Асинхронные и синхронные протоколы

Канальный уровень оперирует кадрами данных и обеспечивает синхронизацию между приемником и передатчиком на уровне кадров.

Обычно достаточно обеспечить синхронизацию на двух уровнях - битовом и кадровом, - чтобы передатчик и приемник смогли обеспечить устойчивый обмен информацией. Однако при плохом качестве линии связи (телефонным коммутируемым каналам) для удешевления аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синхронизации на уровне байт. Такой режим работы называется асинхронным или старт-стопным. Другой причиной использования такого режима работы является наличие устройств, которые генерируют байты данных в случайные моменты времени. Так работает клавиатура дисплея или другого терминального устройства, с которого человек вводит данные для обработки их компьютером.

В асинхронном режиме каждый байт данных сопровождается специальными сигналами «старт» и «стоп» (рис. 2.20, а). Асинхронным описанный режим называется потому, что каждый байт может быть несколько смещен во времени относительно побитовых тактов предыдущего байта.

Рис. 2.20. Асинхронная (а) и синхронная (б) передачи на уровне байт

При синхронном режиме передачи старт-стопные биты между каждой парой байт отсутствуют. Пользовательские данные собираются в кадр, который предваряется байтами синхронизации (рис. 2.20, б). Байт синхронизации - это байт, содержащий заранее известный код, например 0111110, который оповещает приемник о приходе кадра данных. При его получении приемник должен войти в байтовый синхронизм с передатчиком, то есть правильно понимать начало очередного байта кадра. Иногда применяется несколько синхробайт для обеспечения более надежной синхронизации приемника и передатчика.

Управление потоком

Другая важная проблема, которая решается на канальном уровне — управление потоком. Вполне может случиться, что отправитель будет слать кадры столь часто, что получатель не будет успевать их обрабатывать (например, если машина-отправитель более мощная или загружена слабее, чем машина-получатель). Для борьбы с такими ситуациями вводят управления потоком. Это управление предполагает обратную связь между отправителем и получателем, которая позволяет им урегулировать такие ситуации. Есть много схем управления потоком и все они в основе своей имеют следующий сценарий: прежде, чем отправитель начнёт передачу, он спрашивает у получателя сколько кадров тот может принять. Получатель сообщает ему определённое число кадров. Отправитель после того, как передаст это число кадров, должен приостановить передачу и снова спросить получателя, как много кадров тот может принять, и т.д.

Методы обнаружения и исправления ошибок

Существует несколько методов:

ü Коды с обнаружением ошибок – в надежных каналах (оптоволокно) «дешевле» использовать данный способ и передать поврежденные данные заново.

ü Коды с исправлением ошибок – используются в ненадежных средах, когда «дешевле» корректировать ошибку, чем переслать данные повторно (беспроводная передача).

Методы обнаружения ошибок

Все методы обнаружения ошибок основаны на передаче в составе кадра данных служебной избыточной информации, по которой можно судить о достоверности принятых данных. Эту служебную информации принято называть контрольной суммой (или последовательностью контроля кадра — Frame Check Sequence, PCS). Контрольная сумма вычисляется как функция от основной информации. Принимающая сторона повторно вычисляет контрольную сумму кадра по известному алгоритму и в случае ее совпадения с контрольной суммой, вычисленной передающей стороной, делает вывод о корректости переданных данных.

Существует несколько распространенных алгоритмов вычисления контрольной суммы.

Контроль по паритету представляет собой наиболее простой метод контроля дан­ных, обнаруживающий только одиночные ошибки в проверяемых данных. Метод заклю­чается в суммировании по модулю 2 всех бит контролируемой информации (или добавление к блоку данных бита четности, чтобы количество единиц в блоке было четным). Результат суммирования также представляет собой один бит данных, который пересылается вместе с контролируемой информацией. Однако двойная ошибка, например 110101010, будет неверно принята за коррект­ные данные. Метод редко применяется в вычислительных сетях из-за его боль­шой избыточности (1/8).

