Redes de Computadores Redes y Sistemas Distribuidos. Tema 4 Funciones y protocolos del nivel de enlace

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1 (07BJ) (05BR) (09BM) Redes Redes de Computadores Redes y Sistemas Distribuidos Tema 4 Funciones y protocolos del nivel de enlace

2 Índice 1. Introducción 2. Funciones del nivel de enlace ([TAN03] Capítulo 3.1) 2.1 Sincronización de trama 2.2 Coordinación de la comunicación 2.3 Detección de errores 2.4 Control de flujo ([STA04] Capítulo 7) Técnicas de control de flujo Técnicas de recuperación de errores 3. Protocolo HDLC ([FOR07] Capítulo 11.6) 4. Protocolo PPP ([FOR07] Capítulo 11.7) 2

3 Índice 1. Introducción 2. Funciones del nivel de enlace ([TAN03] Capítulo 3.1) 2.1 Sincronización de trama 2.2 Coordinación de la comunicación 2.3 Detección de errores 2.4 Control de flujo ([STA04] Capítulo 7) Técnicas de control de flujo Técnicas de recuperación de errores 3. Protocolo HDLC ([FOR07] Capítulo 11.6) 4. Protocolo PPP ([FOR07] Capítulo 11.7) 3

4 1. Introducción Modelo OSI: El nivel de enlace mejora el servicio básico de transmisión de datos proporcionado por el nivel físico Objetivos: Resolver los problemas planteados por la falta de fiabilidad del servicio básico de transmisión de datos del nivel físico Definir reglas para iniciar y terminar el enlace Controlar la transferencia de información Detectar errores y recuperarse ante ellos Servicios proporcionados por el nivel de enlace al nivel de red: Sin conexión no fiable (sin asentimiento) Sin conexión fiable (con asentimiento) Servicio orientado a la conexión (con asentimiento) 4

5 Índice 1. Introducción 2. Funciones del nivel de enlace ([TAN03] Capítulo 3.1) 2.1 Sincronización de trama 2.2 Coordinación de la comunicación 2.3 Detección de errores 2.4 Control de flujo ([STA04] Capítulo 7) Técnicas de control de flujo Técnicas de recuperación de errores 3. Protocolo HDLC ([FOR07] Capítulo 11.6) 4. Protocolo PPP ([FOR07] Capítulo 11.7) 5

6 2. Funciones del nivel de enlace Funciones básicas de los protocolos del nivel de enlace Sincronización de trama Delimitación del comienzo y fin de cada trama Coordinación de la comunicación Compartición del enlace Necesidad de un mecanismo de control de acceso al medio Necesidad de un esquema de direccionamiento físico Detección de errores de transmisión Códigos detectores de errores (redundancia) Códigos correctores de errores (redundancia) Control de flujo Regulación del tráfico entre el emisor y el receptor Control de errores Recuperación ante fallos (tramas erróneas, perdidas o duplicadas) 6

7 Índice 1. Introducción 2. Funciones del nivel de enlace ([TAN03] Capítulo 3.1) 2.1 Sincronización de trama 2.2 Coordinación de la comunicación 2.3 Detección de errores 2.4 Control de flujo ([STA04] Capítulo 7) Técnicas de control de flujo Técnicas de recuperación de errores 3. Protocolo HDLC ([FOR07] Capítulo 11.6) 4. Protocolo PPP ([FOR07] Capítulo 11.7) 7

8 2.1 Sincronización de trama Nivel físico: Emisor: datos codificados transmitidos en serie Receptor: datos recuperados muestreando la señal recibida Sincronización de bit: Bit de comienzo mas elemento de parada por cada carácter Esquema de codificación que facilita la sincronización Nivel de enlace: Los datos de los niveles superiores se dividen en tramas Trama: delimitadores, control, datos y redundancia Delimitadores Caracteres o patrones de bits específicos Limitan la naturaleza de los datos Se requieren mecanismos de transparencia para evitarlo Violaciones de código Patrones de bits de código no usados (codificación por bloques) La redundancia se inserta al final de la trama La utilización de tramas simplifica el control de acceso al medio, la detección de errores, y el control de flujo/errores 8

