біт та введення елементів запізнювання. Розширена таким чином група піддається тій же багатопозиційній амплітудно-фазовій модуляції. У процесі демодуляції прийнятого сигналу проводиться його декодування за дуже витонченим алгоритмом Віттербі, що дозволяє за рахунок введеної надмірності та знання передісторії вибрати за критерієм максимальної правдоподібності сигнального простору найбільш достовірну точку і, тим самим, визначити значення інформаційних біт.

Під дуплексним режимом роботи розуміється можливість передавати інформацію обидві сторони одночасно. Типовий телефонний канал - типовий приклад дуплексного каналу. Він дозволяє Вам говорити щось своєму співрозмовнику в той же час, коли той у свою чергу намагається щось повідомити Вам. Інше питання, чи ви зрозумієте один одного, але це вже Ваші проблеми. Аналогію можна повною мірою віднести і модемного зв'язку. Проблема для модему полягатиме не здатність каналу передавати дуплексну інформацію, а можливості демодулятора модема розпізнати вхідний сигнал і натомість відбитого від апаратури АТС власного вихідного сигналу, який практично стає для модему шумом. При цьому його потужність може бути не тільки порівнянна, але в більшості випадків значно перевершувати потужність корисного сигналу, що приймається. Тому, чи можуть модеми передавати інформацію одночасно в обидві сторони визначається можливостями протоколу фізичного рівня.

Які ж засоби забезпечення дуплексу? Найочевидніший спосіб, що не вимагає від розробників модемів особливої ​​фантазії, зате вимагає від телефонної мережі можливості підключення до чотирипровідного закінчення, випливає зі згаданої можливості. Якщо така можливість є, то у цьому випадку кожна пара використовується для передачі інформації лише в одному напрямку.

Якщо необхідно забезпечувати дуплекс під час роботи з двопровідної лінії, то доводиться використовувати інші способи. Одним із них є частотний поділ каналів. Вся смуга пропускання каналу поділяється на два частотні підканали, по кожному з яких проводиться передача в одному напрямку. Вибір подканала передачі складає етапі установки з'єднання і, зазвичай, однозначно пов'язані з роллю модему в сеансі зв'язку: що викликає чи відповідальний. Очевидно, що цей метод не дозволяє використовувати можливості каналу в повному обсязі через значне звуження смуги пропускання. Тим більше, що для виключення проникнення бічних гармонік у сусідній підканал, розносити їх доводиться зі значним "зазором", внаслідок чого частотні підканали займають не половину повного спектра. Відповідно (див. формулу Шеннона), даний спосіб забезпечення дуплексного зв'язку обмежує швидкість передачі. Існуючі протоколи фізичного рівня, що використовують частотний поділ каналів, забезпечують симетричний дуплексний зв'язок зі швидкостями, що не перевищують 2400 біт/с.

Застереження про симетричний дуплекс не випадкове. Справа в тому, що ряд протоколів забезпечують і більш швидкісний зв'язок, але в одному напрямку, тоді як зворотний канал – значно повільніший. Поділ частот у разі здійснюється на нерівні по ширині смуги пропускання подканали. Цей різновид дуплексного зв'язку називається асиметричним.

Іншим методом забезпечення симетричного дуплексу, що використовується у всіх високошвидкісних протоколах, є технологія ехо-пригнічення (ехо-компенсації). Суть її полягає в тому, що модеми, володіючи інформацією про власний вихідний сигнал, можуть використовувати це знання для фільтрації власного "рукотворного" шуму прийнятого сигналу. На етапі входження у зв'язок кожен модем, посилаючи якийсь зондуючий сигнал, визначає параметри відлуння ехо: час запізнення і потужність відбитого сигналу. А в процесі сеансу зв'язку ехо-компенсатор модему "віднімає" з вхідного сигналу, що приймається, свій власний вихідний сигнал, скоригований відповідно до отриманих параметрів ехо-відображення. Ця технологія дозволяє використовувати для дуплексної передачі всю ширину смуги пропускання каналу, проте вимагає при реалізації дуже серйозних обчислювальних ресурсів на сигнальну обробку.

