Книга Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

на 10 фреймов. В среднем два из них потеряются по дороге. Передача данных этим методом может занять очень много времени. Если подтверждать получение отдельных фреймов, то ошибки можно исправлять напрямую и гораздо быстрее. В надежных каналах (например, оптоволоконных) накладные расходы на подтверждение на канальном уровне только снизят пропускную способность, однако для беспроводной связи (ненадежной по своей природе) такие расходы окупятся и уменьшат время передачи длинных сообщений.

Наиболее сложная служба, предоставляемая канальным уровнем, — ориентированная на установление соединения служба с подтверждениями. При использовании данного метода источник и приемник устанавливают соединение перед обменом данными. Каждый посылаемый фрейм нумеруется, а канальный уровень гарантирует, что все фреймы действительно приняты на другой стороне линии, что каждый фрейм принят всего один раз и что все они получены в правильном порядке. Таким образом, ориентированная на установление соединения служба предоставляет процессам сетевого уровня эквивалент надежного потока битов. Она подходит для длинных ненадежных связей, таких как спутниковый канал или междугороднее телефонное соединение. В службе без установления соединения возможно, что при потере подтверждения один и тот же фрейм будет послан (и получен) несколько раз. Это лишняя нагрузка на канал и неразумное расходование полосы пропускания.

При использовании службы, ориентированной на установление соединения, передача данных состоит из трех фаз. В первой фазе возникает соединение, при этом обе стороны инициализируют переменные и счетчики, необходимые для слежения за тем, какие фреймы уже приняты, а какие — еще нет. Во второй фазе передаются фреймы с данными. Наконец, в третьей соединение разрывается, при этом освобождаются все переменные, буферы и прочие ресурсы, использовавшиеся его для поддержания.

3.1.2. Формирование фрейма

Для обслуживания сетевого уровня канальный уровень использует службы, предоставляемые ему физическим уровнем. Физический уровень принимает необработанный поток битов и пытается передать его по назначению. Если канал зашумлен (как обычно бывает с беспроводными и большинством проводных соединений), то на физическом уровне добавляются избыточные сигналы, чтобы снизить количество ошибок до допустимого уровня. Однако поток битов, получаемый на уровне передачи данных, не застрахован от ошибок. У некоторых битов могут быть другие значения, количество принятых битов может быть меньше, равно или больше числа переданных. Канальный уровень должен обнаружить ошибки и, если нужно, исправить их.

Обычно канальный уровень разделяет поток битов на отдельные фреймы и вычисляет для каждого из них короткий маркер, называемый контрольной суммой. Контрольная сумма добавляется во фрейм перед тем, как он пересылается дальше. (Алгоритмы подсчета контрольных сумм представлены ниже в этой главе.) Когда целевое устройство получает фрейм, контрольная сумма вычисляется заново на его основе. Если она отличается от содержащейся во фрейме, то канальный уровень понимает, что при передаче произошла ошибка, и принимает меры (например, игнорирует испорченный фрейм и посылает отправляющему устройству сообщение об ошибке).

Разбиение потока битов на отдельные фреймы представляет собой более сложную задачу, чем это может показаться на первый взгляд. В хорошей системе приемник с легкостью находит отметки начала новых фреймов, минимально нагружая полосу пропускания. Мы рассмотрим четыре метода маркировки границ фреймов.

1. Подсчет байтов.

2. Флаговые байты с байт-стаффингом.

3. Использование сигнальных битов с бит-стаффингом.

4. Применение запрещенных сигналов физического уровня.

Первый метод формирования фреймов заключается в указании количества байтов фрейма в поле заголовка. Канальный уровень на принимающем устройстве видит это поле, узнает, сколько байтов последует, и таким образом определяет, где находится конец фрейма. Этот прием проиллюстрирован на илл. 3.3 (а) для четырех небольших фреймов размером 5, 5, 8 и 8 байт.

Недостаток такой системы в том, что при передаче может быть искажен сам счетчик. Например, если при подсчете байтов второго фрейма произойдет ошибка в единственном бите и число 5 превратится в 7, как показано на илл. 3.3 (б), то целевое устройство потеряет синхронизацию и не сможет правильно обнаружить начало следующего фрейма. Даже если контрольная сумма не сойдется (скорее всего) и устройство поймет, что фрейм принят неверно, то оно все равно не сможет определить начало следующего фрейма. Запрашивать повторную передачу фрейма бесполезно, поскольку неизвестно, сколько байтов нужно пропустить до начала повторной передачи. По этой причине на сегодняшний день метод подсчета байтов отдельно практически не применяется.

Илл. 3.3. Поток байтов: (а) без ошибок; (б) с одной ошибкой

Второй метод формирования фреймов решает проблему восстановления синхронизации после сбоя при помощи маркировки начала и конца каждого фрейма специальными байтами. Зачастую в качестве разделителя используется один и тот же байт, называемый флаговым (flag byte). Он устанавливается в начальной и конечной точке фрейма. Этот байт помечен на илл. 3.4 (а) как FLAG. Два соседних флаговых байта говорят о том, что закончился один фрейм и начался другой. Таким образом, если приемник теряет синхронизацию, ему необходимо просто найти два флаговых байта, с помощью которых он распознает конец текущего фрейма и начало следующего.

Однако одна проблема все же остается. В передаваемых данных, особенно если это двоичные данные (например, фотографии или музыка), запросто может встретиться последовательность, используемая в качестве флагового байта. Возникновение такой ситуации, скорее всего, собьет синхронизацию. Один из способов решения проблемы — добавление специального escape-символа (знака переключения кода, ESC) непосредственно перед случайно совпавшим флаговым байтом внутри фрейма. Таким образом, настоящий флаг можно отличить по наличию или отсутствию перед ним ESC. Канальный уровень получателя вначале убирает эти escape-символы, затем передает фрейм на сетевой уровень. Такой метод называется байт-стаффингом (byte stuffing).

Следующий логичный вопрос: а что, если и символ ESC случайно окажется в данных? Решение такое же: вставить перед фиктивным escape-символом настоящий. На стороне получателя первый символ ESC будет удален, а следующий байт данных останется, даже если это еще один байт ESC или флаговый байт. На илл. 3.4 (б) показаны некоторые примеры. В любом случае байтовая последовательность после ее очищения от вставленных символов в точности совпадает с исходной. Найти границу фрейма можно все так же по двум последовательным флаговым байтам до удаления дополнительных символов ESC.

Илл. 3.4. (а) Фрейм, ограниченный флаговыми байтами. (б) Четыре примера байтовых последовательностей до и после байт-стаффинга

Схема байт-стаффинга, представленная на илл. 3.4, — это немного упрощенная модель протокола PPP (Point-to-Point Protocol, протокол «точка-точка»), который служит для передачи пакетов по коммуникационным каналам и широко используется в сети интернет. Мы подробно обсудим протокол PPP в разделе 3.5.1.

Третий метод разделения потока битов на фреймы позволяет обойти недостатки байт-стаффинга, который обязывает использовать исключительно 8-битные байты. Делить данные на фреймы можно на уровне