Лекции по компютърни мрежи и комуникации

Данните за каналното ниво представляват последователност от кадри (frame).

Ако един кадър се загуби поради шум в линията, каналното ниво не прави опит да възстанови този кадър. Това обслужване е подходящо при канали с много малка честота на грешките, което позволява функциите по възстановяване на загубената информация да се поемат от по-горни нива в йерархията. Такова обслужване се реализира в повечето LAN. То също се използва когато навременното получаване на кадрите е по-важно от тяхната достоверност.

При потвърденото и неустановено обслужване отново не се установява връзка между източника и получателя, но получаването на всеки кадър се потвърждава самостоятелно от получателя. Това дава възможност за повторно изпращане на непотвърдените кадри.

По принцип потвърждаването на получената информация е функция на транспортното ниво, но там то се отнася до последователности от пакети. Потвърждаването на каналното ниво има смисъл при ненадеждна комуникационна среда, каквато е безжичната, тъй като повторно ще се предават само непотвърдените кадри.

При потвърденото и установено обслужване има три фази. През първата фаза се установява връзка и се заделят необходимите ресурси (локални буфери, броячи и т.н.). През втората фаза се изпращат кадрите, а през третата фаза се освобождават ангажираните ресурси. При това обслужване се гарантира не само успешното предаване на кадъра, но и последователността в която се предават кадрите.
Друг проблем, който е свързан с управлението на обмена на канално ниво е източникът да изпраща кадри по-бързо, отколкото те могат да бъдат приети от получателя. За целта се въвеждат механизми за управление на потока от кадри, който осигурява обратна информация на източника за темпа на предаване.

Обикновено механизмите по управление на обмена се изпълняват в транспортния слой над по-големи информационни единици, обхващащи последователност от кадри.

Всеки кадър се състои от заглавна част (header), поле за данни, което съдържа пакета и опашка (trailer). Дължината на кадъра обикновено е ограничена отгоре.

Физическото ниво възприема информацията от каналното ниво като поток от битове, без да се интересува от нейната структура.

Получателят идентифицира в потока от битове кадрите и въз основа на служебната информация в тях ги контролира за грешки.

За целта опашката на кадъра съдържа контролна сума (обикновено 2 байта), която се изчислява върху останалата част от кадъра преди той да бъде предаден. Когато кадърът пристигне в получателя, контролната сума се преизчислява и ако тя е различна от предадената контролна сума, то получателят отхвърля кадъра и евентуално изпраща съобщение за грешка към източника. Ако контролните суми съвпаднат, то се премахва служебната информация на кадъра и информационният поток се предава на мрежовото ниво вече под формата на пакети.
Разделянето на потока от битове на кадри не е тривиална задача.

Един начин е между всеки два кадъра да се въведе времеви интервал. Този подход е твърде несигурен, тъй като времевите интервали могат да се променят по време на предаването.

Понастоящем основно се използват три метода.

При първия метод се броят отделните символи. В заглавието на кадъра се указва броя на символите в целия кадър. Когато каналното ниво на получателя прочете броя на символите в заглавната част на кадъра, то знае колко символа предстоят до края на кадъра. Основният проблем на този метод е, че броят на символите може да бъде сгрешен по време на предаването, при което получателят ще загуби синхронизация и няма да може да определи началото на следващия кадър. Дори при неправилна контролна сума, получателят не знае началото на следващия кадър, въпреки че разбира, че текущият кадър е сгрешен.

Възможно е, обаче, служебните символи да се срещат като битови последователности в оригиналните данни. За решение на този проблем се въвежда друг служебен символ DLE (data link escape), който се вмъква преди всяко срещане на служебен символ (STX, ETX, DLE) в данните. Например, ако потокът, предаван от мрежовия слой на източника е A STX DLE B, той ще се преобразува в A DLE STX DLE DLE B.

Каналното ниво на получателя ще премахне символите DLE (като при два последователни DLE, единият се запазва) преди да предаде данните на мрежовото ниво на получателя.

