データリンク層

データリンク層、またはレイヤー2は、コンピュータネットワークの7層OSIモデルの2番目の層です。この層は、物理層を介してネットワークセグメント上のノード間でデータを転送するプロトコル層です。^{[2]データリンク層は、ネットワークエンティティ間でデータを}転送するための機能的および手順的な手段を提供し、物理層で発生する可能性のあるエラーを検出して修正する手段も提供します。

データリンク層は、ネットワークの同じレベルにあるノード間のフレームのローカル配信に関係します。これらのプロトコル データ ユニットはデータリンク フレームと呼ばれ、ローカル エリア ネットワークの境界を越えません。ネットワーク間ルーティングとグローバル アドレス指定は上位層の機能であり、データリンク プロトコルがローカル配信、アドレス指定、およびメディアの調停に集中できるようにします。このように、データリンク層は近所の交通警官に似ています。最終的な宛先を気にすることなく、メディアへのアクセスを争う当事者間の調停に努めます。デバイスが同時にメディアを使用しようとすると、フレームの衝突が発生します。データリンク プロトコルは、デバイスがこのような衝突を検出して回復する方法を指定し、衝突を軽減または防止するメカニズムを提供する場合があります。

データ リンク プロトコルの例としては、イーサネット、IEEE 802.11 WiFi プロトコル、ATM、フレーム リレーなどがあります。インターネット プロトコル スイート(TCP/IP) では、データ リンク層機能は、物理インフラストラクチャとは独立していると想定される記述モデルの最下位層 であるリンク層に含まれています。

データ リンクは、物理リンクに接続されたホスト間でデータ フレームを転送します。OSI ネットワーク アーキテクチャのセマンティクスの範囲内で、データ リンク層のプロトコルはネットワーク層からのサービス要求に応答し、物理層にサービス要求を発行することで機能を実行します。その転送は信頼できる場合も信頼できない場合もあります。多くのデータ リンク プロトコルには、フレームの受信と受け入れが成功したという確認応答がなく、一部のデータ リンク プロトコルでは、送信エラーのチェックすら実行されない場合があります。このような場合、より高レベルのプロトコルでフロー制御、エラー チェック、確認応答、再送信を行う必要があります。

フレーム ヘッダーには、フレームを発信したデバイスと、フレームを受信して​​処理することが予想されるデバイスを示す送信元アドレスと宛先アドレスが含まれています。ネットワーク層の階層型でルーティング可能なアドレスとは対照的に、レイヤー 2 アドレスはフラットです。つまり、アドレスのどの部分も、アドレスが属する論理グループまたは物理グループを識別するために使用することはできません。

IEEE 802ローカル エリア ネットワークなどの一部のネットワークでは、データ リンク層は、メディア アクセス制御(MAC) サブ層と論理リンク制御(LLC) サブ層でより詳細に記述されます。つまり、IEEE 802.2 LLC プロトコルは、イーサネット、トークン リング、IEEE 802.11などのすべての IEEE 802 MAC 層、およびFDDIなどの一部の非 802 MAC 層で使用できます。HDLCなどの他のデータ リンク層プロトコルは、両方のサブ層を含むように指定されていますが、 Cisco HDLCなどの他の一部のプロトコルは、HDLC の低レベル フレーミングを MAC 層として使用し、別の LLC 層と組み合わせています。既存の家庭内配線（電力線、電話線、同軸ケーブル）を使用して高速（最大 1 ギガビット/秒）のローカル エリア ネットワークを作成する方法を提供するITU-T G.hn標準では、データ リンク層が 3 つのサブ層（アプリケーション プロトコル コンバージェンス、論理リンク制御、メディア アクセス制御）に分割されています。

データリンク層は、 論理リンク制御（LLC）とメディアアクセス制御（MAC）の2つのサブ層に分かれることが多い。^[3]

最上位のサブレイヤーである LLC は、データ リンク レイヤーの最上位で実行されるプロトコルを多重化し、オプションでフロー制御、確認応答、およびエラー通知を提供します。 LLC は、データ リンクのアドレス指定と制御を提供します。 LLC は、伝送媒体上のステーションのアドレス指定と、発信元と受信側のマシン間で交換されるデータの制御に使用するメカニズムを指定します。

