SPD_Lektsii / СПД Лекция 9

Лекція № 9 Адаптивні можливості протоколів канального рівня.

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

Навчальні питання:

1.Реалізація функції контролю помилок та підвищення достовірності в протоколах канального рівня.

2.Байт-орієнтовані протоколи канального рівня (BSC).

3.Біт-орієнтовані протоколи канального рівня (HDLC).

Навчально-матеріальне забезпечення:

1.ПЕОМ, мультимедійний проектор.

2.Презентація у форматі PowerPoint.

Навчальна література:

1.Захарченко М.В. Системи передавання даних. Том 1. Завадостійке кодування: Підручник.

–Одеса: «Фенікс», 2009. – 448 с.

2.Барсов В.І., Краснобаєв В.А., Барсов В.А. і ін. Теорія інформації та кодування/ Під загальною редакцією В.І. Барсова: Підручник для студентів ВНЗ – Х.: УІПА, 2011. – 320 с.

1. Загальні поняття про адаптивні СПД.

Канальний рівень забезпечує надійну передачу через фізичний канал. При цьому він виконує наступні функції:

прийом кадру з мережі та відправка його до мережі (основна функції);

виявлення помилок, що виникають на фізичному рівні, і відновлення даних;

контроль за станом каналу, обробка збійних ситуацій (колізій у мережі);

керування потоками даних.

Найпоширенішим методом пошуку помилок є циклічний надлишковий код, на основі якого реалізовані алгоритми находження контрольної суми, що призначені для перевірки цілісності даних (Cyclic Redundancy Check, CRC).

Спосіб виправлення помилок канальним рівнем залежить від типу фізичного каналу. Пряме виправлення засноване на включенні до кадру додаткової інформації. Цей метод зазвичай використовується в каналах передачі із численними помилками (лінії доступу абонентських мереж) або великою затримкою (супутникові канали). Деякі сучасні протоколи канального рівня помилки не виправляють, а тільки виявляють і відкидають ушкоджені кадри (протокол РРР), а помилки усуваються вже за допомогою протоколів верхніх рівнів. Протоколи, що використовують такий метод, розраховані на високоякісні фізичні канали з малою ймовірністю помилок, до яких, зокрема, відносяться ВОЛЗ.

Використання розподіленого середовища робить процедури керування потоком кадрів непотрібними в локальних мережах. Локальна мережа базової топології не може переповнитися кадрами через те, що вузли мережі не можуть почати відправку нового кадру до прийому попереднього кадру станцією призначення. У глобальних мережах потрібні процедури керування потоком кадрів через те, що проміжні комутатори можуть переповнятися при занадто високій інтенсивності трафіку. Приймаюча станція повинна мати можливість, якщо вона зайнята, зупинити передачу. Відповідно, що після звільнення ресурсів приймаюча станція повинна бути здатна знову подати сигнал про готовність до прийому даних.

Дотримання правил використання фізичного каналу є через керування доступом до каналу зв’язку, що визначає черговість передачі кадрів станціями (у локальних мережах – метод випадкового доступу, метод маркерного доступу).

Фізична адресація переданих повідомлень. Канальний рівень не дозволяє робити адресацію в

складних мережах. У випадку сервісу із установленням з’єднання.

обмін між взаємодіючими станціями службовими пакетами, що підтверджують готовність до передачі даних (ініціалізація);

обмін між взаємодіючими станціями службовою інформацією, що підтверджує правильність з’єднання (ідентифікація);

розрив логічного з’єднання (завершення роботи каналу);

Формат даних канального рівня. На фізичному рівні дані представляються у вигляді послідовності бітів. Канальний рівень групує ці біти в блоки, які й передаються на мережний рівень. Канальний рівень оперує блоками даних, що мають назву кадрами (frame). У загальному випадку, кожний протокол канального рівня має свій особливий формат кадру. Склад заголовка кадру залежить від багатьох факторів, обумовлених набором функцій, які виконує протокол. Проте, можна виділити ряд інформаційних полів, які звичайно присутні в заголовку кадру. До таких полів відносяться:

1.Спеціальні поля, призначені для визначення границь кадрів. Оскільки у фізичному середовищі можуть постійно проходити які-небудь сигнали, ці мережні адаптери повинні вміти розбиратися в тому, коли починається передача кадру та коли вона закінчується.