При по-новите протоколи се използва един и същ символ за маркиране на началото и края на кадъра.

Недостатъкът на този метод е, че той се обвързва с 8-битови символи, кодирани в ASCII.
С развитието на мрежите стана възможно кадрите да съдържат произволно цяло число битове. За такива кадри се използва третия метод, при който началото и края на всеки кадър се маркира с битовата последователност 01111110, наречена флагов байт.

За да се предотврати погрешното определяне на граница на кадър, ако тази последователност от битове се срещне в данните на кадъра, след всеки 5 единици в данните източникът добавя по една нула. Техниката се нарича вмъкване на битове (bit stuffing).

Например, ако потокът от битове, предаван от мрежовия слой на източника е 0110111111111110, то каналният слой ще го преобразува в 011011111011111010. Каналното ниво на получателя премахва нулата след всеки 5 единици в данните, преди да ги подаде на мрежовото ниво.

За постигане на допълнителна сигурност при много протоколи броенето на символи се комбинира с някой от другите два метода.

Тогава B не може да реагира, тъй като не е регистрирал грешка.

За да се избегне тази ситуация, A стартира брояч на време

(time-out) с изпращането на всеки кадър. Времето, което отчита брояча трябва да е по-голямо от времето за предаване на кадъра, обработката му в приемника и получаване на потвърждение.

Ако кадърът не се потвърди в рамките на това време, то A предава кадърът отново. Тук се обхваща случая в който A получава от B сгрешено потвърждение (това е равносилно с изтичане на времето за потвърждение).
Възможно е A да изпрати кадър към B, този кадър да се

получи в B, но потвърждението да се изгуби. В този случай A не знае дали изпратеният кадър въобще е пристигнал до B.

При всички положения A изпраща наново кадъра и ако не се вземат мерки, B ще получи същия кадър и ще го изпрати към мрежовото ниво, което ще доведе до недопустимо дублиране на данните. За целта с всеки кадър се свързва пореден номер.

В случая е достатъчно номерът да е един бит (0 или 1). Във всеки един момент B очаква кадър с определен номер. Ако B получи кадър с друг номер, този кадър е дубликат и се отхвърля. Ако B получи кадър с очаквания номер, кадърът се приема и очакваният номер на кадър се инвертира (ако е бил 0 става 1, ако е бил 1 става 0). От своя страна A номерира алтернативно кадрите, които изпраща към B. Естествено, ако даден кадър бъде изпратен отново неговият номер не се променя.

При този подход кадрите с данни от A към B (съответно от B към A) се смесват с потвържденията от A към B (от B към A) и за да се различават отделните кадри, в заглавната част на кадъра се добавя поле за тип на кадъра. Възможно е още едно подобрение.

Когато в B или в A пристигне кадър с данни, то B (съответно A) не изпраща потвърждаващ кадър веднага, а изчаква мрежовият слой да подаде данни и потвърждението се прикачва към кадъра с данни (за целта отново се използва поле в заглавната част на кадъра). Предимството на този подход е, че полето за потвърждение е само няколко бита, докато отделен кадър за потвърждение включва собствена заглавна част и контролна сума.

Проблемът е, че данните от мрежовото ниво, към които трябва да се прикрепи потвърждението може да се забавят прекалено дълго и броячът на време в A (съответно в B) да изтече, което ще доведе до повтаряне на кадъра. Обикновено решението е следното - A (съответно B) изчаква фиксиран брой милисекунди и ако дотогава не пристигне пакет от мрежовото ниво, A (съответно B) изпраща самостоятелен потвърждаващ кадър.

2ⁿ - 1, така че номерът да се вмества точно в n бита.

Във всеки един момент предавателят поддържа множество от поредни номера на кадри, които са готови за изпращане - тези кадри попадат в прозореца на предавателя. От друга страна,

получателят поддържа прозорец на получателя, в който се буферират получените кадри. Не е задължително двата прозореца да имат един и същ размер.

