Аннотация

Здесь мы рассмотрим основные принципы и методы надёжной и эффективной передачи данных между двумя машинами, соединёнными каналом. Под каналом следует понимать любую физическую среду передачи данных. Посредством этой физической среды нужно научиться передавать биты так, чтобы они безошибочно принимались получателем точно в той последовательности, в какой они были переданы.

[Править] Канальный уровень

На уровне канала данных решается ряд проблем, присущих только этому уровню:

• реализация сервиса для сетевого уровня,

• разбиение потока бит на кадры,

• управление потоком кадров,

• обработка ошибок передачи.

Основная задача канального уровня — обеспечить сервис сетевому уровню, а это значит помочь передать данные с сетевого уровня одной машины на сетевой уровень другой машины.

[Править] Разбиение на кадры

Сервис, создаваемый канальным уровнем для сетевого, опирается на сервис, создаваемый физическим уровнем. На физическом уровне протекают потоки битов. Значение посланного бита не обязательно равно принятому, и количество посланных битов не обязательно равно количеству принятых. Всё это требует специальных усилий на канальном уровне по обнаружению и исправлению ошибок.

Типовой подход к решению этой проблемы — разбиение потока битов на кадры и подсчёт контрольной суммы для каждого кадра при посылке данных.

Контрольная сумма — это, в общем смысле, функция от содержательной части кадра (слова длины m), область значений которой — слова фиксированной длины r.

Эти r бит добавляются обычно в конец кадра. При приёме контрольная сумма вычисляется заново и сравнивается с той, что хранится в кадре. Если они различаются, то это признак ошибки передачи. Канальный уровень должен принять меры к исправлению ошибки, например, сбросить плохой кадр, послать сообщение об ошибке тому кто прислал этот кадр. Разбиение потока битов на кадры — задача не простая. Один из способов — делать временную паузу между битами разных кадров. Однако, в сети, где нет единого таймера, нет гарантии, что эта пауза сохранится или, наоборот, не появятся новые. Так как временные методы ненадёжны, то применяются другие. Здесь мы рассмотрим три основных:

• счетчик символов;

• вставка специальных стартовых и конечных символов или последовательностей бит;

• специальная кодировка на физическом уровне.

Первый метод очевиден. В начале каждого кадра указывается сколько символов в кадре. При приёме число принятых символов подсчитывается опять. Однако, этот метод имеет существенный недостаток — счётчик символов может быть искажён при передаче. Тогда принимающая сторона не сможет обнаружить границы кадра. Даже обнаружив несовпадение контрольных сумм, принимающая сторона не сможет сообщить передающей какой кадр надо переслать, сколько символов пропало. Этот метод ныне используется редко.

Второй метод построен на вставке специальных символов. Обычно для этого используют управляющие последовательности: последовательность DLESTX для начала кадра и DLEETX для конца кадра. DLE — Data Link Escape; STX — Start TeXt, ETX — End TeXt. При этом методе если даже была потеряна граница текущего кадра, надо просто искать ближайшую последовательность DLE STX или DLE ETX. Но нужно избегать появления этих комбинаций внутри самого тела кадра. Это осуществляется дублированием комбинаций DLE, встречающихся внутри тела кадра, и удаление дублей после получения кадра. Недостатком этого метода является зависимость от кодировки (кодозависимость).

По мере развития сетей эта связь становилась все более и более обременительной и был предложен новый очевидный кодонезависимый метод — управляющие последовательности должны быть бит-ориентированными. В частности, в протоколе HDLC каждый кадр начинается и заканчивается со специального флаг-байта: 01111110. Посылающая сторона, встретив последовательно 5 единиц внутри тела кадра, обязательно вставит 0. Принимающая сторона, приняв 5 последовательных единиц обязательно удалит следующий за ними 0, если таковой будет. Это называется bit-stuffing. Если принято шесть и за ними следует ноль, то это управляющий сигнал: начало или конец кадра, а в случае, когда подряд идут более шести единиц, — сигнал ожидания или аварийного завершения.

(а) 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1

(б) 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1

Bit Stuffing. (a) исходные данные (б) посылаемые данные. Жирным отмечены вставленные нули.

Таким образом, кадр легко может быть распознан по флаг-байту. Если граница очередного кадра по какой-то причине была потеряна, то все что надо делать — ловить ближайший флаг-байт.

И наконец, последний метод используется там, где конкретизирована физическая среда. Например, в случае проводной связи для передачи одного бита используется два импульса. 1 кодируется как переход высокое-низкое, 0 — как низкое-высокое. Сочетания низкое-низкое или высокое-высокое не используются для передачи данных, и их используют для границ кадра.

На практике используют, как правило, комбинацию этих методов. Например, счётчик символов с флаг-байтами. Тогда, если число символов в кадре соответствует кодировке границы кадра, кадр считается переданным правильно.