9 2.1 Sincronización de trama Delimitadores de principio y fin con relleno de caracteres Principio de trama: carácter de inicio (STX o SOH) Fin de trama: carácter de fin (ETX o ETB) El receptor sabe donde comienza y finaliza cada trama Problema: los caracteres de control aparecen en los datos Ocurre cuando se transmiten datos binarios Solución: caracteres de escape (DLE) para transparencia Se inserta un carácter de escape DLE delante de cada carácter de inicio o de fin incluido en el campo de datos de la trama Los caracteres DLE incluidos en el campo de datos de la trama también se duplican Ejemplo: Datos: Trama: a 9 STX ACK 2 6 DLE ETX 3 t y STX a 9 DLE STX ACK 2 6 DLE DLE DLE ETX 3 t y ETX En el peor caso, la eficiencia cae hasta el 50% 9

10 2.1 Sincronización de trama Delimitadores de principio y fin con relleno de bits Sincronización independiente de la estructura de los datos Principio/fin de trama: patrón de bits (delimitador, flag o guión) El receptor sabe donde comienza y finaliza cada trama Problema: el delimitador aparece en la trama Ocurre en cualquier parte de la trama (control/datos/redundancia) Solución: el emisor identifica el delimitador y lo modifica Ejemplo con como guión de principio/fin de la trama: El emisor evita más de cinco 1s consecutivos insertando un 0 El receptor analiza el bit que sigue a cinco 1s consecutivos Si es un 0 lo elimina Si es un 1 identifica el principio/fin de la trama Datos: Trama: En el peor caso, la eficiencia cae hasta un 83,3% (5/6) 10

11 Índice 1. Introducción 2. Funciones del nivel de enlace ([TAN03] Capítulo 3.1) 2.1 Sincronización de trama 2.2 Coordinación de la comunicación 2.3 Detección de errores 2.4 Control de flujo ([STA04] Capítulo 7) Técnicas de control de flujo Técnicas de recuperación de errores 3. Protocolo HDLC ([FOR07] Capítulo 11.6) 4. Protocolo PPP ([FOR07] Capítulo 11.7) 11

12 2.2 Coordinación de la comunicación La compartición de un enlace conlleva la necesidad de un mecanismo de control para determinar quién usa el enlace Los protocolos de coordinación tienen tres fases: Establecimiento del enlace Transferencia de información (tramas) Terminación del enlace Dos tipos básicos de coordinación: Centralizada: Controlador central (o moderador) que determina el turno de transmisión de los interlocutores Debe conceder el turno de transmisión de forma equitativa y/o gestionar prioridades Típica de los primeros sistemas de cómputo: controlador + terminales Por contienda (o distribuida): No existe ningún controlador central Los interlocutores pueden transmitir cuando lo deseen 12

13 2.2 Coordinación de la comunicación Coordinación centralizada Selección (para envío) El controlador envía un mensaje de selección al terminal que responde indicando su disponibilidad mediante el envío de un reconocimiento Si el enlace se establece, el controlador envía tramas y el terminal confirma su recepción mediante reconocimientos Cuando el controlador termina de enviar todas las tramas, se termina el enlace Selección rápida Sondeo (para recepción) El controlador interroga a los terminales para ver si tienen tramas que transmitir Sondeo por lista: el controlador interroga a los terminales siguiendo una lista ordenada Sondeo por grupos: los terminales están agrupados, y el controlador los interroga siguiendo una lista ordenada 13

14 2.2 Coordinación de la comunicación Coordinación por contienda (o distribuida) Ni existe ningún controlador ni se usa testigo alguno Posibilidad de que se produzcan colisiones: Transmisión simultánea de dos o más tramas Técnicas para evitar colisiones: Técnicas de auscultación (CSMA) Técnicas de detección de colisiones (CSMA/CD) Técnicas de recuperación ante posibles colisiones: Uso de plazos de espera aleatorios (para evitar que se produzcan bloqueos) asociados a tramas para gestionar las retransmisiones Utilizada en redes de acceso múltiple (LAN): Contraste con el enfoque centralizado Esquema de direccionamiento físico para determinar quién es el destinatario de cada trama Subcapa de control de acceso al medio (MAC, Media Access Control) 14