Поредните номера в рамките на прозореца на предавателя съответстват на кадри, които вече са били изпратени и чакат потвърждение. Когато от мрежовото ниво на предавателя пристигне нов пакет, той се номерира с (k+1) % 2ⁿ, където k е номерът на последния кадър в прозореца и веднага се изпраща към получателя. Съответно горната граница на прозореца се придвижва напред. Когато в предавателя пристигне потвърждение, долната граница на прозореца се придвижва напред. Тъй като кадрите в прозореца на предавателя могат да се изкривят или изгубят, те трябва да се съхраняват за евентуалното им повторно изпращане. Така предавателят трябва да разполага с 2^s буфера. Освен това, предавателят трябва да може да преустанови подаването на пакети от мрежовото ниво, ако прозорецът бъде запълнен изцяло.

Номерата на кадрите в този прозорец съответстват на кадри, които могат да бъдат получени. Когато в получателя пристигне кадър, чийто номер съвпада с долната граница на неговия прозорец, данните от този кадър се предават към мрежовия слой на получателя и прозорецът се завърта напред, т.е. придвижват се и горната и долната му граница. Ако номерът на пристигналия кадър попада в прозореца, но не съвпада с долната му граница, този кадър не се отхвърля, а се буферира.

За разлика от прозореца на предавателя, прозорецът на получателя има фиксиран размер.

Ако прозорецът на получателя има размер 1, то кадрите се приемат в реда в който са изпратени, но при прозорец на получателя с по-голям размер това не е така. За да поддържа прозорец на предавателя трябват 2^m буфера и битова карта с размер 2^m, която показва кои буфери са запълнени.

При m = 0 няма нужда от битова карта - буферът е един и кадърът в него директно се изпраща към мрежовия слой на получателя.
При наличие на сгрешен или изгубен кадър, предавателят ще продължи да предава кадри, преди да разбере че има проблем.

Въпросът е какво да прави получателят с успешно получените кадри след сгрешен или изгубен кадър.

При тази стратегия, когато в предавателя пристигне потвърждение за кадърът с номер k, кадрите с номера k-1, k-2, … до долната граница на прозореца на предавателя се потвърждават автоматично и съответно новата долна граница на прозореца на предавателя се придвижва към (k+1) % 2ⁿ.

Ако прозорецът на предавателя има ширина 2ⁿ, той може да съдържа най-много 2ⁿ - 1 кадри за предаване, поради следният проблем - ако прозорецът на предавателя съдържа 2ⁿ кадъра, то потвърждаването на кадър с номер 2ⁿ - 1 може да означава както, че всички кадри са били приети успешно, така и че всички кадри са били отхвърлени (изгубени).
Другата стратегия (selective repeat) е получателят да буферира успешно получените кадри след сгрешен или изгубен кадър. Когато броячът на време в предавателя изтече, той изпраща наново само най-стария сгрешен (изгубен) кадър. Ако повторното изпращане е успешно, получателят може последователно да изпрати към своя мрежов слой кадрите, които е буферирал. Обикновено при тази стратегия получателят изпраща служебен кадър, който известява на предавателя за сгрешен или изгубен кадър - това води до по-бързо повторно предаване на съответния кадър. Стратегията съответства на размер на прозореца на получателя по-голям от 1.

Всеки успешно получен кадър, чийто номер попада в прозореца на получателя се буферира и се изпраща към мрежовия слой чак след като са изпратени предшестващите го в прозореца кадри.

При тази стратегия възниква следният проблем - когато прозорецът на получателя се придвижва в даден момент той може да се припокрие с прозореца на предавателя (горната граница на прозореца на получателя да настигне долната граница на прозореца на предавателя). Тъй като получателят приема всички кадри в рамките на своя прозорец, то има опасност непотвърден кадър от прозореца на предавателя да се дублира. За целта ширините на прозорците се избират така, че 2^s+2^m  2ⁿ, което гарантира че не е възможно да се получи подобно припокриване.

