Методы обнаружения и устранения ошибок передачи

Одной из задач, решаемых на канальном уровне, является обнаружение и устранение ошибок при передаче кадров. Аналогичная задача решается и на транспортном уровне. В данном разделе кратко описаны общие методы обнаружения и устранения ошибок при передаче информации по каналам связи.

Первая часть задачи – обнаружение ошибок состоит в том, что компьютер – адресат, приняв некоторую порцию информации (например – кадр) должен только по результатам анализа принятых данных сделать заключение – корректны ли принятые данные и нет ли в них искажений. Поскольку априорно содержимое принятого пакета неизвестно (иначе бы он не передавался), то сравнить его не с чем. Для решения этой задачи к передаваемой информации узлом-отправителем добавляется некоторая служебная информация, используя которую можно определить факт искажения принятой информации. Эта служебная информация (контрольная сумма) вычисляется как функция от основной информации по известному алгоритму. При приеме кадра адресат опять рассчитывает по тому же алгоритму контрольную сумму и сравнивает с переданной в составе кадра. В случае их совпадения делается вывод о достоверности принятых данных. Передача служебной информации, конечно, снижает полезную пропускную способность канала, но является платой за возможность обнаружения ошибок.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили циклические избыточные коды (CRC – Cyclic Redundancy Code). В этом методе исходные данные рассматриваются как одно многоразрядное двоичное число. Это число делят на известное 17 или 33 разрядное число и получают остаток от деления (16 или 32 разрядный). Этот остаток и передается вместе с данными. При получении кадра опять производят деление на тоже число и сравнивают полученный остаток с принятым. Этот метод имеет достаточно высокие диагностические возможности – может обнаруживать все одиночные ошибки, двойные ошибки и ошибки в нечетном числе бит. При этом избыточность его минимальна.

Существуют и другие методы контроля корректности и даже методы, позволяющие восстанавливать искаженные данные (например, коды Рида-Соломона), но они обладают очень большой избыточностью и при решении рассматриваемых задач не применяются.

Вторая часть задачи – устранение ошибок передачи состоит в том, что необходимо организовать повторную передачу искаженного или потерянного кадра. Чтобы убедиться в необходимости повторной передачи данных, отправитель нумерует все отправляемые кадры и для каждого кадра ожидает от адресата положительной квитанции – служебного кадра, сигнализирующего о том, что кадр был получен и данные в нем оказались корректными. Время ожидания ограничено – при отправке каждого кадра отправитель запускает таймер, и если по истечении определенного промежутка времени (тайм-аута) положительная квитанция не получена, кадр считается потерянным и его передают повторно. Адресат в случае получения кадра с искаженными данными может передать отрицательную квитанцию – явно указывая на необходимость повторной передачи искаженного кадра.

Существует два метода организации процесса обмена квитанциями: с простоями и скользящего окна.

Метод с простоями требует, чтобы отправитель, послав кадр, дожидался получения положительной (или отрицательной) квитанции. И только после этого посылал новый кадр (или повторял искаженный). Если же по истечению тайм-аута никакой квитанции не получено, передача этого кадра повторяется. Этот метод обладает очень низкой производительностью и применяется в не надежных сетях с высоким уровнем ошибок.

Метод скользящего окна позволяет отправителю передавать в сеть некоторое количество кадров в непрерывном режиме без получения на них положительных квитанций. Количество кадров, которое можно передавать таким образом, называется шириной окна. За это время должна прийти квитанция на первый из отправленных кадров. Тогда окно сдвигается на один кадр. При получении следующей квитанции – еще на один кадр и т.д. Таким образом, при согласованной передаче кадров и квитанций, квитанции на очередной кадр приходят до исчерпания окна, окно постоянно сдвигается по последовательности кадров и отправитель не прекращает передачи своих кадров. Однако, в случае прихода отрицательной квитанции или истечения тайм-аута на какой либо кадр, приходится повторно передавать не только этот кадр, но и все кадры, которые были отправлены после него. Таким образом, большая величина окна эффективна в сетях, обеспечивающих надежную передачу данных с минимумом ошибок. В ненадежных сетях размер окна уменьшают, так как при частых потерях кадров резко возрастает количество повторно переданных данных.

Методы коммутации

Для осуществления передачи данных между узлами сети. Эта сеть должна обеспечить коммутацию (т.е. соединение) этих узлов. Существуют три метода коммутации: коммутация каналов, коммутация пакетов и коммутация сообщений.

Коммутация каналов (circuit switching) позволяет образовать непрерывный физический канал из последовательно соединенных участков сети, для передачи данных между двумя узлами. Этот метод предусматривает специальную процедуру запроса на создание канала. Преимущества сетей с коммутацией каналов:

· обеспечение постоянной пропускной способности канала после его выделения (вне зависимости от работы других узлов сети);

· небольшое количество передаваемой служебной информации.