15 Índice 1. Introducción 2. Funciones del nivel de enlace ([TAN03] Capítulo 3.1) 2.1 Sincronización de trama 2.2 Coordinación de la comunicación 2.3 Detección de errores 2.4 Control de flujo ([STA04] Capítulo 7) Técnicas de control de flujo Técnicas de recuperación de errores 3. Protocolo HDLC ([FOR07] Capítulo 11.6) 4. Protocolo PPP ([FOR07] Capítulo 11.7) 15

16 2.3 Detección de errores Durante la transmisión pueden producirse errores que dan lugar a tramas erróneas: Uso de información adicional (redundancia) para comprobar la integridad de las tramas Si el nivel de enlace proporciona servicio fiable al nivel de red: Uso de asentimientos positivos o negativos (retransmisión) Tramas perdidas: Uso de temporizadores asociados a las tramas Valor de los temporizadores: envío, proceso, asentimiento Retransmisión de tramas cuando expira el temporizador Tramas duplicadas: La retransmisión de tramas puede conllevar duplicidad Uso de números de secuencia para etiquetar las tramas La implementación de un servicio fiable está íntimamente relacionada con el control de flujo 16

17 2.3 Detección de errores Tipos de errores: Errores aislados Errores en ráfagas (bursts) Más comunes en LANs Códigos detectores de errores (redundancia) 17

18 2.3 Detección de errores Problema 1. Si se transmiten tramas de 1000 bits, y la probabilidad de que se produzca un error es de 0,0001 por bit transmitido, cuántas tramas erróneas recibirá el receptor en promedio? El 10% de las tramas contendrá un bit erróneo Problema 2. Cuántos bits se verán afectados por un pico de ruido impulsivo de 1 ms en una línea que transmite a 1 Mbps? Y si transmite a 1 Gbps? Para 1 Mbps, se verán afectados 10 3 bits Para 1 Gbps, se verán afectados 10 6 bits 18

19 2.3 Detección de errores CRC (Cyclic Redundary Check) Método más comúnmente utilizado Bloques de bits representan coeficientes (1s y 0s) de polinomios Una trama de k bits equivale a un polinomio de k términos, es decir, de grado k-1 Ejemplo: es el polinomio x 7 +x 5 +x 2 +x+1 (grado 7) Aritmética en módulo 2: suma y resta igual que XOR 19

20 2.3 Detección de errores CRC (Cyclic Redundary Check) Emisor y receptor acuerdan polinomio generador G(x) El bloque de bits de datos representa al polinomio M(x) Algoritmo: Agregar k-1 bits (grado de G(x)) a 0 a M(x) (extremo inferior) Dividir el polinomio resultante por G(x) utilizando aritmética en módulo 2 (el resto de la división es R(x)) La trama a transmitir, T(x), es igual M(x)0.. k-1..0 XOR R(x) El receptor divide M(x)R(x) entre G(x), y obtiene un resto 0 si la trama llegó correctamente, o un resto 0 en caso contrario 20

21 2.3 Detección de errores Ejemplo CRC: G(x) = x 3 + x 2 + 1, es decir, 1101 M(x) = x 5 + x 2, es decir, T(x) = CRC 21

22 2.3 Detección de errores CRC (Cyclic Redundary Check) La elección de G(x) es crucial para que el método sea eficaz Algunos polinomios que son estándares internacionales: CRC-12: x 12 +x 11 +x 3 +x 2 +x+1 CRC-16: x 16 +x 15 +x 2 +1 CRC-CCITT: x 16 +x 12 +x 5 +1 (HDLC) CRC-32: x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 (IEEE 802) Todos contienen el término x+1 como factor primo porque no hay polinomios con un número impar de términos divisibles por x+1 Un CRC de grado 16 captura: Todos los errores simples y dobles Todos los errores con un número impar de bits Todos los errores en ráfagas con longitudes de hasta 16 bits El 99,997% de los errores en ráfagas de 17 bits El 99,998% de los errores en ráfagas de 18 o más bits 22

23 2.3 Detección de errores Problema 3. Se desea transmitir el bloque de bits con un CRC generado a partir del polinomio x Cuál sería la trama transmitida? Qué pasaría si el receptor recibe el bloque de bits ? 23