2.Поле, що призначене для визначення протоколу мережного рівня, якому необхідно передати дані. Це обумовлено тим, що на одному комп’ютері можуть функціонувати програмні модулі різних протоколів мережного рівня, то протоколи канального рівня повинні вміти розподіляти дані по цих протоколах.

3.Контрольна сума (або спеціальний код) змісту кадру, що дозволяє приймаючій стороні визначити наявність помилок у прийнятих даних. Принцип її використання полягає в наступному. Мережний адаптер, що передає, після формування кадру обчислює значення його контрольної суми на основі змісту та поміщає це значення в заголовок кадру. Приймаюча сторона також обчислює контрольну суму отриманого кадру та порівнює його зі значенням, яке поміщене у заголовку. Якщо вони не збігаються, то це означає, що під час передачі кадру відбулася помилка.

4.Поля, які призначені для адресації абонентів у складних мережах (визначені для протоколів у мережах, що базуються на складних топологіях).

На практиці поля, що відносяться до заголовка кадру, не завжди розташовуються перед даними. Досить часто поле контрольної суми розташовується після даних. Це забезпечує високу ефективність перевірки кадру при прийомі, тому що до моменту одержання бітів, що відповідають цьому полю, весь кадр уже отриманий, і контрольна сума може бути обчислена. Очевидно також, що поле, яке призначене для визначення кінця кадру, повинне бути останнім полем кадру.

Для більшості протоколів канального рівня існує обмеження на максимально припустимий обсяг даних, переданих в одному кадрі, викликане різними технічними умовами. Характеристику, що встановлює це граничне значення, виражене в байтах, мають назву максимальна одиниця передачі даних (Maximum Transfer Unit, MTU).

Підрівні канального рівня. Стандарт IEEE розділяє канальний рівень на два підрівня:керування логічним лінком (Logical Link Control – LLC);

керування доступом до середовища (Media Access Control – МАС).

LLC забезпечує інтерфейс із мережним рівнем і описується стандартом IEEE 802.2. Цей підрівень при передачі інформації відповідає за об’єднання даних у кадри з адресами та полями контролю, а при одержанні – за обробку кадрів, що включає розпізнавання адреси, перевірку контрольних кодів і розпакування.

МАС, у свою чергу, розбивається ще на кілька рівнів і описується цілим рядом стандартів (ІЕЕЕ 802.3-5, 12 і т. д.) залежно від типу використовуваного середовища передачі даних. Його основна функція – забезпечення доступу до загального середовища передачі даних. Функції цього підрівня різні залежно від конкретного типу середовища. У зв’язку з таким розподілом на підрівні з’являються два типи протоколів:

протоколи, призначені для організації передачі по одному каналу передачі даних;

протоколи для організації багатоланкової передачі даних (використовують протоколи першої групи).

Протоколи другого підрівня повинні дозволити верхньому рівню «безболісно» враховувати можливі зміни сумарної пропускної здатності між двома вузлами мережі, які можуть мати місце при введенні нових або виключенні старих каналів зв’язку.

Прийом кадру з мережі та відправку його в мережу пов’язані із процедурою доступу до середовища передачі даних. У локальних мережах використовується розподілене середовище передачі даних, тому всі протоколи канального рівня локальних мереж включають процедуру доступу до середовища, що і є головною функцією МАС-рівня.

На цьому рівні формується фізична адреса пристрою, приєднаного до каналу. Ця фізична адреса також називається МАС-адресою. Кожний пристрій мережі ідентифікується цією унікальною адресую, що привласнюється всім мережним інтерфейсам пристрою.

Крім того, МАС-рівня повинен погодити дуплексний режим роботи рівня LLC з напівдуплексним режимом роботи фізичного рівня. Для цього він буферизує кадри для того, щоб при одержанні доступу до середовища, передати їх по призначенню. Для доступу до розподіленого середовища в локальних мережах використовується два типи методів доступу:

детерміновані методи (метод опитування; метод передачі права; метод кільцевих слотів);

недетерміновані – випадковий метод (CSMA/CD).