Недостатки сетей с коммутаций каналов:

· необходимость синхронной работы всех оконечных и промежуточных устройств, т.к. в сети данные не буферизуются;

· абонент по одному каналу может одновременно обмениваться данными только с одним абонентом;

· необходимость создания канала, причем сеть может отказать в создании канала, если абонент занят или исчерпана пропускная способность одного из участков составного канала;

· в случае отказа одного из участков составного канала даже при наличии резервных путей необходимо заново устанавливать соединение.

Примером сети с коммутацией каналов является телефонная сеть.

Коммутация пакетов (packet switching) – метод коммутации абонентов, основанный на разбиении пересылаемых сообщений на порции (пакеты) и независимая передача всех пакетов адресату. Для успешной передачи пакетов каждый из них снабжается заголовком – служебной областью, содержащей помимо прочей информации адрес получателя. Таким образом, доля предаваемой служебной информации в этом методу выше. Другим недостатком этого метода коммутации является невозможность гарантировать фиксированную полосу пропускания, поскольку она зависит от работы всех узлов в сети.

Достоинства метода коммутации пакетов:

· асинхронная работа сети – сеть может содержать участки и узлы, работающие с разными скоростями, поскольку пакеты буферизуются по дороге;

· узел одновременно может обмениваться пакетами с разными узлами сети и никогда не бывает «занят»;

· в случае выхода из строя промежуточного узла или участка сети пакеты автоматически передаются через другие линии связи;

· более высокая эффективность работы всей сети, по сравнению с коммутацией каналов.

Сети с коммутацией каналов специально разработаны для передачи компьютерного трафика и поэтому они используются при построении компьютерных сетей.

Коммутация сообщений (message switching) заключается в передаче от узла к узлу полностью всего сообщения. При этом все сообщение кэшируется на каждом промежуточном узле и может передаваться не немедленно, а в момент создания соединения со следующим узлов. В компьютерных сетях этот метод в настоящее время практически не применяется. Исключение составляет сеть FIDO. В этой сети каждый узел накапливает все приходящие сообщения, сортирует их и при очередном сеансе связи с другим узлом (раз или два в сутки) передает ему все накопившиеся для этого узла сообщения (и транзитные через этот узел), а также принимает все сообщения от этого узла.

Технологии локальных сетей

С целью унификации создания локальных сетей в 1980 году институтом IEEE был создан комитет 802. Этот комитет разработал ряд стандартов, определяющих основные технологии локальных сетей. В настоящее время разработка и стандартизация новых технологий продолжается. В этот комитет входят ряд подкомитетов, которые занимаются разработкой стандартов в определенных направлениях:

802.1 – Internetworking – объединение сетей;

802.2 – Local Link Control – управление логической передачей данных;

802.3 – Ethernet – сети с методом доступа CSMA/CD;

802.4 – Tocken Bus LAN – сети с методом доступа Tocken Bus;

802.5 – Tocken Ring LSN – сети с методом доступа Tocken Ring;

802.6 – Metropolitan Area Network – сети мегаполисов;

802.7 – Broadband Technical Advisory Group – техническая консультативная группа по широкополосной передаче;

802.8 – Fiber Optic Technical Advisory Group – техническая консультативная группа по волоконно-оптическим сетям;

802.9 – Integrated Voice and Data Networks – интегрированные сети передачи голоса и данных;

802.10 – Network Security – сетевая безопасность;

802.11 – Wireless Networks – беспроводные сети;

802.12 – Demand Priority Access LAN – сети с методом доступа по требованию с приоритетами.

Группа стандартов IEEE 802 определяет спецификации физического, канального и, частично, сетевого уровня (см. рис).

 

Рис. 11. Стандарты IEEE 802

Подуровень LLC

Подуровень LLC (Logical Link Control) описан в стандарте IEEE 802.2 и является общим для всех технологий канального уровня. Задача, решаемая на этом подуровне – обеспечение надежной передачи кадров в локальной сети. С этой целью подуровень LLC предоставляет протоколу вышележащего (сетевого) уровня три типа процедур по передаче кадров:

· LLC 1 – без установления соединения и без подтверждения. Предоставляется минимальный сервис, минимизируется объем передаваемой служебной информации. При этом предполагается, что контроль за корректностью передаваемых данных и коррекция ошибок выполняются протоколом верхнего уровня (транспортным).

· LLC 2 – с установлением соединения и с подтверждением. Устанавливается логическое соединение, обеспечивается восстановление кадров после ошибок. Для коррекции используется метод скользящего окна.

· LLC 3 – без установления соединения, но с подтверждением. Упрощенный вариант LLC 2 - обеспечивает восстановление кадров после ошибок. Используется в случаях, когда не допустимы временные задержки на установление соединения, но подтверждение о корректности принятых кадров необходимо (например, системах управления реального времени).

Пакет, передаваемый протоколом сетевого уровня, вкладывается в кадр LLC. Формат кадра показан на Рис. 12. Существуют три типа кадра LLC:

· информационные – предназначены для передачи информации в процедуре LLC 2, нумеруются циклически от 0 до 127 и посылаются в режиме скользящего окна;

· управляющие – предназначены для передачи команд и ответов на команды в процедуре LLC 2, а также квитанций;

· ненумерованные – предназначены для передачи информации в процедуре LLC 1, а так же при установлении и разрыве соединения.