24 Índice 1. Introducción 2. Funciones del nivel de enlace ([TAN03] Capítulo 3.1) 2.1 Sincronización de trama 2.2 Coordinación de la comunicación 2.3 Detección de errores 2.4 Control de flujo ([STA04] Capítulo 7) Técnicas de control de flujo Técnicas de recuperación de errores 3. Protocolo HDLC ([FOR07] Capítulo 11.6) 4. Protocolo PPP ([FOR07] Capítulo 11.7) 24

25 2.4 Control de flujo Regulación del flujo de datos entre emisor y receptor El flujo de datos no debe desbordar al receptor: El receptor utiliza buffers (almacenamiento temporal) para almacenar los datos hasta que son procesados Velocidad limitada de procesamiento de datos recibidos Capacidad limitada de almacenamiento temporal El receptor debe indicar cuándo se han alcanzado los límites Confirmación de las tramas (fiabilidad): De forma individual o colectiva (confirmación múltiple) Asentimiento positivo (ACK) o negativo (NAK) Técnicas de control de flujo: Parada y espera (stop-and-wait) Ventana deslizante (sliding window) 25

26 Índice 1. Introducción 2. Funciones del nivel de enlace ([TAN03] Capítulo 3.1) 2.1 Sincronización de trama 2.2 Coordinación de la comunicación 2.3 Detección de errores 2.4 Control de flujo ([STA04] Capítulo 7) Técnicas de control de flujo Técnicas de recuperación de errores 3. Protocolo HDLC ([FOR07] Capítulo 11.6) 4. Protocolo PPP ([FOR07] Capítulo 11.7) 26

27 2.4.1 Técnicas de control de flujo Parada y espera (stop-and-wait) El emisor espera una confirmación por cada trama transmitida La siguiente trama se envía sólo cuando se recibe la confirmación El tiempo total para transmitir una trama incluyendo su confirmación T = t prop + t frame + t proc + t prop + t ack + t proc t prop : tiempo de propagación t frame : tiempo de enviar una trama t proc : tiempo de procesamiento de una trama o una confirmación t ack : tiempo de enviar una confirmación Ventaja: simplicidad (cada trama se transmite y se confirma individualmente) Desventaja: ineficiencia (cada trama y su confirmación recorren todo el camino entre el emisor y el receptor antes de poder enviar la siguiente trama) 27

28 2.4.1 Técnicas de control de flujo Parada y espera (stop-and-wait) T = t prop + t frame + t proc + t prop + t ack + t proc La utilización o eficiencia de la línea se define como: información total Si definimos a como: U = a = t t t t prop frame n* t = n*(2t U = prop a es constante en enlaces punto a punto (t prop y t frame son constantes) a es variable en enlaces multipunto frame + t a frame = ) 2t t prop frame + t frame Máxima utilización de la línea D Tiempo de Propagación a = = V = Tiempo de Transmisión L R RD VL D = distancia del enlace V = velocidad de propagación L = longitud de la trama R = velocidad de transmisión 28

29 2.4.1 Técnicas de control de flujo Parada y espera (stop-and-wait) 29

30 2. Funciones del nivel de enlace Problema 4. Se desea transmitir una serie de tramas de 1000 bits con un protocolo de nivel de enlace con control de flujo/errores mediante parada y espera. Calcula la eficiencia del enlace (sin errores) suponiendo una velocidad de transmisión de 1 Kbps y de 1 Mbps en los siguientes supuestos: (a) par trenzado de 1 Km, (b) cable coaxial de 200 Km, y (c) conexión por satélite de Km. Sol.: U = 0,999 / U = 0,990 U = 0,998 / U = 0,333 U = 0,750 / U = 0,003 30

31 2.4.1 Técnicas de control de flujo Ventana deslizante (sliding window) El emisor puede enviar varias tramas antes de recibir una confirmación Permite aprovechar de forma más eficiente la capacidad del canal El receptor confirma la recepción de tramas de vez en cuando Una o más tramas pueden ser confirmadas en cualquier momento La ventana (buffer) almacena un número determinado de tramas Esta técnica requiere un esquema de numeración de tramas para poder realizar un seguimiento de las tramas enviadas y recibidas: La numeración depende del tamaño de la ventana Las tramas se numeran en módulo n, es decir, de 0 a n-1 El tamaño máximo de la ventana es n-1 ( y no n!!!) Confirmación de las tramas: Confirmación de varias tramas (múltiple) con un único ACK Los ACKs incluyen el número de la próxima trama esperada Como máximo se pueden enviar n-1 tramas antes de recibir un ACK 31