Протоколи другого підрівня. Призначені для виконання наступних функцій:

незалежність від використовуваного середовища передачі;

кодонезалежність переданих даних;

надійний обмін даними;

вибір якості обслуговування при передачі даних.

Незалежність від використовуваного середовища передачі означає, що протоколи верхніх рівнів не залежать від типу та якості використовуваних каналів зв’язку та режимів передачі по даному з’єднанню.

Надійний обмін даними припускає:

імовірності появи в переданих даних вставок, втрат і спотворень досить малі;

можлива вимога збереження порядку проходження переданих по з’єднанню даних.

LLC дає більше високим рівням можливість управляти якістю послуг. LLC забезпечує сервіс трьох типів:

1.Сервіс без підтвердження доставки та установлення з’єднання (LLC1). Він не гарантує доставку кадрів. Цей вид сервісу називається дейтаграмним. Він частіше застосовується в додатках, що використовує протоколи більше високих рівнів, які самі забезпечують захист від помилок і підтримують потокову передачу даних.

2.Сервіс із установленням з’єднання, здатний забезпечити надійний обмін кадрами (LLC2).

Цей сервіс дає користувачеві можливість установити логічне з’єднання перед початком передачі будь-якого блоку даних і, якщо це потрібно, виконати процедури відновлення після помилок і упорядкування потоку цих блоків у рамках установленого з’єднання. Цей сервіс багато в чому аналогічний протоколам сімейства HDLC (LAP-B, LAP-D, LAP-M), які застосовуються в глобальних мережах для забезпечення надійної передачі кадрів на зашумлених лініях.

3.Сервіс без установлення з’єднання з підтвердженням доставки (LLCЗ). Цей сервіс використовується, коли часові витрати встановлення логічного з’єднання перед відправленням даних неприйнятні, а підтвердження коректності прийому переданих даних необхідно.

Використовувані протоколи можна розділити на три групи:знако-орієнтовані (BSC);

байт-орієнтовані (DDCMP);

біт-орієнтовані (SDLC, HDLC. ADCCP, LAP, LAPB, BDLC, UDLC).

Знако-орієнтовані протоколи – протоколи, у яких для функції керування застосовуються структури визначених знаків якогось (первинного) коду. Приклад знако-орієнтованих протоколів:

BSC (Binary Synchronous Communication), SLC (Synchronous Link Control). Властивості знако-

орієнтованих протоколів:

тверда прив’язка процедури до використовуваного первинного коду;

виділення частини знаків первинного коду для цілей керування в процедурі не дозволяє їх

використовувати для передачі даних;

орієнтація процедури на знаки робить її непрозорою стосовно структури переданих даних,

аорганізація прозорості приводить до зниження ефективності;

Необхідність розпізнавання керуючих і інформаційних знаків у потоці наступних по каналу знаків первинного коду накладає тверді обмеження на продуктивність апаратних і програмних пристроїв, що реалізують відповідні функції протоколу. Захисту від помилок підлягають тільки інформаційні знаки, що створює більші труднощі в частині створення надійної процедури.

2. Байт-орієнтовані протоколи канального рівня (BSC).

Прикладом протоколу є DDCMP (Digital Data Communication Message Protocol). Він призначений для синхронної роботи при дуплексних і напівдуплексних з’єднаннях, встановлюваним по виділеним каналам або по тим, що комутуються, по мережах «від точки до точки» або багатоточковим з’єднанням. У форматі кадру цього протоколу виділено дві області:

область керування;

інформаційна область.