Зрештою, варто зазначити, що багато протоколів і не намагаються забезпечити дуплексний зв'язок. Це так звані напівдуплексні протоколи. Зокрема, всі протоколи, призначені для факсимільного зв'язку – напівдуплексні. І тут у кожний момент часу інформація передається лише у одну сторону. Після закінчення прийому/передачі деякої порції інформації обидва модеми (факсу) синхронно перемикають напрямок передачі даних (ping-pong). Зважаючи на відсутність проблем із взаємним проникненням підканалів передачі, а також з ехо-відбиттям, напівдуплексні протоколи в загальному випадку характеризуються більшою завадостійкістю та можливістю використання всієї ширини смуги пропускання каналу. Проте ефективність використання каналу передачі даних порівняно з дуплексними протоколами нижче. Пов'язано це насамперед про те, що майже всі протоколи передачі, як канального рівня (MNP, V.42), і рівня передачі файлів (X, Y, Zmodem, а про протоколах типу BiDirectional), вимагають двостороннього обміну, принаймні на підтвердження прийнятої інформації. А будь-яке перемикання напрямку передачі, крім неможливості в даний момент передавати чергову порцію інформації, вимагає додаткових накладних витрат за часом на взаємну пересинхронізацію приймальної та передавальної сторін.

Загальновживані модемні протоколи ITU-T

Це дуплексний протокол із частотним поділом каналів та частотною ж модуляцією FSK. На нижньому каналі (його зазвичай використовує передачі викликає модем) "1" передається частотою 980 Гц, а "0" - 1180 Гц. На верхньому каналі (передає відповідальний) "1" передається частотою 1650 Гц, а "0" - 1850 Гц. Модуляційна та інформаційна швидкості рівні – 300 бод, 300 біт/с. Незважаючи на невисоку швидкість, даний протокол знаходить застосування насамперед як "аварійний", при неможливості внаслідок високого рівня перешкод використовувати інші протоколи фізичного рівня. Крім того, зважаючи на свою невибагливість і завадостійкість, він використовується в спеціальних високорівневих додатках, що вимагають високої надійності передачі. Наприклад, при встановленні з'єднання між модемами за новою Рекомендацією V.8, або передачі керуючих команд при факсимільного зв'язку (верхній канал).

Це дуплексний протокол із частотним поділом каналів та модуляцією DPSK. Несуча частота нижнього каналу (передає викликає Гц, верхнього (передає відповідає Гц. Модуляційна швидкість - 600 бод. Має режими двопозиційної (кодується біт) і чотирипозиційної (дибіт) фазоразностної модуляції з фазовою відстанню між точками, відповідно, 180 і 9). швидкість може бути 600 або 1200 біт / с.Цей протокол фактично поглинений протоколом V.22bis.

Це дуплексний протокол із частотним поділом каналів та модуляцією QAM. Несуча частота нижнього каналу (передає зухвалий Гц, верхнього - 2400 Гц. Модуляційна швидкість - 600 бод. Має режими чотирипозиційної (кодується дибіт) і шістнадцятипозиційної (кодується квадробіт) квадратурної амплітудної модуляції. Відповідно000 0 1200 біт/с повністю сумісний з V.22, незважаючи на інший тип модуляції Справа в тому, що перші два біти в режимі 16-QAM (квадробіт) визначають зміну фазового квадранта щодо попереднього сигнального елемента і тому за амплітуду не відповідають, а останні два біти визначають положення сигнального елемента всередині квадранта з варіацією амплітуди.Таким чином, DPSK можна розглядати як окремий випадок QAM, де два останні біти не змінюють своїх значень. в тому числі і з однаковою амплітудою.Протокол V.22bis є стандартом де-факто для всіх середньошвидкісних модемів.

Це дуплексний протокол з ехо-придушенням та квадратурною амплітудною модуляцією або модуляцією з ґратчастим кодуванням. Частота несучого сигналу – 1800 Гц, модуляційна швидкість – 2400 бод. Таким чином, використовується спектр завширшки від 600 до 3000 Гц. Має режими двопозиційної (біт), чотирипозиційної (дибіт) та шістнадцятипозиційної (квадробіт) QAM. Відповідно, інформаційна швидкість може бути 2400, 4800 та 9600 біт/с. Крім того, для швидкості 9600 біт/с має місце альтернативна модуляція – 32-позиційна TCM.

