Link Layer (Network Interface Layer)
ชั้นล่างสุดของ TCP/IP — รวมหน้าที่ของ OSI Physical + Data Link ไว้ด้วยกัน: ส่งบิตผ่านตัวกลางจริง, encoding, framing, error detection, และการเข้าถึงสื่อกลางร่วม (Ethernet, WiFi)
1ทำไม TCP/IP รวม Physical + Data Link เป็นชั้นเดียว
TCP/IP model มองว่าการ "ส่งข้อมูลข้าม 1 hop ให้สำเร็จ" (ไม่ว่าจะผ่านสาย, คลื่นวิทยุ, หรือ frame Ethernet) เป็นความรับผิดชอบเดียวกันของ "โครงสร้างพื้นฐานท้องถิ่น" — Internet layer (ชั้นถัดไป) ไม่จำเป็นต้องรู้ว่าข้างล่างเป็นเทคโนโลยีอะไร ขอแค่ส่ง packet ข้าม link ได้สำเร็จก็พอ นี่คือหัวใจของสถาปัตยกรรมนาฬิกาทราย (ดู intro-6)
2Encoding: แปลงบิตเป็นสัญญาณ
| เทคนิค | หลักการ |
|---|---|
| NRZ | 1=สูง, 0=ต่ำ — มีปัญหา baseline wander และ clock recovery |
| NRZI | 1=เปลี่ยนสัญญาณ, 0=คงเดิม — แก้ปัญหา 1 ติดกันยาว |
| Manchester | รวม clock เข้ากับสัญญาณ (ใช้ใน Ethernet) — bit rate = ครึ่งหนึ่งของ baud rate |
รายละเอียดเพิ่มเติม: Nyquist limit, ตัวอย่างคำนวณ Shannon-Hartley, ประเภทตัวกลาง (guided/unguided) → ดูเต็มที่หน้า OSI Physical Layer
3Framing และ Error Detection
| หัวข้อ | สรุปย่อ |
|---|---|
| Byte-oriented framing | BISYNC/PPP ใช้ sentinel (flag byte), DDCMP ใช้ byte-count |
| Bit-oriented framing (HDLC) | ใช้ flag 01111110 + bit stuffing: แทรก 0 หลัง 1 ติดกัน 5 ตัวเสมอ |
| Error Detection | CRC — แทน bit string เป็น polynomial, ใช้ generator polynomial C(x) ที่ตกลงร่วมกัน ตรวจจับได้แต่ไม่แก้ไข |
รายละเอียดอัลกอริทึม bit stuffing แบบเต็ม, สูตร CRC และ generator polynomial มาตรฐาน → ดูเต็มที่หน้า OSI Data Link Layer
4Reliable Transmission ระดับ Link
5Ethernet (CSMA/CD)
เมื่อชนกัน (collision) ใช้ Exponential Backoff: สุ่ม k จาก 0 ถึง 2ⁿ−1 แล้วรอ k×51.2μs — Ethernet address 48-bit ผูกกับ adaptor ไม่ใช่โฮสต์
6Wireless: 802.11, Bluetooth
Bluetooth Classic จัดอุปกรณ์เป็น piconet โดยมี central ควบคุมการสื่อสารกับ active peripheral จำนวนจำกัด ส่วน Zigbee เน้นพลังงานต่ำและอุปกรณ์ขนาดเล็ก เหมาะกับ sensor และระบบควบคุมมากกว่างานส่งข้อมูลปริมาณสูง
รายละเอียด Distribution System/AP scanning, Bridge/Spanning Tree Algorithm (ทำงานบน MAC address ระดับ link นี้เช่นกัน) → ดูเต็มที่หน้า OSI Data Link Layer
จุดต่างสำคัญ: TCP/IP สนใจ Interface มากกว่าการแบ่งงานให้สวย
OSI แยกคำถามว่า “bit กลายเป็นสัญญาณอย่างไร” ออกจาก “จะจัด bit เป็น frame และแบ่งกันใช้สื่ออย่างไร” อย่างชัดเจน ส่วน TCP/IP สนใจข้อตกลงที่ Internet Layer ใช้เรียกเครือข่ายข้างล่างมากกว่า กล่าวง่าย ๆ คือ IP ต้องสามารถส่ง datagram ไปยัง next hop ได้ แต่ไม่บังคับว่าข้างล่างต้องแบ่งเป็นกี่ชั้น
| ประเด็น | มุมมอง OSI | มุมมอง TCP/IP |
|---|---|---|
| จำนวนชั้น | Physical และ Data Link แยกกัน | มักรวมเป็น Link หรือ Network Interface |