32 2.4.1 Técnicas de control de flujo Ventana deslizante (sliding window) Ventana del emisor: La ventana tiene inicialmente espacio para n-1 tramas El tamaño de la ventana en cada momento equivale al número de tramas que se pueden enviar Envío de una trama El límite izquierdo de la ventana avanza Recepción de un ACK El límite derecho de la ventana avanza 32

33 2.4.1 Técnicas de control de flujo Ventana deslizante (sliding window) Ventana del receptor: La ventana tiene inicialmente espacio para n-1 tramas El tamaño de la ventana en cada momento equivale al número de tramas que se pueden aceptar Recepción de una trama El límite izquierdo de la ventana avanza Envío de un ACK El límite derecho de la ventana avanza 33

34 2.4.1 Técnicas de control de flujo Ventana deslizante (sliding window) 34

35 2.4.1 Técnicas de control de flujo Ventana deslizante (sliding window) Por qué el tamaño máximo de la ventana es n-1? La justificación se basa en la resolución de una posible ambigüedad en el asentimiento de las tramas Ejemplo: Dada una ventana de tamaño 8 y numeración módulo 8 Se envían las trama 0..7 y se envía un ACK 0 El ACK 0 se pierde (no es reconocido como trama válida) Se reenvían las tramas 0..7 pasado un cierto tiempo Cómo sabe el receptor que son tramas duplicadas? Transmisión full-dúplex Cada interlocutor mantiene una ventana de emisión y otra de recepción (emisión y recepción simultáneas) Optimización: superposición (piggybacking) Las confirmaciones se incluyen en las tramas de datos 35

36 2.4.1 Técnicas de control de flujo Ventana deslizante (sliding window) La utilización o eficiencia de la línea se define como: U = 1 si N 2a + 1 U = N 1 + 2a si N < 2a + 1 N es el tamaño máximo de la ventana (numeración t prop módulo N+1) y a = t frame N = 1 Parada y espera (stop-and-wait) 36

37 2.4.1 Técnicas de control de flujo Ventana deslizante (sliding window) U = 1 si N 2a

38 2.4.1 Técnicas de control de flujo Ventana deslizante (sliding window) N U = 1 + 2a si N < 2a

39 2. Funciones del nivel de enlace Problema 5. Se desea transmitir una serie de tramas de 1000 bits con un protocolo de nivel de enlace con control de flujo/errores mediante ventana deslizante. Calcula la eficiencia del enlace (sin errores) en los siguientes supuestos: (a) enlace de 100 m, V T de 1 Gbps y N = 1, (b) enlace de 10 Km, V T de 100 Mbps y N = 7, y (c) enlace de Km, V T de 1 Mbps y N = 127. Sol.: U = 0,5 U = 0,63 U = 1 39

40 Índice 1. Introducción 2. Funciones del nivel de enlace ([TAN03] Capítulo 3.1) 2.1 Sincronización de trama 2.2 Coordinación de la comunicación 2.3 Detección de errores 2.4 Control de flujo ([STA04] Capítulo 7) Técnicas de control de flujo Técnicas de recuperación de errores 3. Protocolo HDLC ([FOR07] Capítulo 11.6) 4. Protocolo PPP ([FOR07] Capítulo 11.7) 40

41 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Extensión del mecanismo de control de flujo para recuperación de errores (tramas perdidas o erróneas) ARQ (Automatic Repeat request) Cuando se recibe una trama errónea, se envía una trama NAK Las tramas especificadas por la trama NAK se retransmiten Se garantiza la robustez del mecanismo de control de flujo ante: Tramas de datos perdidas o erróneas Tramas de asentimiento (ACK o NAK) perdidas La recuperación de errores mediante ARQ se implementa junto con el control de flujo Parada y espera como: Parada y espera con ARQ (stop-and-wait ARQ) Ventana deslizante como (ventana deslizante con ARQ): Vuelta atrás N (go-back-n) Rechazo selectivo (selective reject) 41