Це дуплексний протокол з ехо-придушенням та модуляцією TCM. Використовуються ті ж, що в V.32, частота несучого сигналу - 1800 Гц, і модуляційна швидкість - 2400 бод. Має режими 16-TCM, 32-TCM, 64-TCM та 128-TCM. Відповідно, інформаційна швидкість може бути 7200, 9600, 12000 та 14400 біт/с. Режим 32-TCM повністю сумісний із відповідним режимом V.32. Протокол V.32bis є стандартом де-факто всім швидкісних модемів.

Екзотичні модемні протоколи ITU-T

Це напівдуплексний протокол із частотною модуляцією FSK. У ньому є два швидкісні режими: 600 біт/с і 1200 біт/с. Модуляційна та інформаційна швидкості рівні: відповідно, 600 та 1200 бод. В обох режимах "1" передається частотою 1300 Гц. У режимі 600 біт/с "0" передається частотою 1700 Гц, а режимі 1200 біт/с - частотою 2100 Гц. Реалізація протоколу опціонально може включати зворотний канал, що працює на швидкості 75 біт/с, що перетворює протокол на дуплексний асиметричний. Частота передачі "1" у зворотному каналі – 390 Гц, "0" – 450 Гц. Цей протокол практично вийшов із застосування як стандартного протоколу міжмодемного зв'язку, і далеко не всякий стандартний модем їм оснащений. Однак, він служив і досі залишається базовим для реалізації нестандартних модемів, що набули широкого поширення в нашій країні (типу LEXAND). Мабуть, завдяки простоті, високої стійкості до перешкод і пристойної (у порівнянні з V.21) швидкості. Крім того, у низці європейських країн цей протокол застосовується в інформаційній системі Videotex.

V.26, V.26bis, V.26ter

Ці три протоколи поєднує тип модуляції – DPSK, частота несучої – 1800 Гц та модуляційна швидкість – 1200 бод. Різниця між ними полягає у можливості та способах забезпечення дуплексного зв'язку та в інформаційній швидкості. V.26 забезпечує дуплекс тільки по чотирипровідній виділеній лінії, V.26bis - це напівдуплексний протокол, призначений для роботи по двопровідній комутованої лінії, а V.26ter забезпечує повний дуплекс за допомогою технології ехо-придушення. Крім того, перші два протоколи можуть бути асиметричними дуплексними, опціонально включаючи зворотний канал, що працює на швидкості 75 біт/с відповідно до V.23. Всі три протоколи забезпечують швидкість передачі інформації 2400 біт/с за допомогою 4-позиційної (дибіт) DPSK. V.26bis та V.26ter, крім того, мають режим двопозиційної (біт) DPSK, забезпечуючи швидкість 1200 біт/с.

У цьому протоколі використовується модуляція з ґратчастим кодуванням TCM. Він призначений для забезпечення дуплексного зв'язку на чотирипровідних виділених каналах. Має частоту несучого сигналу 1800 Гц і модуляційну швидкість 2400 бод. Працює в режимах 64-TCM та 128-TCM. Відповідно, інформаційна швидкість може бути 12000 та 14400 біт/с. Цей протокол дуже нагадує V.32bis без луна. Більш того, якщо модем з протоколом V.33 встановити на чотирипровідне закінчення до диференціальної системи АТС, він цілком зможе зв'язатися з віддаленим модемом V.32bis, встановленим на двопровідній лінії.

Загальновживані факс-протоколи ITU-T

У цьому протоколі застосовується фазорозносна модуляція з частотою несучого сигналу 1800 Гц. Можуть використовуватися два режими з різними інформаційними швидкостями: 2400 та 4800 біт/с. Інформаційна швидкість 2400 біт/с досягається модуляційною швидкістю 1200 бод та кодуванням дибіту (4-позиційний DPSK), а 4800 біт/с - швидкістю 1600 бод та кодуванням трибіта (8-позиційний DPSK). Варто відзначити, що існують ще маловживані модемні протоколи даного сімейства - V.27 і V.27bis, які відрізняються від V.27ter, головним чином типом каналу (виділений чотирипровідний), для якого вони призначені.