Например, при 4-битови номера за ширина и на двата прозореца може да се избере 8.

И двата протокола са битово-ориентирани и използват вмъкване на битове за правилно идентифициране на кадрите.

Форматът на кадъра в HDLC е следния:

В началото и в края на кадъра са флаговете за маркиране на границите на кадъра.

Полето Control за information-кадрите има следния формат:

В протокола се използва прозорци с 3-битови номера.

Полето Seq е поредния номер на кадъра в прозореца на предавателя. Полето Next е прикачено потвърждение за насрещния поток - то съдържа номерът на следващия кадър, който се очаква в получателя.
Битът P/F се използва при изпращане на кадри към терминали.

Ако той е 1, предавателят указва на терминала да предава.

Всички кадри, които терминалът изпраща освен последния имат стойност 1 за този бит. За последния изпратен кадър P/F е 0.

Понякога битът P/F се използва за да се укаже на получателя да изпрати моментално потвърждение, а не да го прикачва към насрещния трафик.

• 
  тип 0 (RECEIVE READY) - кадър за потвърждение, в полето Next се указва номерът на следващия очакван кадър;
  
• 
  тип 1 (REJECT) - кадър за негативно потвърждение, в полето Next се указва номерът на първия неполучен кадър, предавателят трябва да изпрати наново всички кадри, започвайки от Next (това отговаря на стратегията go back n);
  
• 
  тип 2 (RECEIVE NOT READY) - кадър за потвърждение, подобен на RECEIVE READY, но указващ на предавателя да спре да изпраща кадри;
  
• 
  тип 3 (SELECTIVE REJECT) - кадър за негативно потвърждение, в полето Next се указва номер на неполучен кадър, предавателят трябва да изпрати наново само кадърът с номер Next (това отговаря на стратегията selective repeat).
  

Полето Control за unnumbered-кадрите има следния формат:

Тези кадри са служебни и касаят поддържането на съединението, наричат се още команди. Някои от командите са:

• 
  DISC (DISConnect) - команда за разпадане на съединение;
  
• 
  SNRM (Set Normal Response Mode) - команда за установяване на режим, в който едната машина управлява, а другата изпълнява;
  
• 
  SABM (Set Asynchronous Balanced Mode) - команда за установяване на режим, в който двете машини имат еднакво влияние върху съединението;
  
• 
  SNRME, SABME (Extended) - аналогични команди на SNRM и SABME, но номерацията на кадрите при тях е 7-битова (полетата Seq и Next се разширяват с по 4 бита);
  
• 
  FRMR (FRaMe Reject) - команда, която указва за кадър с погрешна семантика - например, кадър с дължина по-малка от 32 бита или кадър за потвърждение на неполучен кадър.
  

При PPP няма индивидуални адреси на станциите, затова полето Address съдържа 11111111, което означава адресите на всички станции.

Полето Control съдържа 11000000, което означава

unnumbered-кадър. С други думи, PPP не осигурява надеждно предаване чрез номера на кадрите и потвърждения.

Полето Protocol съдържа идентификатор на протокол, който указва как да се интерпретира полето Payload, в което се помества съответния пакет.

Максималната дължина на Payload е 1500 байта.

Дължините на полетата Protocol и Checksum се договарят при установяването на съединение.
След установяване на съединение, двете страни се договарят за мрежовите протоколи, които ще се използват. След това започват да се предават кадрите с данни, като полето Protocol съдържа идентификатор на един от уговорените мрежови протоколи, а Payload съдържа съответната дейтаграма.
7. Канално ниво в ETHERNET. Превключватели и мостове.
Мрежите с общодостъпно предаване се характеризират с общ комуникационен канал, който се споделя от всички машини, включени в мрежата.

Всеки изпратен кадър минава през общия канал и достига до всички машини в мрежата. Адресно поле в кадъра посочва за кой е предназначен този кадър. Когато една машина получи кадър, тя проверява дали той е предназначен за нея. Ако това е така, кадърът се приема и обработва, в противен случай се отхвърля.