42 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Parada y espera con ARQ (stop-and-wait ARQ) El emisor guarda una copia de la última trama transmitida hasta que recibe el ACK correspondiente El receptor puede responder con un ACK o un NAK: Las tramas de datos y las tramas ACK se numeran con 0/1 alternativamente: Una trama de datos 0 se asiente mediante una trama ACK 1 y viceversa Permite identificar y descartar las tramas duplicadas Las tramas NAK no van numeradas: Asienten negativamente una trama de datos errónea Indican la retransmisión de la última trama de datos El emisor dispone de un temporizador de forma que si no se recibe un asentimiento (ACK o NAK) antes de que expire, se retransmite la última trama de datos 42

43 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Parada y espera con ARQ (stop-and-wait ARQ) Funcionamiento normal 43

44 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Parada y espera con ARQ (stop-and-wait ARQ) Trama de datos perdida 44

45 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Parada y espera con ARQ (stop-and-wait ARQ) Trama ACK perdida 45

46 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Parada y espera con ARQ (stop-and-wait ARQ) Por qué se numeran las tramas ACK? 46

47 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Ventana deslizante con ARQ El emisor guarda copias de las tramas transmitidas hasta que recibe el ACK correspondiente El receptor puede responder con un ACK o un NAK: Las tramas de datos, las tramas ACK y las tramas NAK están numeradas: Las tramas ACK llevan el número de la trama esperada Las tramas NAK llevan el número de la trama errónea y también sirven para confirmar positivamente todas las tramas anteriores a la errónea El emisor también dispone de un temporizador de forma que si no se recibe un asentimiento (ACK o NAK) antes de que expire, se retransmiten las tramas pendientes de confirmación Dos variantes en función del rechazo: Vuelta atrás N (go-back-n): rechazo de la trama errónea y subsiguientes Rechazo selectivo (selective reject): rechazo sólo de la trama errónea 47

48 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Vuelta atrás N (go-back-n) Trama de datos perdida 48

49 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Vuelta atrás N (go-back-n) Trama de datos errónea 49

50 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Vuelta atrás N (go-back-n) Trama ACK perdida 50

51 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Rechazo selectivo (selective reject) Difiere de vuelta atrás N en que: El emisor debe disponer de un mecanismo de búsqueda que le permita seleccionar la trama cuya retransmisión fue solicitada (el receptor detectó una trama de datos perdida o errónea y solicitó su retransmisión mediante una trama NAK) El emisor sólo retransmite la trama de datos perdida o errónea El receptor debe almacenar las tramas recibidas después de enviar un NAK hasta que la trama dañada sea reemplazada El receptor debe ser capaz de reordenar las tramas recibidas El tamaño máximo de la ventana es (N+1)l2 51

52 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Rechazo selectivo (selective reject) Trama de datos errónea 52

53 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Rechazo selectivo (selective reject) Por qué el tamaño máximo de ventana es (N+1)l2? La justificación se basa en la resolución de una posible ambigüedad en el asentimiento de las tramas Ejemplo: Dada una ventana de tamaño 7 y numeración módulo 8 Se envían las trama 0..6 y se envía un ACK 7 El ACK 7 se pierde (no es reconocido como trama válida) Se reenvía la trama 0 pasado un cierto tiempo Cómo sabe el receptor que es una trama duplicada? 53

54 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Recuperación de errores con ARQ La utilización o eficiencia de la línea se define como: N r : número esperado de retransmisiones por trama P: probabilidad que una trama sea errónea P k-1 (1-P): probabilidad de que se necesiten k intentos para transmitir con éxito la trama Parada y espera con ARQ 1 U = dóndenr = N (1 + 2a) i= (1 P) = (1 P) Ventana deslizante con ARQ ip, es decir, U = i 1 1 r Vuelta atrás N Rechazo selectivo 1 P U = 1+ 2aP si N 2a + 1 N( 1 P) U = (1 + 2a)(1 P + NP) si N < 2a N( 1 P) U = 1+ 2a P a U = ( 1 P) si N 2a + 1 si N < 2a

