Методы передачи информации в ТКС на канальном уровне

     Обнаружение и коррекция ошибок

     Канальный уровень должен обнаруживать ошибки передачи данных, связанные с искажением бит в принятом кадре данных или  с потерей кадра, и по возможности их корректировать.

     Большая часть протоколов канального уровня выполняет только первую задачу - обнаружение  ошибок, считая, что корректировать ошибки, то есть повторно передавать данные, содержавшие искаженную информацию, должны протоколы верхних уровней. Так работают такие популярные протоколы локальных сетей, как Ethernet, Token Ring, FDDI и другие. Однако существуют протоколы канального уровня, например LLC2 или LAP-B, которые самостоятельно решают задачу восстановления искаженных или потерянных кадров.

     2 Работа канального уровня 
Передача с установлением соединения и без установления соединения

     При передаче кадров данных на канальном  уровне используются как дейтаграммные  процедуры, работающие без становления  соединения (connectionless), так и процедуры с предварительным установлением логического соединения (connection-oriented).

     При дейтаграммной передаче кадр посылается в сеть «без предупреждения», и никакой  ответственности за его утерю  протокол не несет. Предполагается, что  сеть всегда готова принять кадр от конечного узла. Дейтаграммный метод работает быстро, так как никаких предварительных действий перед отправкой данных не выполняется. Однако при таком методе трудно организовать в рамках протокола отслеживание факта доставки кадра узлу назначения. Этот метод не гарантирует доставку пакета.

     Передача  с установлением соединения более  надежна, но требует больше времени  для передачи данных и вычислительных затрат от конечных узлов.

     В этом случае узлу-получателю отправляется служебный кадр специального формата с предложением установить соединение (рис. 2.23, б). Если узел-получатель согласен с этим, то он посылает в ответ другой служебный кадр, подтверждающий установление соединения и предлагающий для данного логического соединения некоторые параметры, например идентификатор соединения, максимальное значение поля данных кадров, которые будут использоваться в рамках данного соединения, и т. п. Узел-инициатор соединения может завершить процесс установления соединения отправкой третьего служебного кадра, в котором сообщит, что предложенные параметры ему подходят. На этом логическое соединение считается установленным, и в его рамках можно передавать информационные кадры с пользовательскими данными. После передачи некоторого законченного набора данных, например определенного файла, узел инициирует разрыв данного логического соединения, посылая соответствующий служебный кадр.

     Заметим, что, в отличие от протоколов дейтаграммного типа, которые поддерживают только один тип кадра - информационный, протоколы, работающие по процедуре с установлением соединения, должны поддерживать несколько типов кадров - служебные, для установления (и разрыва) соединения, и информационные, переносящие собственно пользовательские данные.

     Логическое  соединение обеспечивает передачу данных как в одном направлении - от инициатора соединения, так и в обоих направлениях.

     Процедура установления соединения может использоваться для достижения различных целей.

     ·                     Для взаимной аутентификации либо пользователей, либо оборудования (маршрутизаторы тоже могут иметь имена и пароли, которые нужны для уверенности в том, что злоумышленник не подменил корпоративный маршрутизатор и не отвел поток данных в свою сеть для анализа).

     ·                     Для согласования изменяемых параметров протокола: MTU, различных тайм-аутов и т. п.

     ·                     Для обнаружения и коррекции ошибок. Установление логического соединения дает точку отсчета для задания начальных значений номеров кадров. При потере нумерованного кадра приемник, во-первых, получает возможность обнаружить этот факт, а во-вторых, он может сообщить передатчику, какой в точности кадр нужно передать повторно.

     ·                     В некоторых технологиях процедуру установления логического соединения используют при динамической настройке коммутаторов сети для маршрутизации всех последующих кадров, которые будут проходить через сеть в рамках данного логического соединения. Так работают сети технологий Х.25, frame relay и АТМ.

     Как видно из приведенного списка, при  установлении соединения могут преследоваться разные цели, в некоторых случаях - несколько одновременно. В этой главе мы рассмотрим использование логического соединения для обнаружения и коррекции ошибок, а остальные случаи будут рассматриваться в последующих главах по мере необходимости.