Протоколите, които се използват за да се разреши този проблем се отнасят към подниво на каналния слой, наречено подниво за достъп до средата (medium access control).

Градските и регионалните мрежи обикновено използват връзки "точка-точка" (point-to-point), общодостъпни многоточкови (multipoint) канали се използват най-вече при локалните мрежи.
Най-разпространената локална мрежа е Ethernet. Тя е описана в стандарта 802.3, издаден от ΙΕΕΕ (Institute of Electrical and Electronic Engineers) през 70-те години. Един персонален компютър се свързва в Ethernet мрежа с помощта на NIC (Network Interface Card) - това е каналната станция, която осъществява обмена по Ethernet канала.

Преди да изпрати кадър, каналната станция проверява състоянието на канала. Ако той е свободен, тя веднага започва предаване. Ако каналът не е свободен (т.е. предава друга станция), то станцията изчаква неговото освобождаване. След като започне предаването, каналната станция продължава да подслушва канала. Ако се открие изкривяване на предавания сигнал, това означава, че по същото време е започнала да предава друга станция и е настъпила колизия. В този случай двете станции спират предаването и всяка от тях изчаква случаен интервал от време преди да предава отново.

Полето Preamble е синхронизираща последователност от байтове.

Полето Type указва как получателя трябва да обработи кадъра.

Данните се съдържат в полето Data и максималната им дължина е 1500 байта. Освен максимална дължина на кадъра има и минимална дължина на кадъра. Когато една предаваща станция разбере за конфликт, тя веднага спира предаването като орязва настоящия кадър. За да може да се прави разлика между валидни и орязани кадри, дължината на кадъра трябва да е поне толкова голяма, че да може предаването да не е завършило, преди станцията да разбере за конфликта. В стандарта 802.3 минималната дължина на кадъра е 64 байта. Ако данните са

по-малко от 46 байта, то се използва полето Pad за запълване на кадъра до 64 байта.

Полето Checksum е контролна сума, която се използва за откриване на грешки при предаването.
При физическото предаване кадрите се кодират в манчестърски код (manchester encoding). Периодът за предаване на един бит се разделя на две равни части. Бит 1 се кодира високо напрежение в първия период и ниско напрежение във втория период. Бит 0 се кодира с ниско напрежение в първия период и високо напрежение във втория период. Преходът в средата на периода служи за синхронизация. По този начин няма нужда от паралелен синхронизиращ сигнал.
В началото в Ethernet се използва коаксиален кабел и скоростта на предаването е достигала 10 Mb/s.

По-нататък се въвежда използването на хъбове (hub). При окабеляване 100Base-T4 каналните станции се свързват към хъба чрез четири усукани двойки 3 UTP, а при 100Base-TX чрез две усукани двойки (5 UTP). По една от усуканите двойки се предава към хъба, а по другата се приема от него (при 100Base-T4 останалите две усукани двойки се превключват по посока на предаването). Станциите се свързват към хъба в прав кабел, т.е. предаващата двойка на всяка станция съответства на предаващата двойка на хъба и съответно приемащата двойка на всяка станция съответства на приемащата двойка на хъба.

При свързване на два хъба чрез усукана двойка, обаче, се използва cross кабел, т.е. предаващата двойка на единия хъб се свързва с приемащата двойка на другия хъб и обратно.

Предаването достига скорост 100 Mb/s.

Ако хъбът получи кадър по някоя линия, той изпраща този кадър по всички останали линии. Важно е да се отбележи, че хъбът не знае адресите на каналните станции.

Хъбът е пример за устройство, чрез което се препредават кадри от един кабел към друг. Той работи на физическо ниво. Друго подобно устройство на физическо ниво е повторителят (repeater).

Той приема сигнал на единия си порт, усилва го и предава сигналът на другия си порт. По този начин може да се увеличи максималната дължина на кабела в една локална мрежа.