 

флаг	DSAP	SSAP	Control	пакет сетевого уровня	флаг
8 бит	8 бит	8 бит	8-16 бит		8 бит

Рис. 12. Формат кадра LLC

Флаг – однобайтное поле, содержащее последовательность бит: 01111110. Флаги используются для определения границ кадра LLC (поскольку не передается длина кадра). На подуровне МАС эти поля отбрасываются.

DSAP – Destination Service Access Point – идентификатор протокола верхнего уровня, которому необходимо передавать вложенный пакет.

SSAP – Source Service Access Point – идентификатор протокола верхнего уровня, который сформировал передаваемый пакет.

Control – управляющее поле длиной 8 или 16 бит. В зависимости от типа кадра это поле имеет вид, показанный в Таблица 1

Таблица 1

тип кадра

биты поля Control

информационный

N(S)

P

N(R)

управляющий

S

N(R)

ненумерованный

M

P

M

LLC 1

 

В процедуре LLC 1 передаются только ненумерованные кадры, поле Control которых имеет значение 11000000.

В процедуре LLC 2 используются все три типа кадра. В случае двунаправленного общения узлов в сети квитанции как отдельные кадры не передаются, а передаются внутри информационных кадров. Поэтому в поле Control таких кадров рабочая станция помещают номер своего передаваемого кадра – N(S), а также – положительную квитанцию на последний принятый кадр – N(R) (точнее это номер ожидаемого кадра – на единицу больший, чем номер принятого). Бит P – (Poll/Final) в командах он называется Poll и требует ответа на команду, в ответах этот бит называется Final и определяет последний кадр ответа. В управляющих кадрах содержатся команды (S), а так же квитанции на принятые кадры - N(R). Эти же кадры используются в качестве квитанций в случае однонаправленного потока кадров. Ненумерованные кадры используются в процедуре установления и разрыва соединения. Команда М принимает значение «запрос на установление соединения», «подтверждение установления соединения», «запрос на разрыв соединения», «подтверждение разрыва соединения».

Технология Ethernet

Технология Ethernet определена в стандарте IEEE 802.3 и является одной из первых технологий локальных сетей. Начало этой технологии положено в 1975 году экспериментальной сетью Ethernet Network фирмы Xerox. Первоначальная скорость передачи информации в этой технологии составляла 10 Мбит/с, но в дальнейшем она активно развивалась и к настоящему времени скорость передачи информации достигает 10 Гбит/с. Сегодня эта технология является самым распространенным стандартом локальных сетей. Поэтому ей будет уделено больше внимания, чем другим технологиям.

Метод доступа CSMA/CD

Основная проблема, решаемая подуровнем MAC канального уровня, состоит в организации доступа всех узлов сети к общей среде передачи данных. В один момент времени в разделяемой среде может передавать свои кадры только один компьютер, а остальные должны ожидать своей очереди. С другой стороны необходимо обеспечить передачу своих данных всеми компьютерами, предотвращая монопольный захват среды передачи каким-нибудь одним узлом. Для решения проблемы предоставления доступа к среде разработаны два метода. Первый из них – метод множественного доступа с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) рассматривается в данном разделе.

Метод доступа CSMA/CD основан на логической топологии «шина» состоит в следующем:

· адаптеры всех узлов постоянно прослушивают сеть, принимают кадры, передаваемые по сети, анализируют их адресную часть, и если принятый кадр предназначается им, то копируют его в свой буфер;

· если среда передачи свободна, то адаптер любого узла, которому необходимо передавать свою информацию, формирует кадр и передает его в сеть;

· после передачи каждого кадра адаптер обязан выдержать технологическую паузу (межкадровый интервал) для приведения адаптеров в исходное состояние и предотвращения монопольного захвата среды;

· в случае, если среда передачи свободна и два (и более) адаптера начинают передавать свои кадры возникает коллизия – сигналы накладываются и информация искажается. Необходимо обнаружить факт возникновения коллизии и разрешить ее (т.е. повторно передать искаженные кадры);

· факт возникновения коллизии могут определить только передающие адаптеры. Они прослушивают сеть и сравнивают принимаемую информацию с передаваемой ими. Рассогласование служит сигналом об искажении передаваемого кадра, т.е. возникновении коллизии.

· адаптеры передающих узлов после обнаружения коллизии должны сообщить всем остальным адаптерам сети, что передаваемые кадры сбойные. Для этого они прекращают передавать свои кадры, передают специальную 32 битную jam – последовательность и прекращают передачу;

· однако, кадры все равно необходимо передавать в сеть. Для этого на каждом адаптере, участвующем в коллизии, запускается датчик случайных чисел, который определяет временную задержку, по истечении которой этот адаптер опять попытается получить доступ к сети и передать свой кадр. Длительность паузы определяется из выражения:

Т_паузы = L*512 bt,

где bt – битовый интервал (время передачи одного бита) – зависит от скорости передачи;

L – случайное число из диапазона [0..2^N], N – номер попытки передачи кадра.

Если N>16, то попытки передать кадр в сеть прекращаются и кадр отбрасывается.