55 2.4.2 Técnicas de recuperación de errores Recuperación de errores con ARQ N es el tamaño máximo de la ventana (numeración módulo N+1) y P = 10-3 N = 1 Parada y espera (stop-and-wait) 55

56 2. Funciones del nivel de enlace Problema 6. Se desea transmitir una serie de tramas de 1000 bits por un enlace de 100 Km a 20 Mbps. Calcula la eficiencia del enlace si la tasa de errores por bit es de 0,00004 en los siguientes supuestos: (a) parada y espera (b) vuelta atrás N (N = 7), y (c) rechazo selectivo (N = 7). Sol.: U = 0,046 U = 0,258 U = 0,320 56

57 Índice 1. Introducción 2. Funciones del nivel de enlace ([TAN03] Capítulo 3.1) 3. Protocolos del nivel de enlace 3.1 Protocolo HDLC ([FOR02] Capítulo 11.4) 3.2 Protocolo PPP ([FOR02] Capítulo 15) 57

58 3. Protocolos del nivel de enlace Características deseables de los protocolos del nivel de enlace: Independencia del nivel físico Soporte de actividad bidireccional simultánea Adaptación a diferentes aplicaciones/entornos Eficiencia (relación entre los bits de información transportados y los bits de control del protocolo) Robustez Fiabilidad 58

59 3. Protocolos del nivel de enlace Tipos de protocolos del nivel de enlace: Conexión directa entre hosts Enlace punto a punto entre dos DTEs Extremo a extremo Servicio orientado a conexión Control de flujo: Parada y espera (R ): Kermit Ventana deslizante (d o R ): HDLC (High-Level Data Link Control) 59

60 3. Protocolos del nivel de enlace Tipos de protocolos del nivel de enlace: Controlador + terminales Enlace multipunto Un DTE maestro y varios DTEs esclavos Coordinación centralizada (sondeo/selección) Extremo a extremo Servicio orientado a conexión Control de flujo: Parada y espera (R ): BSC (Binary Synchronous Control) Ventana deslizante (d o R ): HDLC 60

61 3. Protocolos del nivel de enlace Tipos de protocolos del nivel de enlace: Redes WAN Enlace punto a punto Significado local (entre DTE y DCE, o entre DCE y DCE) Servicio orientado a conexión Control de flujo: PPP (Point-to-Point Protocol): basado en HDLC Acceso doméstico (módems, ADSL) Interconexión de routers 61

62 3. Protocolos del nivel de enlace Tipos de protocolos del nivel de enlace: Redes LAN Enlace multipunto Extremo a extremo d, R y tasa de errores muy baja Control de flujo en niveles superiores Protocolo dividido en dos subcapas (Ethernet): LLC (Logical Link Control): basado en HDLC MAC (Media Access Control): coordinación por contienda 62

63 Índice 1. Introducción 2. Funciones del nivel de enlace ([TAN03] Capítulo 3.1) 3. Protocolos del nivel de enlace 3.1 Protocolo HDLC ([FOR07] Capítulo 11.6) 3.2 Protocolo PPP ([FOR07] Capítulo 11.7) 63

64 3.1 Protocolo HDLC Todos los protocolos del nivel de enlace actuales son subclases de HDLC o se basan en HDLC Comunicación semi-dúplex o full-dúplex Diferentes tipos de hosts: estaciones primarias, secundarias y combinadas Configuración del enlace: punto a punto y multipunto Modos de operación: NRM, ARM y ABM Tramas monoformato: tramas I, tramas S y tramas U Clases de procedimiento: subclases de HDLC Interfaz del protocolo Marco de referencia para el diseño de otros protocolos: LLC, PPP, LAPB (X.25), LAPD (RDSI),

65 3.1 Protocolo HDLC Tipos de estaciones Estación primaria: tiene el control total del enlace Estación secundaria: no puede controlar el enlace Estación combinada: actúa alternativamente como primaria y como secundaria Configuración del enlace Configuración no balanceada (o maestro/esclavo) Una estación primaria y una o varias estaciones secundarias La estación primaria envía órdenes a las secundarias que responden a la primaria Si sólo hay una estación secundaria, el enlace es punto a punto Si hay varias estaciones secundarias, el enlace es multipunto Configuración balanceada Dos estaciones combinadas Enlace punto a punto HDLC no soporta configuraciones balanceadas multipunto 65