MAC は、ある時点で誰がメディアにアクセスできるかを決定するサブレイヤーを指す場合があります (例: CSMA/CD )。また、内部のMAC アドレスに基づいて配信されるフレーム構造を指す場合もあります。

メディア アクセス制御には、一般的に分散型と集中型の 2 つの形式があります。^[4]これらは両方とも、人と人との間のコミュニケーションに例えることができます。話している人々で構成されるネットワーク、つまり会話では、各人がランダムな時間だけ一時停止してから再び話そうとします。これは、事実上、「いいえ、あなたが先に」と言う長くて複雑なゲームを確立することになります。

メディア アクセス制御サブレイヤーは、フレーム同期も実行します。フレーム同期は、送信ビットストリーム内の各データ フレームの開始と終了を決定します。フレーム同期には、タイミング ベースの検出、文字カウント、バイト スタッフィング、ビット スタッフィングのいずれかの方法が使用されます。

• 時間ベースのアプローチでは、フレーム間に指定された時間量が想定されます。
• 文字カウントは、フレーム ヘッダー内の残りの文字数を追跡します。ただし、このフィールドが破損していると、この方法は簡単に妨害されます。
• バイト スタッフィングでは、フレームの前にDLE STXなどの特別なバイト シーケンスが挿入され、その後に DLE ETXが挿入されます。DLE (バイト値 0x10) が出現した場合は、別の DLE でエスケープする必要があります。開始マークと停止マークは受信側で検出され、挿入された DLE 文字とともに削除されます。
• 同様に、ビット スタッフィングでは、これらの開始マークと終了マークを、特別なビット パターン (0、6 つの 1 ビット、および 0 など) で構成されるフラグに置き換えます。送信されるデータ内でこのビット パターンが発生するのを防ぐため、ビットを挿入します。フラグが 01111110 の例を使用すると、データ ストリーム内で 5 つの連続した 1 の後に 0 が挿入されます。フラグと挿入された 0 は、受信側で削除されます。これにより、任意の長いフレームが可能になり、受信側で簡単に同期できるようになります。後続のデータ ビットが 0 であっても、同期シーケンスと間違われることのないスタッフィング ビットが追加されるため、受信側はスタッフィング ビットを通常のビットと明確に区​​別できます。

データリンク層によって提供されるサービスは次のとおりです。

• ネットワーク層データパケットをフレームにカプセル化する
• フレーム同期
• 論理リンク制御(LLC) サブレイヤー:
  • エラー制御(自動再送要求、ARQ) は、一部のトランスポート層プロトコルによって提供される ARQ に加えて、物理層で提供される前方誤り訂正(FEC) 技術、およびネットワーク層を含むすべての層で提供されるエラー検出とパケットキャンセルにも適用されます。データリンク層のエラー制御 (つまり、エラーのあるパケットの再送信) は、ワイヤレス ネットワークとV.42電話ネットワーク モデムで提供されますが、イーサネットなどの LAN プロトコルでは提供されません。これは、短い配線ではビット エラーがほとんど発生しないためです。その場合、提供されるのはエラー検出とエラーのあるパケットのキャンセルだけです。
  • フロー制御は、トランスポート層で提供されるものに加えて、データリンク層のフロー制御も提供されます。データリンク層のフロー制御は、イーサネットなどの LAN プロトコルでは使用されませんが、モデムやワイヤレス ネットワークでは使用されます。
• メディアアクセス制御( MAC) サブレイヤー:
  • チャネル アクセス制御のための複数のアクセス方法。たとえば、イーサネットバス ネットワークおよびハブ ネットワークでの衝突検出と再送信のためのCSMA/CDプロトコル、またはワイヤレス ネットワークでの衝突回避のためのCSMA/CAプロトコルなどです。
  • 物理アドレス指定 ( MAC アドレス指定)
  • LAN スイッチング(パケット スイッチング)、MAC フィルタリング、スパニング ツリー プロトコル(STP)、最短パス ブリッジング(SPB)、TRILL (TRansparent Interconnection of Lots of Links)を含む
  • データパケットのキューイングまたはスケジューリング
  • ストアアンドフォワードスイッチングまたはカットスルースイッチング
  • サービス品質(QoS) 制御
  • 仮想 LAN (VLAN)

