Организация канального уровня

Важнейшими задачами, решаемыми канальным уровнем модели сетевого взаимодействия (иногда этот уровень называют уровнем передачи данных), являются задачи предоставления определенных сервисов сетево­му уровню. Основным сервисом является передача данных от сетевого уровня пе­редающей вычислительной машины сетевому уровню принимающей машины. На передающей ма­шине работает процесс, который передает биты с сетевого уровня на канальный уровень для передачи их по назначению. Работа канального уров­ня заключается в передаче этих битов на принимающую маши­ну так, чтобы они могли быть переданы сетевому уровню принимающей машины. Физически данные передаются по реальным каналам передачи, как схематично пока­зано на рис. 8.1.а. Однако посредством протоколов канального уровня виртуальный путь передачи данных связывает канальные уровни пе­редающей и принимающей вычислительной машины (рис. 8.1.б).

Рис. 8.1. Пути передачи данных: а – виртуальный; б – фактический

Протоколы канального уровня описывают, каким образом логические биты или символы, передаваемые физическим уровнем, объединяются в более крупные единицы – кадры. Обобщенная структура кадра показана на рис. 8.2. В общем случае, каждый кадр содер­жит заголовок, поле данных и трейлер (или так называемый «концевик»). Управление кадрами – одна их главнейших функций работы канального уровня.

Кадр

Рис. 8.2. Обобщенная структура кадра протокола канального уровня

Канальный уровень может предоставлять различные сервисы и их на­бор может быть разным для разных систем. Обычно рассматриваются следующие возможные вари­анты:

1) сервис без подтверждений приема кадров и без установления соединения;

2) сервис с подтверждениями приема кадров и без установления соединения;

3) сервис с подтверждениями приема кадров и с установлением соединения.

Сервис без подтверждений приема кадров и без установления соединения заключается в том, что передающая машина посылает независимые кадры принимающей машине, а принимающая машина не посылает подтверждений о приеме кадров. Никакие соединения заранее не устанавливаются и не разрываются после передачи кад­ров. Если какой-либо кадр теряется из-за помех в линии связи, то на канальном уровне не предпринимается никаких попыток восстановить его. Данный класс сервисов приемлем при очень низком уровне ошибок. В этом случае вопросы, связанные с восстановлением потерянных при передаче данных, могут быть переданы для решения верхним уровням. Этот класс сервисов также применяется в линиях связи реального вре­мени (например, при передаче речи), в которых явно предпочтительнее получить искаженные данные, чем получить их с большой задержкой. Сервис без подтверждений и без установления соединения используется на канальном уровне в большинстве локаль­ных сетей.

Следующим шагом в сторону повышения надежности является сервис с под­тверждениями приема кадров, но без установления соединения. При его использовании соединение не устанавливается, но получение каждого кадра подтверждается. Таким об­разом, отправитель знает, дошел ли кадр до пункта назначения в целостности. Если в течение установленного интервала времени подтверждения не поступает, кадр посылается вновь. Такой сервис применяется в случае низкокачественных дешевых линий связи с боль­шой вероятностью ошибок, например, в беспроводных системах.

Наиболее сложным сервисом, который может предоставлять канальный уровень, является сервис, ориентированный на установление соединения с подтверждения­ми приема кадров. При использовании этого метода источник и приемник, прежде чем пере­дать друг другу данные, устанавливают соединение. Каждый посылаемый кадр нумеруется, а канальный уровень гарантирует, что каждый посланный кадр дей­ствительно принят на другой стороне линии связи. Кроме того, гарантируется, что каждый кадр был принят всего один раз и что все кадры были получены в правильном порядке. В сервисе без установления соединения, напротив, возмож­но, что при потере подтверждения один и тот же кадр будет послан несколько раз и, следовательно, несколько раз получен. При использовании ориентированного на соединение сервиса передача дан­ных состоит из трех фаз. В первой фазе устанавливается соединение, при этом обе стороны инициализируют переменные и счетчики, необходимые для слежения за тем, какие кадры уже приняты, а какие – еще нет. Во второй фазе передаются кадры данных. Наконец, в третьей фазе соединение разрывается и при этом освобождаются все переменные, буферы и прочие ресурсы, использо­вавшиеся во время соединения.

Для предоставления сервиса сетевому уровню канальный уровень должен использовать сервисы, предоставляемые ему физическим уровнем. Физический уровень принимает необработанный поток битов и пытается передать его по на­значению. Этот поток не застрахован от ошибок. Количество принятых битов мо­жет быть меньше, равно или больше числа переданных бит. Кроме того, значения принятых битов могут отличаться от значений переданных. Канальный уровень должен обнаружить ошибки и, если нужно, исправить их.

