שיעור מפורט: מודל OSI – שכבת קישור נתונים (Data Link Layer)

שכבת קישור נתונים היא השכבה השנייה במודל OSI ותפקידה לנהל את התקשורת בין מכשירים באותה רשת פיזית. היא ממלאת תפקיד מכריע בהבטחת תקשורת תקינה ואמינה ברשתות מקומיות (LAN) ובתקשורת בין מכשירים. בשיעור זה נלמד לעומק על תפקידי השכבה, הפרוטוקולים שבה, טכנולוגיות רלוונטיות, משוואות, ודוגמאות מעשיות.

מטרות השיעור

1. להבין את תפקידה של שכבת קישור נתונים במודל OSI.
2. להכיר את תהליך אריזת הנתונים במסגרת (Frame) והעברת הנתונים.
3. ללמוד על פרוטוקולים מרכזיים כגון Ethernet ו-Wi-Fi.
4. להבין מנגנונים למניעת שגיאות ולשליטה בגישה למדיום (MAC – Media Access Control).

תוכן השיעור

מהי שכבת קישור נתונים?

שכבת קישור נתונים אחראית על העברת נתונים ברשת הפיזית באופן אמין, על ידי יצירת מסגרות (Frames) המכילות מידע על המקור והיעד, תיקון שגיאות, ושליטה בגישה למדיום.

תפקידי שכבת קישור נתונים

1. אריזת נתונים במסגרת (Framing):

   • הנתונים מהשכבות העליונות ארוזים במסגרת עם כותרת (Header) וסיומת (Trailer).
   • הכותרת כוללת כתובת MAC של השולח והמקבל.
   • הסיומת כוללת מנגנון לבדיקת שגיאות (FCS – Frame Check Sequence).

2. שליטה בגישה למדיום (Media Access Control):

   • קובע את הסדר שבו מכשירים יכולים לשלוח נתונים על רשת משותפת.
   • מנגנונים כמו CSMA/CD (Ethernet) או CSMA/CA (Wi-Fi).

3. זיהוי ותיקון שגיאות:

   • השכבה מזהה שגיאות בעזרת ה-FCS.
   • שגיאות מתקנות נשלחות מחדש במידת הצורך.

4. ניהול כתובות MAC:

   • שכבת קישור נתונים משתמשת בכתובות MAC, כתובות ייחודיות לכל מכשיר רשת, כדי לזהות את השולח והמקבל.

חלוקה לשתי תתי-שכבות

שכבת קישור נתונים מחולקת לשתי תתי-שכבות:

1. LLC (Logical Link Control):
   • אחראית על קישור לוגי בין מכשירים.
   • מטפלת בפרוטוקולי הרשת ובסנכרון הנתונים.
2. MAC (Media Access Control):
   • אחראית על שליטה בגישה למדיום הפיזי.
   • מנהלת את כתובות ה-MAC ואת הסדר במשלוח הנתונים.

פרוטוקולים וטכנולוגיות בשכבה זו

1. Ethernet:

   • פרוטוקול פופולרי לניהול תקשורת ברשתות LAN.
   • משתמש במנגנון CSMA/CD למניעת התנגשויות.

2. Wi-Fi:

   • פרוטוקול לתקשורת אלחוטית, משתמש ב-CSMA/CA למניעת התנגשויות.

3. PPP (Point-to-Point Protocol):

   • פרוטוקול לתקשורת נקודה לנקודה, נפוץ בחיבורי WAN.

משוואות ותחשיבים

1. זמן גישה למדיום (Access Time):

   • זמן ממוצע שבו מכשיר ממתין כדי לשלוח נתונים ברשת משותפת.
   • תלוי במספר המכשירים, גודל הרשת, ופרוטוקול הגישה.

2. מהירות העברת מסגרות:

   • נמדדת ב-Frames Per Second (FPS).
   • משוואה: FPS=Bandwidth/FrameSizeFPS = Bandwidth / Frame Size כאשר:
     • Bandwidth = רוחב הפס של הרשת.
     • Frame Size = גודל המסגרת ב-ביטים.

דוגמאות מעשיות

1. Ethernet LAN:

   • חיבור מחשבים באותו משרד באמצעות מתג (Switch) ופרוטוקול Ethernet. המתג משתמש בכתובות MAC לניתוב מסגרות.

2. Wi-Fi בבית:

   • חיבור טלפונים ומחשבים לנקודת גישה אלחוטית (Access Point) באמצעות פרוטוקול Wi-Fi, תוך שימוש במנגנון CSMA/CA למניעת התנגשויות.

3. תיקון שגיאות:

   • במשרד, מחשב שולח מסגרת עם FCS. אם מתג מזהה שגיאה, הוא מבקש מהמחשב לשלוח את המסגרת מחדש.

פעילויות בכיתה

1. תרגול מעשי:

   • יצירת רשת LAN פשוטה באמצעות Cisco Packet Tracer, בדיקת תעבורת מסגרות וניתוח כתובות MAC.

2. חישובי רשת:

   • חישוב FPS עבור רשת עם רוחב פס של 100 Mbps וגודל מסגרת של 1500 ביט.

3. ניתוח בעיות רשת:

   • זיהוי שגיאות בתעבורת מסגרות ברשת סימולציה ופתרונן.

סיכום

שכבת קישור נתונים היא חיונית לתקשורת אמינה בין מכשירים ברשתות מקומיות ובחיבור לרשתות רחבות. היא מספקת מנגנוני גישה, תיקון שגיאות, וניהול כתובות MAC. השיעור חיבר בין תיאוריה לעבודה מעשית, עם דגש על הבנת מנגנוני השכבה ופרוטוקוליה. הבנת השכבה היא צעד קריטי לניהול ותכנון רשתות מודרניות.