フレーミングに加えて、データ リンク層は伝送エラーを検出して回復することもできます。受信側が伝送エラーを検出するには、送信側が送信したフレームにエラー検出コードとして冗長情報を追加する必要があります。受信側はフレームを取得すると、受信したエラー検出コードが再計算されたエラー検出コードと一致するかどうかを確認します。

エラー検出コードは、合計Nビットの各文字列に対応するr (冗長ビットの量) を計算する関数として定義できます。最も単純なエラー検出コードはパリティ ビットです。これにより、受信側は送信されたN + rビットのうち 1 つのビットに影響した送信エラーを検出できます。反転したビットが複数ある場合、チェック方法では受信側でこれを検出できない可能性があります。パリティ エラー検出よりも高度な方法があり、より高い品質と機能を提供します。

メタデータを使用してこれがどのように機能するかを示す簡単な例は、各文字をアルファベットの位置としてエンコードして「HELLO」という単語を送信することです。したがって、右の表に示すように、文字Aは 1、Bは 2 としてコード化されます。結果の数字を合計すると、8 + 5 + 12 + 12 + 15 = 52 となり、5 + 2 = 7 でメタデータが計算されます。最後に、「8 5 12 12 15 7」という数字のシーケンスが送信され、送信エラーがなければ、受信側でこれが表示されます。受信側は、受信した最後の数字がエラー検出メタデータであり、それより前のすべてのデータがメッセージであることを認識しているため、上記の計算を再計算し、メタデータが一致すれば、データがエラーなしで受信されたと結論付けることができます。ただし、受信側が「7 5 12 12 15 7」のようなシーケンス（最初の要素が何らかのエラーによって変更されている）を検出した場合、7 + 5 + 12 + 12 + 15 = 51、5 + 1 = 6 を計算してチェックを実行し、6 は 7 と等しくないため、受信したデータを不良品として破棄できます。

より高度なエラー検出および修正アルゴリズムは、データ内の複数の送信エラーが互いに打ち消し合って検出されないリスクを軽減するように設計されています。正しいバイトが受信されたが順序が間違っているかどうかも検出できるアルゴリズムは、巡回冗長検査(CRC) です。このアルゴリズムは、データ リンク層でよく使用されます。

インターネット プロトコル スイート(TCP/IP)では、OSI のデータ リンク層機能は、最下位層であるリンク層に含まれています。TCP/IP リンク層は、ホストが接続されているリンクの動作範囲を持ち、リンク上のホストの位置を特定し、データ フレームをリンクに送信するためにハードウェア (MAC) アドレスを取得するという点まで、ハードウェアの問題にのみ関係します。リンク層の機能は RFC 1122 で説明されており、OSI のデータ リンク層とは定義が異なり、ローカル リンクに影響するすべてのメソッドを網羅しています。

TCP/IP モデルは、ネットワークのトップダウンの包括的な設計リファレンスではありません。インターネットの運用に必要な TCP/IP のインターネットワーキング プロトコル スイートの設計に必要な機能の論理グループと範囲を示す目的で策定されました。一般に、OSI モデルと TCP/IP モデルを直接または厳密に比較することは避けてください。TCP/IP の階層化は主要な設計基準ではなく、一般的に「有害」であると考えられているためです (RFC 3439)。特に、TCP/IP は、OSI プロトコルに帰せられるような、カプセル化要件の厳密な階層シーケンスを規定していません。

• ALOHAnet § ALOHA プロトコル
• オーディ
• NDIS
• SANA-II – 標準Amigaネットワーク アーキテクチャ、バージョン 2

ウィキメディア・コモンズには、データリンク層に関連するメディアがあります。

• C# で記述されたデータリンク層シミュレーション
• データリンク層、パート 2: エラー検出と修正