Обычно канальный уровень разбивает поток битов на отдельные кадры и считает для каждого кадра так называемую контрольную сумму. Когда кадр прибывает в пункт назначения, его контрольная сумма подсчитывается снова. Если она отличается от содержащейся в кадре, то канальный уровень «понимает», что при переда­че кадра произошла ошибка, и принимает соответствующие меры (например, игнорирует испор­ченный кадр и посылает передающей машине сообщение об ошибке). Разбиение потока битов на отдельные кадры представляет собой не очень простую задачу. Один из способов раз­биения на кадры заключается во вставке временных интервалов между кадрами, подобно тому, как вставляются пробелы между словами в тексте. Однако сети редко предоставляют гарантии сохранения временных интервалов при передаче данных, поэтому возможно, что эти интервалы при передаче исчезнут или, на­оборот, будут добавлены новые интервалы. Поэтому для повышения надежности передачи данных предложены более совершенные методы. Среди них наиболее популярны такие методы маркировки границ кадров (формирования кадров), как:

1) подсчет количества символов;

2) применение сигнальных байтов с символьным заполнением;

3) использование стартовых и стоповых битов с битовым заполнением;

4) использование запрещенных сигналов физического уровня.

Первый метод формирования кадров использует поле в заголовке для указа­ния количества символов в кадре. Когда канальный уровень на принимаю­щей машине видит это поле, он узнает, сколько символов последует, и таким образом определяет, где находится конец кадра. Недостаток такого метода заключается в том, что при передаче может быть искажен сам счетчик. Тогда принимающая машина потеряет синхронизацию и не сможет обнаружить начало следующего кадра. Даже если контрольная сумма не совпадет и принимающая машина «пой­мет», что кадр принят неверно, то она все равно не сможет определить, где начало следующего кадра. Запрашивать повторную передачу кадра также бесполезно, поскольку принимающая машина не «знает», сколько символов нужно пропус­тить до начала повторной передачи. По этой причине метод подсчета символов теперь практически не применяется.

Второй метод формирования кадров решает проблему восстановления син­хронизации после сбоя при помощи маркировки начала и конца каждого кадра специальными байтами. В последнее время большинство протоколов перешло на использова­ние в обоих случаях одного и того же байта, называемого флаговым. Таким образом, если приемник теряет синхронизацию, ему необходимо просто найти флаговый байт, с помощью которого он распозна­ет конец текущего кадра. Два соседних флаговых байта говорят о том, что кон­чился один кадр и начался другой. Однако этот метод иногда приводит к серьезным проблемам при передачи бинарных данных, таких как объектные коды программ или числа с плавающей запятой. В передаваемых данных вполне может встретиться последовательность, исполь­зуемая в качестве флагового байта. Возникновение такой ситуации, скорее всего, собьет синхронизацию. Одним из способов решения проблемы является добав­ление специального escape-символа (знака переключения кода – ESC) непосред­ственно перед байтом, случайно совпавшим с флаговым байтом внутри кадра. Канальный уровень получателя вначале убирает эти escape-символы, затем переда­ет кадр на сетевой уровень. Этот метод называется символьным заполнением. Таким образом, настоящий флаг можно отличить от «случайно совпавшего» по наличию или отсутствию перед ним символа ESC. Если же и символ ESC случайно окажется среди прочих данных, то перед этим фиктивным escape-символом также вставляется настоящий. Тогда любой одиночный ESC будет частью escape-после­довательности, а двойной будет указывать на то, что служебный байт случайно оказался в потоке данных. После очищения от вставных символов байтовая последовательности в точности совпадает с исходной. Главный недостаток этого метода заключается в том, что он тесно связан с 8-битными символами. Между тем не во всех кодировках один символ соответ­ствует 8 битам. Например, кодировка UNICODE использует 16-битное кодирование.

Следующий метод позволяет использовать кадры и наборы символов, состоящие из любого количества битов. При этом каждый кадр начинается и завершается специальной последовательностью битов 01111110. Битовое заполнение аналогично символьному, при котором в кадр перед случайно встретившимся среди данных флагом вставляется escape-символ. Битовое заполнение, как и сим­вольное, является абсолютно прозрачным для сетевого уровня обеих машин. Если флаговая последовательность битов (01111110) встречается в данных пользователя, она передается в виде 011111010, но в памяти принимающего ком­пьютера сохраняется опять в исходном виде: 01111110. Благодаря битовому заполнению границы между двумя кадрами могут быть безошибочно распознаны с помощью флаговой последовательности. Таким образом, если приемная сторона потеряет границы кадров, ей нужно всего лишь оты­скать в полученном потоке битов флаговый байт, поскольку он встречается толь­ко на границах кадров и не может присутствовать в данных пользователя.