Кожна з цих областей закривається своїм кодом із числом перевірочних символів (дорівнює 2 байтам). Перший байт використовується для вказівки та розпізнавання типу кадру (інформаційний, службовий, керуючий). Два байти застосовуються для вказівки довжини інформаційної області (14 перших біт) і керування каналом зв’язку (2 останніх біти). Три байти несуть інформацію про номер, що повертається, отриманого від віддаленої станції інформаційного кадру, порядковому номері переданого інформаційного кадру та адреси станції, якій направляється даний кадр (у багатоточковому з’єднанні). Слідом за байтами заголовка та відповідними йому двома перевірочними байтами слідують інформаційні байти, за якими знову два перевірочних байти. Цей протокол не можна назвати строго байт-орієнтованим, оскільки елементи того самого байту (останнього із двох, призначених для вказівки довжини інформаційного поля та керування каналом зв’язку) застосовуються для керування двома різними функціями. Його можна розглядати, як перехідний варіант від знако-орієнтованих до біт-орієнтованих протоколів.

DDCMP є кодонезалежним – відсутні обмеження на будь-які комбінації бітів і байтів в інформаційній області. Кодонезалежність забезпечується підрахунком числа байтів в інформаційній області та передачею його в заголовку інформаційного кадру. DDCMP забезпечує синхронізацію по кадрах і повідомленнях (передбачається, що побітова синхронізація забезпечується на фізичному рівні).

Синхронізація реалізується за допомогою стартостопного методу передачі, де в якості стартової посилки використовуються 2 байти синхронізації, що посилаються на початку кожного кадру. Кінець кадру розраховується по числу, що знаходиться в кадрі байту керування.

3. Біт-орієнтовані протоколи канального рівня (HDLC).

Приклади протоколів:

SDLC (Synchronous Data Link Control Protocol);

ADCCP (Advanced Data Communication Control Procedures);

HDLC (High–Level DLC);

LAP (Link Access Procedures);

LAPB (Balanced LAP);

BDLC (Burroughs DLC);

UDLC (Univac DLC).

Вони використовують виділену в кадрі керуючу область, двійкові символи якої використовуються для організації керування. При такому підході застосування області керування з m двійкових символів дозволяє визначити до 2*m різних команд. Таким же чином, виділяється адресна область (А), інформаційна область (І), область перевірочних символів (FCS). Кадри передаються на основі старт-стопового принципу, тобто на початку стартова, а наприкінці

фінальна бітові послідовності (прапори F). Властивості протоколів:

забезпечують кодонезалежність передачі даних;

легко пристосовуються до різних умов застосування;

дозволяють вести як напівдуплексний, так і дуплексний обмін даними;

забезпечують високу надійність і ефективність використання різних каналів зв’язку.

Протокол HDLC (High-level Data Link Control Protocol) – протокол управління каналом

зв’язку високого рівня. Він був розроблений ISO на базі протоколу SDLC, що був першим із протоколів канального рівня, які базуються на синхронному біт-орієнтованому режимі роботи. Існує три типи станцій (вузлів) HDLC.

1.Первинна станція (провідна) управляє ланкою передачі даних (каналом). Відповідає за організацію потоків переданих даних і відновлення працездатності ланки передачі даних. Ця станція передає кадри команд вторинним станціям, підключеним до каналу. У свою чергу, вона одержує кадри відповіді від цих станцій. Якщо канал є багатоточковим, головна станція відповідає за підтримку окремого сеансу зв’язку з кожною станцією, підключеною до каналу.

2.Вторинна станція (ведена) працює як залежна стосовно первинної станції (провідної). Вона реагує на команди, одержувані від первинної станції, у вигляді відповідей. Підтримує тільки один сеанс, а саме тільки з первинною станцією. Вторинна станція не відповідає за керування каналом.

3.Комбінована станція поєднує у собі одночасно функції первинної та вторинної станцій. Передає як команди, так і відповіді, а також одержує команди та відповіді від іншої комбінованої станції, з якою підтримує сеанс.

Існують 3 логічних стани, у яких можуть перебувати станції в процесі взаємодії один з одним.

1.Стан логічного роз’єднання (LDS). У цьому стані станція не може вести передачу або приймати інформацію. Якщо вторинна станція перебуває в нормальному режимі роз’єднання (Normal Disconnection Mode, NDM), вона може прийняти кадр тільки після одержання явного дозволу на це від первинної станції. Якщо станція перебуває в асинхронному режимі роз’єднання (Asynchronous Disconnection Mode, ADM), вторинна станція може ініціювати передачу без одержання на це явного дозволу, але кадр повинен бути єдиним кадром, що вказує статус первинної станції. Умовами переходу в стан LDS можуть бути початкове або повторне (після короткочасного відключення) включення джерела живлення; ручне керування встановленням у вихідний стан логічних ланцюгів різних пристроїв станції та визначається на основі прийнятих системних угод.