     Обнаружение и коррекция ошибок

     Канальный уровень должен обнаруживать ошибки передачи данных, связанные с искажением бит в принятом кадре данных или  с потерей кадра, и по возможности  их корректировать.

     Большая часть протоколов канального уровня выполняет только первую задачу - обнаружение ошибок, считая, что корректировать ошибки, то есть повторно передавать данные, содержавшие искаженную информацию, должны протоколы верхних уровней. Так работают такие популярные протоколы локальных сетей, как Ethernet, Token Ring, FDDI и другие. Однако существуют протоколы канального уровня, например LLC2 или LAP-B, которые самостоятельно решают задачу восстановления искаженных или потерянных кадров.

     Очевидно, что протоколы должны работать наиболее эффективно в типичных условиях работы сети. Поэтому для сетей, в которых искажения и потери кадров являются очень редкими событиями, разрабатываются протоколы типа Ethernet, в которых не предусматриваются процедуры устранения ошибок. Действительно, наличие процедур восстановления данных потребовало бы от конечных узлов дополнительных вычислительных затрат, которые в условиях надежной работы сети являлись бы избыточными.

     Напротив, если в сети искажения и потери случаются часто, то желательно уже  на канальном уровне использовать протокол с коррекцией ошибок, а не оставлять  эту работу протоколам верхних уровней. Протоколы верхних уровней, например транспортного или прикладного, работая с большими тайм-аутами, восстановят потерянные данные с большой задержкой. В глобальных сетях первых поколений, например сетях Х.25, которые работали через ненадежные каналы связи, протоколы канального уровня всегда выполняли процедуры восстановления потерянных и искаженных кадров.

     Поэтому нельзя считать, что один протокол лучше  другого потому, что он восстанавливает  ошибочные кадры, а другой протокол - нет. Каждый протокол должен работать в тех условиях, для которых  он разработан.

     Методы  восстановления искаженных и потерянных кадров

     Методы  коррекции ошибок в вычислительных сетях основаны на повторной передаче кадра данных в том случае, если кадр теряется и не доходит до адресата или приемник обнаружил в нем  искажение информации. Чтобы убедиться  в необходимости повторной передачи данных, отправитель нумерует отправляемые кадры и для каждого кадра ожидает от приемника так называемой положительной квитанции - служебного кадра, извещающего о том, что исходный кадр был получен и данные в нем оказались корректными. Время этого ожидания ограничено - при отправке каждого кадра передатчик запускает таймер, и, если по его истечении положительная квитанция на получена, кадр считается утерянным. Приемник в случае получения кадра с искаженными данными может отправить отрицательную квитанцию - явное указание на то, что данный кадр нужно передать повторно.

     Существуют  два подхода к организации  процесса обмена квитанциями: с простоями  и с организацией «окна».

     Метод с простоями (Idle Source) требует, чтобы источник, пославший кадр, ожидал получения квитанции (положительной или отрицательной) от приемника и только после этого посылал следующий кадр (или повторял искаженный). Если же квитанция не приходит в течение тайм-аута, то кадр (или квитанция) считается утерянным и его передача повторяется.

     Второй  метод называется методом «скользящего окна» (sliding window). В этом методе для повышения коэффициента использования линии источнику разрешается передать некоторое количество кадров в непрерывном режиме, то есть в максимально возможном для источника темпе, без получения на эти кадры положительных ответных квитанций. (Далее, где это не искажает существо рассматриваемого вопроса, положительные квитанции для краткости будут называться просто «квитанциями».) Количество кадров, которые разрешается передавать таким образом, называется размером окна. Рисунок 2.24, б иллюстрирует данный метод для окна размером в W кадров.

     В начальный момент, когда еще не послано ни одного кадра, окно определяет диапазон кадров с номерами от 1 до W включительно. Источник начинает передавать кадры и получать в ответ квитанции. Для простоты предположим, что квитанции поступают в той же последовательности, что и кадры, которым они соответствуют. В момент t₁ при получении первой квитанции К1 окно сдвигается на одну позицию, определяя новый диапазон от 2 до (W+1).