Наконец, последний из рассматриваемых методов формирования кадров приемлем только в сетях, в которых физический носитель обладает некоторой избыточностью. Например, некоторые локальные сети кодируют один бит данных двумя физическими бита­ми. Так в «манчестерском» коде бит 1 кодируется парой высокого и низкого уровней сигналов (от­рицательный перепад), а бит 0 – наоборот, парой низкого и высокого уровней (положительный перепад). В такой схеме каждый передаваемый бит данных со­держит в середине переход, благодаря чему упрощается распознавание границ битов. Комбинации уровней сигналов (низкий–низкий и высокий–высокий) не используются для передачи данных, но используются в качестве ограничителей кадров в некоторых протоколах.

Отметим, что многие современные протоколы пе­редачи данных для повышения надежности применяют комбинированные методы формирования кадра.

Канальный уровень должен выполнять ряд специфических функций, к которым относятся обработка ошибок передачи данных и управление потоком данных, исключающее «затопление» медленных прием­ников быстрыми передатчиками.

Серьезной проблемой является гарантированная доставка сетевому уровню принимающей машины всех кадров с расположением их при этом в правильном порядке. Обычно для гарантирования надежной доставки поставщику посылается ин­формация о том, что происходит на другом конце линии. Протокол требует от получателя посылать обратно специальные управляющие кадры, содержащие по­зитивные или негативные сообщения о полученных кадрах. Получив позитивное сообщение, отправитель узнает, что посланный им кадр успешно получен на другом конце линии. Негативное сообщение, напротив, означает, что с кадром что-то слу­чилось и его нужно передать снова. Кроме того, посланный кадр может из-за неисправности оборудования или какой-нибудь помехи пропасть полностью. В этом случае при­нимающая сторона его просто не получит и, соответственно, никак не прореаги­рует, а отправитель при этом может бесконечно долго ожидать положительного или отрицательного ответа. Чтобы избежать зависаний сети в случае полной потери кадров, используют­ся таймеры канального уровня. После посылки кадра включается таймер и отсчитывает интервал времени, достаточный для получения принимающей машиной этого кадра, его обработки и посылки обратно подтверждения. В нор­мальной ситуации кадр правильно принимается, а подтверждение посылается на­зад и вручается отправителю, прежде чем истечет установленный интервал вре­мени, и только после этого таймер отключается. Однако если либо кадр, либо подтверждение теряется по пути, то установлен­ный интервал времени истечет, и отправитель получит сообщение о возможной проблеме. Самым простым решением для отправителя будет послать кадр еще раз. Однако при этом возникает опасность получения одного и того же кадра не­сколько раз канальным уровнем принимающей машины и повторной передачи его сетевому уровню. Чтобы этого не случилось, необходимо последо­вательно пронумеровать отсылаемые кадры, так чтобы получатель мог отличить повторно переданные кадры от оригиналов. Вопрос управления таймерами и порядковыми номерами, гарантирующими, что каждый кадр доставлен сетевому уровню принимающей машины ровно один раз, является очень важной задачей, решае­мой канальным уровнем.

Еще один важный аспект разработки канального уровня (а также более вы­соких уровней) связан с вопросом о том, что делать с отправителем, который по­стоянно желает передавать кадры быстрее, чем получатель способен их получать. Такая ситуация может возникнуть, если у передающей стороны оказывается бо­лее мощная (или менее загруженная) машина, чем у принимающей. При этом отпра­витель будет продолжает посылать кадры на высокой скорости до тех пор, пока получа­тель не окажется, как говорят, «затоплен» ими. Даже при идеально работающей линии связи в определенный момент времени получатель просто не сможет продолжать обработ­ку прибывающих кадров и начнет их терять. Для предотвраще­ния подобной ситуации чаще всего применяются два подхода. При первом, называющемся управлением потоком с обратной связью, получатель отсылает отправителю информацию, разрешающую последнему продолжить передачу или, по крайней мере, сообщающую о том, как идут дела у получателя. При втором подходе – управ­лении потоком с ограничением – в протокол встраивается механизм, ограничи­вающий скорость, с которой передатчики могут передавать данные, а обратная связь с получателем отсутствует. Известны различные схемы управления потоком с обратной связью, но большин­ство из них используют один и тот же принцип. Протокол содержит четко оп­ределенные правила, определяющие, когда отправитель может посылать следую­щий кадр. Эти правила часто запрещают пересылку кадра до тех пор, пока получатель не даст разрешения (явно либо неявно).