Вертикальный и горизонтальный контроль по паритету представляет собой моди­фикацию описанного выше метода. Его отличие состоит в том, что исходные данные рассматриваются в виде матрицы, строки которой составляют байты данных. Конт­рольный разряд подсчитывается отдельно для каждой строки и для каждого столбца матрицы. Этот метод обнаруживает большую часть двойных ошибок, однако облада­ет еще большей избыточностью. На практике сейчас почти не применяется.

Циклический избыточный контроль (Cyclic Redundancy Check, CRC) является в настоящее время наиболее популярным методом контроля в вычислительных се­тях (и не только в сетях, например, этот метод широко применяется при записи данных на диски и дискеты). Метод основан на рассмотрении исходных данных в виде одного многоразрядного двоичного числа. В качестве контрольной информации рассматривается остаток от деления этого числа на известный делитель R. При получении кадра данных снова вычисляется остаток от деления на тот же делитель R, но при этом к данным кадра добавляется и содержащаяся в нем контрольная сумма. Если остаток от деления на R равен нулю, то делается вывод об отсутствии ошибок в полученном кадре, в противном случае кадр считается искаженным. Метод CRC обнаруживает все одиночные ошибки, двойные ошибки и ошибки в нечетном числе бит. Метод обладает также невысокой степенью избыточности (4 байта).

Методы коррекции ошибок

Техника кодирования, которая позволяет приемнику не только понять, что присланные данные содержат ошибки, но и исправить их, называется прямой коррекцией ошибок - (Forward Error Correction, FEC). Коды, которые обеспечивают прямую коррекцию ошибок, требуют введения большей избыточности в передаваемые данные, чем коды, только обнаруживающие ошибки.

Код Хэмминга представляет собой код, который позволяет выявить и исправить ошибочно переданный бит в пределах переданного блока. Обычно код Хэмминга характеризуется двумя целыми числами, например, (11,7) используемый при передаче 7-битных ASCII-кодов. Такая запись говорит, что при передаче 7-битного кода используется 4 контрольных бита (7+4=11). При этом предполагается, что имела место ошибка в одном бите.

Расстояние Хэмминга для двух кодов равной длины равно числу разных бит в этих кодах.

Рассмотрим пример передачи кода буквы s = 0x073 = 1110011 с использованием кода Хэмминга.

Позиция бита:
Значение бита:				*				*		*	*

Символами * помечены четыре позиции, где должны размещаться контрольные биты. Эти позиции определяются целой степенью 2 (1, 2, 4, 8 и т.д.). Контрольная сумма формируется путем выполнения операции XOR (исключающее ИЛИ) над кодами позиций ненулевых битов. В данном случае это 11, 10, 9, 5 и 3. Вычислим контрольную сумму:

11 =
10 =
09 =
05 =
03 =
S =

Таким образом, приемник получит код:

Позиция бита:
Значение бита:

Просуммируем снова коды позиций ненулевых битов и получим нуль.

11 =
10 =
09 =
08 =
05 =
04 =
03 =
02 =
S =

Ну а теперь рассмотрим два случая ошибок в одном из битов посылки, например, в бите 7 (1 вместо 0) и в бите 5 (0 вместо 1). Просуммируем коды позиций ненулевых бит еще раз.

11 =   10 =   09 =   08 =   07 =   05 =   04 =   03 =   02 =   S =

11 =   10 =   09 =   08 =   04 =   03 =   02 =   S =

В обоих случаях контрольная сумма равна позиции бита, переданного с ошибкой. Теперь для исправления ошибки достаточно инвертировать бит, номер которого указан в контрольной сумме. Понятно, что если ошибка произойдет при передаче более чем одного бита, код Хэмминга при данной избыточности окажется бесполезен.

Пульсации ошибок характерны для беспроводных каналов, в которых применяют сверточные коды. Поскольку для распознавания наиболее вероятного корректного кода в этом методе задействуется решетчатая диаграмма, то такие коды еще называют решетчатыми. Эти коды используются и в модемах.