| ขอบเขต | กำหนดหน้าที่ของแต่ละชั้นค่อนข้างเป็นระบบ | เปิดให้เทคโนโลยีเครือข่ายจริงจัดรายละเอียดเอง |
| หน่วยข้อมูล | Physical ส่ง bit ส่วน Data Link ส่ง frame | มองรวมว่า IP datagram ถูกห่อและส่งข้าม link |
| ตัวอย่าง | อธิบายหลักการสัญญาณและ framing แยกกัน | Ethernet, Wi-Fi, PPP หรือ tunnel ต่างให้บริการใต้ IP ได้ |
การส่งข้าม Link มีขอบเขตเพียงหนึ่งช่วง
MAC address และ frame header มีความหมายบน link ปัจจุบัน เมื่อ router รับ frame จะนำ IP datagram ออก ตรวจ routing table แล้วสร้าง frame ใหม่สำหรับ link ถัดไป ดังนั้น frame ไม่ได้เดินจากต้นทางถึงปลายทางทั้ง Internet สิ่งที่เดินต่อข้าม router คือ IP datagram ขณะที่ซองระดับ Link ถูกเปลี่ยนทุกช่วง
ภาพการเดินทางหนึ่งช่วงต่อหนึ่งช่วง
- Host ดูว่า destination IP อยู่ใน subnet เดียวกันหรือควรส่งให้ default gateway
- ใช้กลไกของ link หา address ของ next hop เช่น ARP ใน IPv4 Ethernet
- ห่อ IP datagram ลงใน Ethernet หรือ Wi-Fi frame
- อุปกรณ์บน link ส่ง frame ไปยัง next hop
- Router แกะ frame เดิม แต่ไม่ได้แกะข้อมูล Transport/Application เพื่อส่งต่อทั่วไป
- Router เลือกทางออก แล้วห่อ datagram เดิมใน frame ชุดใหม่
ตรงนี้คือเหตุผลที่คำว่า “MAC address ของปลายทาง” ต้องระวัง หากปลายทางอยู่อีกเครือข่าย MAC destination ใน frame แรกคือ MAC ของ default gateway ไม่ใช่ MAC ของเครื่องปลายทางสุดท้าย เพราะผู้ส่งต้องพาพัสดุไปยังจุดรับช่วงถัดไปก่อน
Reliability ระดับ Link กับ End-to-End ไม่ใช่งานซ้ำโดยเปล่าประโยชน์
Wi-Fi อาจส่ง frame ซ้ำบนช่วงไร้สายเพื่อแก้ความผิดพลาดเฉพาะที่ ส่วน TCP อาจดูแลข้อมูลจาก process ต้นทางถึง process ปลายทางอีกชั้นหนึ่ง การทำซ้ำสองระดับดูคล้ายกัน แต่ขอบเขตต่างกัน Link retransmission แก้ loss บนช่วงที่รู้ทันทีและอาจฟื้นได้เร็ว ส่วน end-to-end reliability รับมือความเสียหายตลอดเส้นทาง
Ethernet แบบ switched full-duplex สมัยใหม่แทบไม่เกิด collision และไม่ใช้ CSMA/CD ในการทำงานตามปกติแล้ว แต่กฎ collision detection ยังสำคัญในเชิงประวัติศาสตร์ เพราะอธิบายที่มาของ minimum frame size และวิวัฒนาการจาก shared medium ไปสู่ switched network ส่วน Wi-Fi ยังต้องจัดการการแย่งสื่อ เพราะคลื่นวิทยุไม่ได้แยกคู่สายให้แต่ละเครื่องเหมือน Ethernet switch
เส้นแบ่งที่ไม่เรียบร้อย: ARP อยู่ชั้นไหน
ARP ใช้ IP address เพื่อหา MAC address และถูกบรรจุโดยตรงใน Ethernet frame มันจึงยืนคร่อมขอบระหว่าง Internet กับ Link บางตำราวางไว้ชั้น Link บางตำราวางเป็น protocol สนับสนุน Internet Layer ความกำกวมนี้ไม่ใช่ความผิดของ ARP แต่เตือนว่า model เป็นแผนที่ ไม่ใช่กฎหมายธรรมชาติ
อะไรเปลี่ยนและอะไรคงเดิมเมื่อผ่าน Router
| ข้อมูล | เมื่อส่งข้าม Router | เหตุผล |
|---|---|---|
| Link header และ trailer | ถอดของ link เดิมและสร้างใหม่ | แต่ละ link อาจใช้ Ethernet, Wi-Fi หรือเทคโนโลยีคนละชนิด |