У цьому протоколі застосовується квадратурна амплітудна модуляція. Частота несучого сигналу – 1700 Гц, модуляційна швидкість – 2400 бод. Має режими 8-позиційної (трибіт) та 16-позиційної (квадробіт) QAM. Відповідно, інформаційна швидкість може бути 7200 та 9600 біт/с.

Цей протокол за своїми параметрами нагадує V.32bis. У ньому використовується модуляція з ґратчастим кодуванням. Частота несучого сигналу - 1800 Гц, і модуляційна швидкість - 2400 бод. Має режими 16-TCM, 32-TCM, 64-TCM та 128-TCM. Відповідно, інформаційна швидкість може бути 7200, 9600, 12000 та 14400 біт/с.

Нестандартні модемні протоколи

Цей протокол, розроблений фірмою AT&T, є відкритим реалізації розробниками модемів. Зокрема, крім БІС фірми AT&T, цей протокол реалізований у деяких модемах фірми U. S. Robotics. Протокол фактично є механічним розвитком технології V.32bis: дуплекс з ехо-придушенням, модуляція з решітчастим кодуванням, модуляційна швидкість - 2400 бод, що несе - 1800 Гц, розширення інформаційних швидкостей значеннями 16800 і 19200 біт/с-2 TCM. Наслідком такого підходу є дуже жорсткі вимоги, які пред'являються даним протоколом до лінії. Так, наприклад, для стійкої роботи на швидкості 19200 біт/с відношення сигнал/шум має бути не менше ніж 30 dB.

Протокол розроблений фірмою ZyXEL Communications Corporation і реалізований у власних модемах. Цей протокол також, як і V.32terbo, розширює V.32bis значеннями інформаційних швидкостей 16800 і 19200 біт/с із збереженням технології ехо-придушення, модуляції з треліс-кодуванням та несучою 1800 Гц. Модуляційна швидкість 2400 бод зберігається лише на 16800 біт/с. Швидкість 19200 біт/с забезпечується підвищенням модуляційної швидкості до 2743 бод за збереження режиму модуляції 256-TCM для обох швидкостей. Таке рішення дозволяє знизити вимогу щодо сигнал/шум на лінії на 2.4 dB, однак розширення смуги пропускання може негативно позначатися при великих спотвореннях амплітудно-частотної характеристики каналу.

Протокол HST (High Speed ​​Technology) розроблений фірмою U. S. Robotics та реалізований у модемах фірми серії Courier. Це асиметричний дуплексний протокол із частотним поділом каналів. Зворотний канал має режими 300 та 450 біт/с. Основний канал - 4800, 7200, 9600, 12000, 14400 та 16800 біт/с. Застосовується модуляція з ґратчастим кодуванням та модуляційною швидкістю 2400 бод. Характеризується порівняльною простотою і високою завадостійкістю внаслідок відсутності необхідності в ехо-компенсації та відсутності взаємовпливу каналів.

Напівдуплексні протоколи сімейства PEP (Packetized Ensemble Protocol) розроблені фірмою Telebit та реалізовані в модемах фірми серій TrailBlazer (PEP) та WorldBlazer (TurboPEP). У цих протоколах принципово іншим чином використовується вся смуга пропускання каналу тональної частоти для високошвидкісної передачі. Весь канал розбивається на безліч вузькосмугових частотних підканалів, по кожному з яких передається своя порція біт із загального потоку інформації. Такі протоколи називають багатоканальними, або паралельними, або протоколами з безліччю несучих (multicarrier). У протоколі PEP канал розбивається на 511 підканалів. У кожному підканалі шириною близько 6 Гц з модуляційною швидкістю від 2 до 6 бод за допомогою амплітудної квадратурної модуляції кодуються від 2 до 6 біт на бод. Є кілька ступенів свободи для забезпечення максимальної пропускної спроможності кожного конкретного каналу, що має свої характеристики щодо спотворень і завадової обстановки. У процесі установки з'єднання кожен частотний підканал незалежно тестується та визначається можливість його використання, а також параметри: модуляційна швидкість підканала та число позицій модуляції. Максимальна швидкість передачі протоколу PEP може досягати 19200 біт/с. У процесі сеансу при погіршенні перешкоди параметри підканалів можуть змінюватися, а деякі підканали - відключатися. У цьому декремент зниження швидкості вбирається у 100 біт/с. Протокол TurboPEP за рахунок збільшення числа підканалів, а також кількості біт, що кодуються на одному бодовому інтервалі, може досягати швидкості 23000 біт/с. Крім того, у протоколі TurboPEP застосовується модуляція з треліс-кодуванням, що збільшує перешкодостійкість протоколу.

