コンピュータネットワークリンク層

データリンク層サービス

用語

• ホストとルーター：ノード
• 隣接ノードを接続する通信チャネル：リンク
  • 有線リンク
  • 無線リンク
  • ローカルエリアネットワーク（LAN）
• リンクレイヤー（レイヤー2）データパケット：フレーム、カプセル化ネットワークレイヤーデータグラム

データリンク層は、あるノードから別の物理リンクに直接接続されている隣接ノードに、1つのリンクを介してデータグラムを送信する役割を果たします。

リンク層サービス

• フレーミング
  • カプセル化されたデータグラムがデータフレームを形成し、ヘッダーとトレーラーを追加
  • フレーム同期
• リンクアクセス
  • 共有メディアの場合、チャネルアクセスを解決する必要があります
  • フレームの送信元と宛先を識別するために使用される、フレームヘッダーの「MAC」アドレス
  • IPアドレスと違う！
• 隣接ノード間の信頼できる配信
  • ビットエラーレートの低い有線リンク（光ファイバー、一部のツイストペアなど）ではほとんど使用されません。
  • ワイヤレスリンク：信頼性の高い配信を必要とする高いビットエラーレート
• フロー制御
  • 隣接する送信ノードのペーシングと受信
• エラー検出
  • 信号の減衰とノイズによりエラーが発生する可能性があります。
  • 受信側がエラーを検出しました：
    • 送信者に直接フレームを再送信またはドロップするよう通知する
• エラー訂正
  • 受信機はビットエラーを直接修正します
• 全二重および半二重通信制御
  • 全二重：リンクの両端のノードは、双方向で同時に送信されます。
  • 半二重：リンクの両端にあるノードの代替双方向伝送

リンク層の特定の実装

• 各ホストまたはルーターインターフェイス
• リンク層は、「アダプター」（つまり、ネットワークインターフェイスカードNIC）またはチップに実装されています。
  • イーサネットネットワークカード、802.11ネットワークカード、イーサネットチップセット
  • リンク層と物理層を実装する
• ホストに接続されたシステムバス
• ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアで構成

ネットワークカード間の通信

エラーコーディング

パリティコード

インターネットチェックサム

巡回冗長検査コード（CRC）

• より強力なエラー検出機能を備えたエラーコーディング
• データビットDを2進数として扱う
• r + 1ビットのビットパターンを選択（ビットパターンを生成）、G
• 目標：CRCビットRを選択し、Rを満たす
  • <D、R>はたまたまGで割り切れる（2を法とする）
  • 受信側でのエラー検出：Gを使用して<D、R>を除算し、残りはすべて0、エラーなし、それ以外の場合はエラーがあります。
  • バースト長がr + 1ビット未満のすべてのエラーを検出できます。
• 実際のネットワークで広く使用されています（イーサネット、802.11 WiFi、ATM）

複数アクセス制御（MAC）

• 単一の共有ブロードキャストチャネル
• 2つ以上のノードの同時送信：干渉
  • 紛争
    • ノードが2つ以上の信号を同時に受信する→受信に失敗しました！
• 複数アクセス制御プロトコル
• 分散アルゴリズムを使用して、ノードがチャネルを共有する方法、つまりノードがデータを送信できるタイミングを決定します
• 通信チャネルは、チャネル自体に基づいて調整情報を共有する必要があります！
  • 調整のための帯域外チャネルはありません

理想的なMACプロトコル

MACプロトコルの分類

• 3つのカテゴリ：
• チャネル分割（チャネル分割）MACプロトコル
  • 多重化
  • TDMA、FDMA、CDMA、WDMA等
• ランダムアクセス（ランダムアクセス）MACプロトコル
  • チャネルは分割されず、競合が許可されます
  • 競合の「回復」メカニズムを使用する
• 「交代」MACプロトコル
  • ノードは順番にチャネルを使用します

チャネル分割MACプロトコル：TDMA

• TDMA：時分割多重アクセス
• 「定期的」アクセスチャネル
• 各ステーションは各サイクルで固定長のタイムスロットを占有します（例：長さ=パケット送信時間）
• 未使用のタイムスロットアイドル（アイドル）
• 例：6サイトLAN、1、3、4送信パケット、2、5、6アイドル

チャネル分割MACプロトコル：FDMA

• FDMA：周波数分割多元接続
• チャネルスペクトルは周波数帯域に分割されます
• 各ステーションには固定周波数帯域が割り当てられています
• 送信帯域アイドルなし
• たとえば、6つのサイトLAN、1、3、4つの周波数帯域がデータを送信し、2、5、6つの周波数帯域がアイドル状態です。

ランダムアクセスMACプロトコル

• ノードがパケットを送信する場合：
  • フルチャネルのデータレートRを使用してパケットを送信する
  • ノード間の事前の調整なし
• 2つ以上のノードが同時に送信：➜「衝突」
• ランダムアクセスMACプロトコルを定義する必要があります。
  • 競合を検出する方法
  • 競合から回復する方法（たとえば、再送の遅延による）
• 一般的なランダムアクセスMACプロトコル：
  • スロット付きアロハ
  • アロハ
  • CSMA、CSMA / CD、CSMA / CA

スロット付きALOHAプロトコル

CSMAプロトコル

• キャリアセンスマルチアクセスプロトコルCSMA（キャリアセンスマルチアクセス）
• フレームを送信する前に、チャネル（キャリア）を監視します。
  • チャネルアイドル：フレーム全体を送信
  • チャネルビジー：送信を延期
  • 1-CSMAに固執する
  • 非付着性CSMA
  • PスティックCSMA
• それでも競合が発生する可能性があります：信号伝搬遅延

CSMA / CDプロトコル

CSMA / CDの効率

MACプロトコルへのローテーションアクセス

• チャネル分割MACプロトコル：
  • ネットワーク負荷が高い場合、共有チャネルは効率的で公平です
  • ネットワーク負荷が軽い場合、共有チャネルの効率は低くなります。
• ランダムアクセスMACプロトコル：
  • ネットワーク負荷が軽い場合、共有チャネルの効率は高く、単一のノードがチャネルの全帯域幅を使用できます
  • ネットワーク負荷が高い場合、競合オーバーヘッドが発生します
• MACプロトコルへのローテーションアクセス：両方の長所を組み合わせます！

投票：

• マスターノードは順番にスレーブノードを「招待」してデータを送信します
• 典型的なアプリケーション：「ダム」スレーブデバイス

トークンの引き渡し：

• 制御トークンは、あるノードから次のノードに順番に渡されます。
• トークン：特別なフレーム

MACプロトコルの概要

• チャネル分割MACプロトコル：時間、周波数帯域、チップ分割
  • TDMA、FDMA、CDMA
• ランダムアクセスMACプロトコル：
  • アロハ、S-アロハ、CSMA、CSMA / CD
  • イーサネットに適用されたCSMA / CD
  • CSMA / CAアプリケーション802.11ワイヤレスLAN
• MACプロトコルへのローテーションアクセス：
  • メインノードのポーリング、トークンの受け渡し
  • Bluetooth、FDDI、トークンリングネットワーク