| Source/Destination MAC | เปลี่ยนตามผู้ส่งและ next hop ของช่วงใหม่ | MAC ใช้ส่งภายใน link ไม่ใช่ที่อยู่ end-to-end |
| Source/Destination IP | โดยทั่วไปคงเดิมหากไม่มี NAT | IP ระบุต้นทางและปลายทางข้ามเครือข่าย |
| TTL หรือ Hop Limit | ลดลงทุก router | ป้องกัน packet วนไม่จบ |
| TCP/UDP port | โดยทั่วไปคงเดิมหากไม่มี NAT | ระบุ process endpoint แบบ end-to-end |
ตารางนี้ช่วยแยกคำว่า “ปลายทาง” สองความหมาย ปลายทางของ frame คือ next hop บน link ปัจจุบัน ส่วนปลายทางของ IP datagram คือ host ที่ต้องการไปถึงสุดท้าย ถ้าสองเครื่องอยู่ subnet เดียวกัน ทั้งสองปลายทางอาจเป็นเครื่องเดียวกัน แต่เมื่อข้าม router จะไม่เหมือนกัน
MTU เป็นคุณสมบัติของ Link แต่ส่งผลถึง IP และ Transport
แต่ละ link รับ frame payload ได้ใหญ่ไม่เท่ากัน ค่าสูงสุดที่ IP ส่งผ่านโดยไม่แบ่งเรียกว่า MTU Ethernet ทั่วไปมักมี MTU 1500 byte ขณะที่ tunnel อาจเหลือน้อยลงเพราะต้องใส่ header เพิ่ม หาก packet ใหญ่เกิน link ปัญหาเริ่มที่ขอบระหว่าง Internet กับ Link แต่ผลอาจย้อนขึ้นไปถึง TCP ซึ่งต้องเลือก segment size ให้เหมาะ
VLAN แสดงว่า Link เชิงตรรกะไม่จำเป็นต้องตรงกับสายจริง
Switch ตัวเดียวอาจแบ่งอุปกรณ์เป็นหลาย VLAN ทำให้ broadcast domain แยกกัน แม้เสียบอยู่ใน hardware ชุดเดียวกัน ในทางกลับกัน VLAN เดียวอาจพาดผ่าน switch หลายตัวด้วย trunk link ดังนั้นคำว่า “เครือข่ายท้องถิ่น” ใน TCP/IP ควรมองจากขอบเขตการส่ง frame และ broadcast มากกว่าดูว่าเครื่องตั้งอยู่ห้องเดียวกันหรือใช้ switch ตัวเดียว
เมื่อต้องสื่อสารข้าม VLAN จะต้องผ่านอุปกรณ์ที่ทำ routing เพราะการแบ่งเชิงตรรกะทำให้เป็นคนละ IP subnet ตามการออกแบบทั่วไป จุดนี้เห็นความร่วมมือของ Link กับ Internet Layer ชัดเจน Link แบ่งบริเวณการส่งท้องถิ่น ส่วน IP เชื่อมบริเวณเหล่านั้นเข้าด้วยกัน
Tunnel ทำให้ Packet ของชั้นหนึ่งกลายเป็น Payload ของอีกชั้น
VPN หรือ tunnel อาจนำ IP packet เดิมไปห่อใน packet ใหม่ แล้วส่งผ่าน Internet ไปยัง tunnel endpoint จากมุม packet ชั้นใน เส้นทางดูเหมือน link เสมือนหนึ่งช่วง ทั้งที่ด้านล่างอาจผ่าน router จำนวนมาก นี่เป็นอีกกรณีที่การถามเลขชั้นเพียงอย่างเดียวตอบไม่พอ เพราะข้อมูลชนิดเดียวกันอาจเป็นทั้ง protocol ของชั้นหนึ่งและ payload ของ encapsulation อีกชุด
อุปกรณ์ไม่ได้ถูกขังอยู่ในชั้นเดียวเสมอไป
| อุปกรณ์ | หน้าที่หลัก | ข้อสังเกต |
|---|---|---|
| Repeater/Hub | ทำงานกับสัญญาณหรือ bit | ไม่อ่าน MAC เพื่อเลือกปลายทาง |
| Switch/Bridge | ส่ง frame ตาม MAC table | อาจรองรับ VLAN, STP และความสามารถอื่น |
| Router | ส่ง IP datagram ตาม routing/forwarding table | ต้องใช้ Link Layer ที่แต่ละ interface ด้วย |
| Wireless AP | เชื่อมสถานีไร้สายกับ distribution system | มักทำงานคล้าย bridge มากกว่าจะเป็น router โดยตัวมันเอง |
| Home gateway | รวม routing, NAT, firewall, switch และ AP | กล่องเดียวทำหลายชั้น จึงไม่ควรเรียกทุกอย่างว่า “router” แล้วคิดว่ามีหน้าที่เดียว |
