3.1. Ключевые вопросы проектирования канального уровня
Канальный уровень использует определенные службы нижележащего физического уровня для отправки и получения битов по потенциально ненадежным коммуникационным каналам, которые могут терять данные. У него есть ряд специфических функций. К ним относятся:
1. Обеспечение строго очерченного служебного интерфейса для сетевого уровня (раздел 3.1.1).
2. Формирование отдельных фреймов из последовательностей байтов (раздел 3.1.2).
3. Обнаружение и исправление ошибок передачи (раздел 3.1.3).
4. Управление потоком данных, исключающее «затопление» медленных приемников быстрыми передатчиками (раздел 3.1.4).
Для этих целей канальный уровень берет пакеты, полученные с сетевого уровня, и вставляет их в специальные фреймы (frames), также называемые кадрами, для передачи. В каждом фрейме содержатся поля Header (Заголовок), Payload (Пользовательские данные) и Trailer (Трейлер). Структура фрейма показана на илл. 3.1. Управление фреймами — это основная задача канального уровня. В следующих разделах мы более подробно изучим обозначенные выше цели. Кроме того, в ненадежных беспроводных сетях использование протоколов для улучшения канала связи часто увеличивает производительность в дальнейшем.
Илл. 3.1. Соотношение между пакетами и фреймами
Эта глава в основном посвящена детальному рассмотрению канального уровня и соответствующих протоколов. Но многие обсуждаемые здесь вопросы (например, контроль ошибок и управление потоками) в некоторых сетях относятся также к транспортным и другим протоколам. Обеспечение надежности — это общая цель, для достижения которой должны слаженно работать все уровни. На самом деле во многих сетях эти функции являются прерогативой верхних уровней и вообще не относятся к канальному уровню, который выполняет лишь простейшие задачи. С другой стороны, это не столь важно, потому что принципы все равно остаются неизменными. Аргументом в пользу их рассмотрения на примере канального уровня является то, что здесь они проявляются в наиболее простой форме и их легко показать в деталях.
3.1.1. Службы, предоставляемые сетевому уровню
Задача канального уровня заключается в предоставлении служб сетевому. Основная служба канального уровня заключается в обмене данными между сетевыми уровнями отправляющего и целевого устройств. На сетевом уровне отправителя находится некая сущность (назовем ее процессом), которая передает пакеты на канальный уровень для их дальнейшей отправки по назначению. Канальный уровень должен отправить данные адресату так, чтобы они достигли его сетевого уровня, как показано на илл. 3.2 (а). В действительности данные передаются по пути, показанному на илл. 3.2 (б), однако проще представить себе два канальных уровня, которые связываются друг с другом с помощью протокола передачи данных. Поэтому на протяжении всей главы будет использоваться модель, изображенная на илл. 3.2 (а).
Илл. 3.2. (а) Виртуальное соединение. (б) Реальное соединение
Канальный уровень может предоставлять различные службы. Их набор может отличаться в разных протоколах. Как правило, встречаются следующие варианты, которые мы рассмотрим далее более подробно.
1. Служба без подтверждений и без установки соединения.
2. Служба с подтверждениями и без установки соединения.
3. Служба с подтверждениями, ориентированная на установление соединения.
Алгоритм работы службы без подтверждений и без установки соединения заключается в том, что отправляющее устройство посылает независимые фреймы принимающему, которое не отвечает подтверждением о получении. Хороший пример канального уровня, предоставляющего службу такого класса, — Ethernet. Соединения заранее не устанавливаются и не разрываются после передачи. Если какой-либо фрейм теряется из-за шума в линии, то на канальном уровне не предпринимается никаких попыток восстановить его. Этот класс служб приемлем при очень низком уровне ошибок. В этом случае задача восстановления потерянных данных может быть решена на верхних уровнях. Кроме того, такие службы подходят для трафика в реальном времени, например голосовых или видеоданных, поскольку в этом случае лучше получить данные в искаженном виде, чем с большой задержкой.
Следующим шагом в сторону повышения надежности является служба с подтверждениями и без установки соединения. При ее использовании соединение также не устанавливается, но получение каждого фрейма подтверждается. В результате отправитель знает, дошел ли фрейм до пункта назначения в целости или потерялся. Если в течение установленного интервала времени подтверждения не поступает, фрейм отправляется снова. Такая служба полезна при передаче по ненадежным каналам, в частности беспроводным. Хороший пример — протокол 802.11 (Wi-Fi).
Вероятно, следует отметить, что предоставление подтверждений на канальном уровне является скорее оптимизацией, чем требованием. Сетевой уровень всегда может послать пакет и ожидать подтверждения его доставки. Если за установленный период времени подтверждение не будет получено отправителем, сообщение может быть выслано еще раз. Проблема в том, что эта стратегия зачастую оказывается неэффективной. Обычно фреймы имеют жесткое ограничение максимальной длины, связанное с аппаратными требованиями, к тому же существует определенная задержка доставки. На сетевом уровне эти параметры неизвестны. Сообщения могут делиться, скажем, 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.