Основними перевагами цих протоколів є слабка чутливість до спотворень амплітудно-частотної характеристики каналу та значно менша чутливість до імпульсних перешкод у порівнянні з традиційними протоколами. Якщо перше не викликає питань, то щодо імпульсних перешкод потрібні деякі коментарі. Справа в тому, що хоча імпульсна перешкода "б'є" практично по всій ширині спектра, тобто по всіх підканалах, але у зв'язку зі значно більшою тривалістю сигналу в порівнянні з традиційними протоколами (6 бод проти 2400), спотворена перешкодою частка сигналу багато менше, що дозволяє у ряді випадків нормально його демодулювати. І останнє, що варто відзначити, це те, що в ряді країн протоколи цього типу заборонені для використання на телефонних каналах, що комутуються. Можливо тому, що багатоканальні протоколи дозволяють успішно працювати навіть на лініях, на яких ретивими каналізаторами встановлені режекторні фільтри (для того, мабуть, щоб позбавити клієнтів, які в чомусь завинили, можливості використовувати телефонні канали для передачі даних за допомогою стандартних модемів) .

І на останок

Практично повна відсутність згадки про останні досягнення в області надшвидкісної передачі даних по телефонних каналах - проекти V. fast різних фірм, V. FC фірми Rockwell International і, нарешті, Рекомендація V.34 ITU-T - в огляді модемних протоколів фізичного рівня може здатися викликаючим . Однак, якщо тільки злегка торкнутися теми V.34, з'ясується, що це не просто черговий крок на шляху збільшення швидкості модемного зв'язку, а величезний революційний прорив у прагненні вибрати всі резерви каналу тональної частоти. Прорив, певним чином, у світогляді, що демонструє загальносистемний підхід до проблеми, що спирається на різкий технологічний стрибок в інструментальних засобах, що дозволяє наблизитися максимально близько до теоретичної межі Шеннона. І тому ця тема варта окремої статті...

Олександр Пасковатий, "Аналітик-ТелекомСистеми"

Фізичний рівень:

• передача бітів по фізичним каналам ;
• формування електричних сигналів ;
• кодування інформації;
• синхронізація;
• модуляція.

Реалізується апаратно.

Функції фізичного рівняреалізуються у всіх пристроях, підключених до мережі. З боку комп'ютера функції фізичного рівнявиконуються мережним адаптеромабо послідовним портом.

Приклад протоколу фізичного рівняможе служити специфікація 10Base -T технології Ethernet, яка визначає як використовуваний кабель неекрановану кручену пару категорії 3 з хвильовим опором 100 Ом, роз'єм RJ-45 , максимальну довжину фізичного сегмента 100 метрів, манчестерський коддля представлення даних у кабелі, а також деякі інші характеристики середовища та електричних сигналів.