วิธีวินิจฉัยแบบ TCP/IP: ตรวจจากขอบเขตที่เล็กที่สุดก่อน
- Interface ขึ้นหรือไม่ มีสัญญาณและเชื่อมกับ Wi-Fi/Ethernet สำเร็จหรือยัง
- มี frame error, retry หรือ link negotiation ผิดปกติหรือไม่
- เครื่องหา next-hop address ได้หรือไม่ เช่น ARP/Neighbor Discovery
- IP configuration กับ subnet ทำให้เลือก on-link หรือ default gateway ถูกหรือไม่
- เมื่อข้าม link ได้แล้วจึงตรวจ routing, transport และ application ต่อ
ลำดับนี้สะท้อนประโยชน์ของการแบ่งชั้น แต่ไม่จำเป็นต้องยืนยันว่า Physical กับ Data Link ต้องเป็นสองกล่องแยกเสมอ เป้าหมายคือจำกัดบริเวณของปัญหาให้เล็กลง ไม่ใช่ชนะการถกเถียงว่าอาการหนึ่งควรติดป้ายชั้นใด
Link Layer ไม่ได้หมายถึงเฉพาะสายเส้นแรกที่ต่อออกจากเครื่อง
ทุก interface ของ router เชื่อมกับ link บางชนิด และต้องรู้วิธีสร้าง frame ของ link นั้น เส้นทางจากบ้านไป server จึงผ่าน Link Layer ซ้ำหลายครั้ง ไม่ใช่ใช้ Link Layer ตอนออกจาก notebook แล้วเปลี่ยนเป็น Internet Layer ล้วน ๆ ตลอดทาง Router แต่ละตัวทำงานกับทั้งสองระดับ: รับ frame ที่ interface ขาเข้า แล้วส่ง datagram ผ่าน frame ใหม่ที่ interface ขาออก
คำว่า access network หมายถึงเครือข่ายที่พาผู้ใช้เข้าสู่ผู้ให้บริการ เช่น Wi-Fi ภายในบ้านร่วมกับ fiber หรือ cellular แต่ Link Layer ยังปรากฏในเครือข่ายของผู้ให้บริการและศูนย์ข้อมูลด้วย เทคโนโลยีอาจต่างกัน แต่ interface ที่ IP ต้องการยังคล้ายเดิม คือส่ง packet ไปยัง next hop และรายงานข้อจำกัดที่จำเป็น
การรวมสองชั้นช่วยให้ TCP/IP รองรับ Link ที่ไม่ได้มีหน้าตาแบบ Ethernet
ไม่ใช่ทุก link ต้องมี MAC address, broadcast และ frame แบบ Ethernet Point-to-point link มีคู่สื่อสารชัดเจนจึงไม่ต้องแข่งขันค้นหาปลายทางแบบ LAN ส่วน tunnel อาจสร้าง link เชิงตรรกะเหนือ IP อีกชุดหนึ่ง TCP/IP หลีกเลี่ยงการบังคับรายละเอียดเหล่านี้ไว้ใน Internet Layer ทำให้ IP ใช้ได้แม้กลไกข้างล่างไม่เหมือนกัน
คำว่า Network Interface Layer จึงตรงความคิดมากกว่า “ชั้นรวม”
ถ้าเรียกว่า Physical + Data Link รวมกัน ผู้เรียนอาจคิดว่าเอาสองบทมาเย็บติดเฉย ๆ แต่คำว่า Network Interface ชี้ให้เห็นมุมของ IP ว่า ชั้นนี้คือหน้าต่างที่ protocol กลางใช้เข้าถึงเครือข่ายชนิดต่าง ๆ ความต่างของ TCP/IP จึงอยู่ที่การกำหนดขอบเขตจากสิ่งที่ IP ต้องใช้ ไม่ได้อยู่ที่การลืมแยกสัญญาณออกจาก frame
7สรุปและขั้นตอนถัดไป
- TCP/IP รวม Physical กับ Data Link เพราะ IP ต้องการ interface สำหรับส่ง datagram ข้าม link มากกว่าต้องการบังคับโครงสร้างภายในสองชั้น
- Frame และ MAC address เปลี่ยนทุกช่วง แต่ IP datagram เดินต่อไปยังปลายทางข้ามหลาย link
- Ethernet ใช้ CSMA/CD + กฎ 512-bit + exponential backoff
- 802.11 ใช้ CSMA/CA และอาจใช้ RTS/CTS ช่วยลดปัญหา hidden node
- ARP, VLAN, tunnel และอุปกรณ์หลายหน้าที่แสดงว่าขอบเขตของชั้นในระบบจริงไม่ได้เป็นกล่องแข็ง