2.Стан ініціалізації (IS). Цей стан використовується для передачі керування на віддалену вторинну/комбіновану станцію, її корекції якщо буде потреба, а також для обміну параметрами між вилученими станціями в ланці передачі даних, використовуваними в стані передачі інформації.

3.Стан передачі інформації (ITS). Вторинній, первинній та комбінованій станціям дозволяється вести передачу та приймати інформацію користувача. У цьому стані станція може перебувати в режимах NRM, ARM і ABM.

Також існують 3 режими роботи станції в стані передачі інформації, які можуть установлюватися та відмінятися в будь-який момент.

Режим нормальної відповіді (Normal Response Mode, NRM) вимагає, щоб перш, ніж почати передачу, вторинна станція одержала явний дозвіл від первинної. Після одержання дозволу вторинна станція починає передачу відповіді, що може містити дані. Поки канал використовується вторинною станцією, може передаватися один або більше кадрів. Після останнього кадру вторинна станція повинна знову чекати явного дозволу, перш ніж знову почати передачу. Як правило, цей режим використовується вторинними станціями в багаготочкових конфігураціях ланки передачі даних.

Режим асинхронної відповіді (Asynchronous Response Mode, ARM) дозволяє вторинній станції ініціювати передачу без одержання явного дозволу від первинної станції (зазвичай, коли канал вільний або у стані спокою). Цей режим надає більшу гнучкість роботи вторинної станції. Можуть передаватися один або кілька кадрів даних або керуюча інформація, що відображає зміну

статусу вторинної станції. ARM може зменшити накладні витрати, оскільки вторинна станція, щоб передати дані, не має потреби в послідовності опитування. Як правило, такий режим використовується для керування з’єднаними в кільце станціями або ж у багатоточкових з’єднаннях з опитуванням по ланцюжку. В обох випадках, вторинна станція може одержати дозвіл від іншої вторинної станції та у відповідь на нього почати передачу. У такий спосіб дозвіл на роботу просувається по кільцю або уздовж з’єднання.

Асинхронний збалансований режим (Asynchronous Balanse Mode, ABM) використовують комбіновані станції. Комбінована станція може ініціювати передачу без одержання попереднього дозволу від іншої комбінованої станції. Цей режим забезпечує 2-сторонній обмін потоками даних між станціями і є основним і найбільше часто використовуваним на практиці.

Існують три способи конфігурації каналу для забезпечення сумісності взаємодій між станціями, що використовують основні елементи процедур HDLC і здатних у процесі роботи міняти свій статус (первинна, вторинна, комбінована):

Незбалансована конфігурація (Unbalanced Normal, UN) забезпечує роботу однієї первинної станції та однієї або більшого числа вторинних станцій у конфігурації одноточкової або багатоточкової. Конфігурація називається незбалансованою тому, що первинна станція відповідає за керування кожною вторинною станцією та за виконання команд установлення режиму.

Симетрична конфігурація (Unbalanced Asynchronous, UA) була у початковій версії стандарту HDLC і використовувалася в перших мережах. Ця конфігурація забезпечує функціонування двох незалежних 2-точкових незбалансованих конфігурацій станцій. Кожна станція має статус первинної та вторинної, і, отже, кожна станція, логічно, розглядається як дві станції: первинна та вторинна. Головна станція передає команди вторинної станції на іншому кінці каналу, і навпаки. Незважаючи на те, що станція може працювати в якості первинної, так і вторинної станції, які є самостійними логічними об’єктами, реальні команди та відповіді мультиплексуються в один фізичний канал. Цей підхід використовується не часто.