Канальний рівень

На фізичному рівніпросто пересилаються біти. У цьому не враховується, що у мережах, у яких лінії зв'язку використовуються (поділяються) поперемінно кількома парами взаємодіючих комп'ютерів, фізичне середовище передачі то, можливо зайнята. Тому одним із завдань канального рівня(Data Link layer) є перевірка доступності середовища передачі. Інше завдання канального рівня- реалізація механізмів виявлення та корекції помилок. Для цього на канальному рівні- біти групуються в набори, які називають кадрами ( frames). Канальний рівеньзабезпечує коректність передачі кожного кадру поміщаючи спеціальну послідовність біт на початок і кінець кожного кадру , для його виділення, а також обчислює контрольну суму, обробляючи всі байти кадру певним способом, і додає контрольну сумудо кадру. Коли кадр приходить через мережу, одержувач знову обчислює контрольну сумуотриманих даних і порівнює результат з контрольною сумоюз кадру. Якщо вони збігаються, кадр вважається правильним та приймається. Якщо ж контрольні сумине збігаються, то фіксується помилка. Канальний рівеньможе не тільки виявляти помилки, але й виправляти їх за рахунок повторної передачі пошкоджених кадрів. Необхідно відзначити, що функція виправлення помилок для канального рівняне є обов'язковою, тому в деяких протоколах цього рівня вона відсутня, наприклад Ethernet і frame relay .

Функції канального рівня

Надійна доставка пакету:

1. Між двома сусідніми станціями у мережі із довільною топологією.
2. Між будь-якими станціями в мережі з типовою топологією:
   • перевірка доступності розподіленого середовища;
   • виділення кадрів із потоку даних, що надходять по мережі; формування кадрів при надсиланні даних;
   • підрахунок та перевірка контрольної суми.

Реалізуються програмно-апаратно.

У протоколах канального рівня, що використовуються в локальних мережах, закладено певну структуру зв'язків між комп'ютерами та способи їх адресації. Хоча канальний рівеньі забезпечує доставку кадру між будь-якими двома вузлами локальної мережі, він це робить тільки в мережі з певною топологією зв'язків, саме тією топологією, на яку він був розроблений. До таких типових топологій, що підтримуються протоколами канального рівнялокальних мереж відносяться "загальна шина", "кільце" і "зірка", а також структури, отримані з них за допомогою мостів та комутаторів. Прикладами протоколів канального рівняє протоколи Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

У локальних мережах протоколи канального рівнявикористовуються комп'ютерами, мостами, комутаторами та маршрутизаторами. У комп'ютерах функції канального рівняреалізуються спільними зусиллями мережевих адаптерівта їх драйверів.

У глобальних мережах, які рідко мають регулярну топологію, канальний рівеньчасто забезпечує обмін повідомленнямилише між двома сусідніми комп'ютерами, з'єднаними індивідуальною лінією зв'язку. Прикладами протоколів "точка-точка" (як часто називають такі протоколи) можуть бути поширені протоколи PPP і LAP -B. У разі для доставки повідомлень між кінцевими вузлами через мережу використовуються засоби мережного рівня . Саме так організовані мережі X.25. Іноді у глобальних мережах функції канального рівняв чистому вигляді виділити важко, тому що в тому самому протоколі вони поєднуються з функціями мережевого рівня . Прикладами такого підходу можуть бути протоколи технологій ATM і frame relay .

В цілому канальний рівеньявляє собою дуже потужний набір функцій надсилання повідомленьміж вузлами мережі. У деяких випадках протоколи канального рівнявиявляються самодостатніми транспортними засобами, і тоді поверх них можуть працювати безпосередньо протоколи прикладного рівня або програми, без залучення засобів мережного та транспортного рівнів. Наприклад, існує реалізація протоколу управліннямережею SNMP безпосередньо поверх Ethernet, хоча стандартно цей протокол працює поверх мережевого протоколу IP і транспортного протоколу UDP. Природно, що застосування такої реалізації буде обмеженим - вона не підходить для складових мереж різних технологій, наприклад, Ethernet і X.25, і навіть для такої мережі, в якій у всіх сегментах застосовується Ethernet, але між сегментами існують петлеподібні зв'язки. А ось у двосегментній мережі Ethernet, об'єднаній мостом, реалізація SNMP над канальним рівнембуде цілком працездатною.

Тим не менш, для забезпечення якісної транспортуванняповідомлень у мережах будь-яких топологій та технологій функцій канального рівнявиявляється недостатньо, тому в моделі OSI вирішення цього завдання покладається на два наступні рівні - мережний та транспортний.