Методы управления трафиком на физическом уровне

Способы разделения кадров

На физическом уровне для разделения потока битов, соответствующих разным блокам данных 2-го уровня – кадрам, могут использоваться различные способы:

1) указание в заголовке кадра его длины и подсчет количества символов в процессе приема потока данных (основной недостаток – неустойчивость к помехам);

2) использование в качестве границы кадров запрещенных сигналов физического уровня;

3) использование в качестве границы кадров специальных стартовых и стоповых символов (байтов);

4) использование в качестве границы кадров специальных последовательностей битов.

Бит-стаффинг

При использовании в качестве границы кадров специальных последовательностей битов возникает проблема, связанная с тем, что такая последовательность битов может встретиться внутри кадра и будет ошибочно воспринята аппаратурой передачи данных как обрамление, т.е. как начало следующего кадра. Для исключения этого используется процедура обеспечения прозрачности канала – бит-стаффинг. Бит-стаффинг (bit stuffing – вставка битов) – техника вставки и стирания битов, используемая в высокоскоростных цифровых каналах связи с большим числом линий связи, не имеющих взаимной синхронизации, а также средство синхронизации в протоколах управления каналом связи типа HDLC. Бит-стаффинг реализуется следующим образом. На передающем узле после пяти подряд следующих единиц внутри кадра принудительно вставляется 0, который автоматически изымается на приемном узле. Таким образом, исключается возможность появления внутри кадра последовательности битов 01111110, используемой для разделения кадров.

Управление трафиком на канальном уровне

На канальном уровне управление потоком в канале связи между двумя узлами реализуется за счет применения:

· механизма квитирования;

· механизма тайм-аута;

· механизма скользящего окна.

Квитирование

Механизм квитирования предназначен для обеспечения надёжной передачи данных (кадров или пакетов) и может быть реализован как на канальном, так и на более высоком уровне (например, сетевом или транспортном) OSI-модели. Положим, что в некоторый момент времени узел У1 отправляет в узел У2 кадр с данными (Д), причём копия отправленного кадра сохраняется в буферной памяти узла. Узел У2 после получения кадра от узла У1 подсчитывает контрольную сумму и сравнивает её со значением, содержащимся в концевике. Если эти значения не совпадают, то узел У2 формирует и отправляет узлу У1 специальный служебный кадр (К–), называемый отрицательной квитанцией, свидетельствующей о том, что кадр был передан с ошибкой. Узел У1 анализирует квитанцию и, если квитанция была отрицательной, повторно посылает тот же самый кадр Д. Если подсчитанная в узле У2 контрольная сумма совпадает со значением, содержащимся в концевике, то узел У2 формирует и отправляет положительную квитанцию (К+), свидетельствующую о том, что кадр был передан без ошибок. Узел У1 анализирует квитанцию и, если квитанция была положительной, удаляет сохранённую копию этого кадра из буферной памяти.

Тайм-аут

Недостаток рассмотренного механизма квитирования состоит в том, что в случае потери кадра данных или квитанции в процессе передачи между узлами У1 и У2 узел-отправитель У1 может ожидать прихода квитанции бесконечно долго. При этом становится невозможной передача других данных к узлу У2, что может привести в конечном счёте к прекращению передачи данных в сети. Для исключения подобной ситуации был реализован механизм тайм-аута, заключающийся в следующем. Узел-отправитель У1 после завершения передачи данных (кадра) к узлу У2 запускает таймер и ожидает поступления квитанции (положительной или отрицательной) в течение ограниченного промежутка времени D t, называемого тайм-аутом.

Величина тайм-аута выбирается из следующего условия: D t должно быть больше, чем удвоенное время передачи кадра между узлами, то есть к D t > 2t. Время передачи кадра между узлами к складывается из времени распространения сигнала по каналу связи с и времени передачи кадра максимальной длины.

Если по истечении тайм-аута D t узел-отправитель У1 не получает квитанцию, то он повторно передаёт тот же кадр. Для исключения бесконечного числа передач одного и того же кадра обычно устанавливается некоторое предельное количество попыток передать кадр, после которого передача этого кадра прекращается, и данное направление передачи (маршрут) исключается из рассмотрения и в дальнейшем не используется, поскольку предполагается, что канал или узел данного маршрута находится в неисправном состоянии. Для рассматриваемого кадра выбирается новое направление передачи в соответствии с используемым методом маршрутизации.

Недостатком рассмотренного способа передачи данных является низкий коэффициент полезной загрузки канала, обусловленный большими накладными расходами на ожидание и передачу служебных квитанций.

Коэффициент полезной загрузки канала, измеряемый как доля времени, используемого для передачи непосредственно пользовательских данных, составляет менее 30%, в чём несложно убедиться, используя следующие рассуждения.

Скользящее окно

Для увеличения коэффициента полезной загрузки канала используется механизм «скользящего окна». Механизм скользящего окна может быть реализован только при наличии дуплексного канала. При этом, кадры данных и квитанции могут передаваться одновременно по разным каналам.

Суть механизма «скользящего окна» заключается в следующем. Узел-отправитель может послать подряд несколько кадров данных без получения на эти кадры квитанций. При этом кадры циклически нумеруются от 1 до W, где W – размер (ширина) окна – максимальное количество кадров, которые могут быть переданы без подтверждения. Номер кадра указывается в заголовке. Ширина окна может быть выбрана из условия максимальной загрузки прямого канала связи от узла-отправителя к узлу-получателю, которая может быть достигнута за счёт передачи ещё нескольких кадров за время ожидания квитанции на первый кадр.