     Процессы  отправки кадров и получения квитанций  идут достаточно независимо друг от друга. Рассмотрим произвольный момент времени tn, когда источник получил квитанцию  на кадр с номером n. Окно сдвинулось вправо и определило диапазон разрешенных к передаче кадров от (n+1) до (W+n). Все множество кадров, выходящих из источника, можно разделить на перечисленные ниже группы .

     ·                     Кадры с номерами от 1 доп. уже были отправлены и квитанции на них получены, то есть они находятся за пределами окна слева.

     ·                     Кадры, начиная с номера (п+1) и кончая номером (W+n), находятся в пределах окна и потому могут быть отправлены не дожидаясь прихода какой-либо квитанции. Этот диапазон может быть разделен еще на два поддиапазона:

     o                  кадры с номерами от (n+1) до т, которые уже отправлены, но квитанции на них еще не получены;

     o                  кадры с номерами от m до (W+n), которые пока не отправлены, хотя запрета на это нет.

     ·                     Все кадры с номерами, большими или равными (W+n+1), находятся за пределами окна справа и поэтому пока не могут быть отправлены.

     Перемещение окна вдоль последовательности номеров  кадров показано на рис. 2.24, в. Здесь t₀ - исходный момент, t₁ и t_n - моменты прихода квитанций на первый и n-й кадр соответственно. Каждый раз, когда приходит квитанция, окно сдвигается влево, но его размер при этом не меняется и остается равным W. Заметим, что хотя в данном примере размер окна в процессе передачи остается постоянным, в реальных протоколах (например, TCP) можно встретить варианты данного алгоритма с изменяющимся размером окна.

     Итак, при отправке кадра с номером n источнику разрешается передать еще W-1 кадров до получения квитанции  на кадр n, так что в сеть последним уйдет кадр с номером (W+n-1). Если же за это время квитанция на кадр n так и не пришла, то процесс передачи приостанавливается, и по истечении некоторого тайм-аута кадр n (или квитанция на него) считается утерянным, и он передается снова.

     Если  же поток квитанций поступает  более-менее регулярно, в пределах допуска в W кадров, то скорость обмена достигает максимально возможной  величины для данного канала и  принятого протокола.

     Метод скользящего окна более сложен в  реализации, чем метод с простоями, так как передатчик должен хранить в буфере все кадры, на которые пока не получены положительные квитанции. Кроме того, требуется отслеживать несколько параметров алгоритма: размер окна W, номер кадра, на который получена квитанция, номер кадра, который еще можно передать до получения новой квитанции.

     Приемник  может не посылать квитанции на каждый принятый корректный кадр. Если несколько  кадров пришли почти одновременно, то приемник может послать квитанцию  только на последний кадр. При этом подразумевается, что все предыдущие кадры также дошли благополучно.

     Некоторые методы используют отрицательные квитанции. Отрицательные квитанции бывают двух типов - групповые и избирательные. Групповая квитанция содержит номер  кадра, начиная с которого нужно повторить передачу всех кадров, отправленных передатчиком в сеть. Избирательная отрицательная квитанция требует повторной передачи только одного кадра.

     Метод скользящего окна реализован во многих протоколах: LLC2, LAP-B, X.25, TCP, Novell NCP Burst Mode.

     Метод с простоями является частным  случаем метода скользящего окна, когда размер окна равен единице.

     Метод скользящего окна имеет два параметра, которые могут заметно влиять на эффективность передачи данных между  передатчиком и приемником, - размер окна и величина тайм-аута ожидания квитанции. В надежных сетях, когда кадры искажаются и теряются редко, для повышения скорости обмена данными размер окна нужно увеличивать, так как при этом передатчик будет посылать кадры с меньшими паузами. В ненадежных сетях размер окна следует уменьшать, так как при частых потерях и искажениях кадров резко возрастает объем вторично передаваемых через сеть кадров, а значит, пропускная способность сети будет расходоваться во многом вхолостую - полезная пропускная способность сети будет падать.