Збалансована конфігурація (Balanced Asynchronous, BA) складається із двох комбінованих станцій, метод передачі – напівдуплексний або дуплексний, канал – що комутується або що не комутується. Комбіновані станції мають рівний статус у каналі та можуть не санкціоновано посилати один одному трафік. Кожна станція несе однакову відповідальність за керування каналом.

Формат кадру HDLC має наступні елементи.

Прапор. Всі кадри повинні починатися та закінчуватися полями прапора 01111110. Станції, підключені до каналу, постійно контролюють двійкову послідовність прапора. Прапори можуть постійно передаватися по каналу між кадрами HDLC. Для індексації виняткової ситуації в каналі можуть бути послані 7 підряд «1». 15 або більше число «1» підтримують канал у стані спокою. Якщо приймаюча станція виявить послідовність бітів, яка не є прапором, вона тим самим повідомляється про початок кадру, про виняткову (з аварійним завершенням) ситуації або ситуації спокою каналу. При виявленні наступної фінальної послідовності станція буде знати, що надійшов повний кадр.

Адресне поле визначає первинну або вторинну станції, що беруть участь у передачі конкретного кадру. Кожній станції привласнюється унікальна адреса. У незбалансованій системі адресні поля в командах і відповідях містять адреса вторинної станції. У збалансованих конфігураціях командний кадр містить адреса одержувачів, а кадр відповіді містить адресу передавальної станції.

Керуюче поле задає тип команди або відповіді, а так само порядкові номери, використовувані для звітності про проходження даних у каналі між первинною та вторинною станціями. Формат і зміст керуючого поля визначають кадри 3-ох типів: інформаційні (І), супервізорні (S) і ненумеровані (U). Інформаційний формат (І) використовується для передачі даних кінцевих користувачів між двома станціями. Супервізорний формат (S) виконує керуючі функції: підтвердження (квітування) кадрів, запит на повторну передачу кадрів і запит на часову затримку передачі кадрів. Фактичне використання супервізорного кадру залежить від режиму роботи станції (режим нормальної відповіді, асинхронний збалансований режим, асинхронний режим відповіді).

Ненумерований формат (U) також використовується для цілей керування: ініціалізації або роз’єднання, тестування, скидання та ідентифікації станції і т. д. Конкретний тип команди та відповіді залежить від класу процедури HDLC.

Інформаційне поле містить дійсні дані користувача. Інформаційне поле є тільки в кадрі інформаційного формату. Його не має в кадрі супервізорного або ненумерованого формату.

Поле CRC (контрольна послідовність кадру) використовується для виявлення помилок передачі між двома станціями. Передавальна станція здійснює обчислення над потоком даних користувачів, і результат цього обчислення включається до кадру в якості поля CRC. У свою чергу, приймальна станція робить аналогічні обчислення та порівнює отриманий результат з полем CRC. Якщо має місце збіг, велика ймовірність того, що передача відбулася без помилок. У випадку розбіжності, можливо, мала місця помилка передачі, і приймаюча станція посилає негативне підтвердження, що означає, що необхідно повторити передачу кадру. Обчислення CRC називається циклічним контролем за надмірністю та використовує деякий утворюючий поліном відповідно до рекомендації МСЕ V.41. Цей метод дозволяє виявляти всілякі кортежі помилок довжиною не більше 16 розрядів, викликані одиночною помилкою, а також 99,9984% всіляких більше довгих кортежів помилок.

В свою чергу, за призначенням всі кадри підрозділяються на 3 типи.

1.Інформаційні – призначені для передачі інформації в процедурах із установленням логічного з’єднання й повинні обов’язково містити поле інформації. У процесі передачі інформаційних блоків здійснюється їхня нумерація в режимі ковзного вікна.

2.Керуючі – призначені для передачі команд і відповідей у процедурах із установленням логічного з’єднання, у тому числі запитів на повторну передачу перекручених інформаційних блоків.

3.Ненумеровані – призначені для передачі ненумерованих команд і відповідей, що виконують

упроцедурах без установлення логічного з’єднання передачу інформації, ідентифікацію та тестування, а в процедурах із установленням логічного з’єднання – установлення та роз’єднання логічного з’єднання, а також інформування про помилки.