66 3.1 Protocolo HDLC 66

67 3.1 Protocolo HDLC Modos de operación: Modo de respuesta normal (NRM, Normal Response Mode) Configuración no balanceada punto a punto o multipunto Una estación secundaria sólo puede transmitir cuando la estación primaria le da permiso para hacerlo (semi-dúplex) Modo de respuesta asíncrono (ARM, Asynchronous Response Mode) Configuración no balanceada punto a punto o multipunto (sólo una de las estaciones secundarias puede estar activa) Una estación secundaria puede empezar a transmitir sin pedir el permiso de la estación primaria (full-dúplex) Modo balanceado asíncrono (ABM, Asynchronous Balanced Mode) Configuración balanceada punto a punto Cualquiera de las dos estaciones combinadas puede transmitir en cualquier momento sin tener que solicitar el permiso de la otra estación (full-dúplex) Tanto en NRM como en ARM, todas las transmisiones son desde o hacia la estación primaria 67

68 3.1 Protocolo HDLC Formato de la trama Monoformato con campos de significado posicional Delimitador de inicio y fin ( ) con relleno de bits Dirección (uno o más bytes) de la estación secundaria, o dirección de la estación combinada que desempeña el papel de estación secundaria Control (uno o dos bytes) Información (longitud máxima dependiente de implementación) FCS (Frame Check Sequence): CRC-CCITT (dos bytes) o CRC-32 (cuatro bytes) 68

69 3.1 Protocolo HDLC Trama I (información) Datos e información de control asociada a los datos Campo de control N(S): número de la trama que se está enviando N(R): número de la trama esperada Las tramas I permiten la utilización de la técnica de superposición (piggybacking) Numeración módulo 8 ó 128 (modo extendido) Variables asociadas: V(S): número de la próxima trama a enviar V(R): número de la próxima trama esperada 69

70 3.1 Protocolo HDLC Trama S (supervisión) Se utiliza para asentir, positiva o negativamente, cuando no se tienen datos que transmitir (control de flujo y recuperación de errores) Campo de control N(R): número de la trama esperada Numeración módulo 8 ó 128 (modo extendido) No contiene subcampo N(S) porque las tramas S no transportan datos Subcampo Code: comando Code Comando 00 RR (Receive Ready) 01 REJ (REJect) 10 RNR (Receive Not Ready) 11 SREJ (Selective REJect) 70

71 3.1 Protocolo HDLC Trama U (no numerada) Gestión del enlace Campo de control No contiene campos N(R) ni N(S) puesto que estas tramas no intervienen en el envío/recepción de datos Subcampo Code: hasta 32 órdenes/respuestas no numeradas Selección de modo de operación: SNRM(E), SARM(E), SABM(E) Intercambio de información: UI (trama de datos no numerada), UA (respuesta positiva a la selección del modo de operación) Desconexión: DISC (desconexión), DM (respuesta negativa a la selección del modo de operación) Misceláneas: FRMR (rechazar trama con formato incorrecto) 71

72 3.1 Protocolo HDLC Tramas I, S y U Campo de control El subcampo P/F se usa para dos propósitos distintos: Cuando está activo significa sondeo o final: Sondeo cuando la trama la envía la estación primaria a una estación secundaria (orden) Final cuando la envía una estación secundaria a la estación primaria (respuesta) Mecanismo de punteo (checkpointing): Permite asociar una respuesta (F) con la orden correspondiente (P) 72

73 3.1 Protocolo HDLC Utilización de las tramas S Una trama S se utiliza para asentir, positiva o negativamente, cuando no se tienen datos que transmitir (control de flujo y recuperación de errores) Su significado depende del subcampo Code y del contexto: RR tiene 4 posibles usos: ACK: asiente tramas hasta N(R) 1 sin piggybacking Sondeo: trama RR de primaria a secundaria con el bit P activo Respuesta negativa al sondeo: trama RR de secundaria a primaria con el bit F activo (si tuviera algo que transmitir enviaría una trama I, y no una S) Respuesta positiva a la selección: trama RR de secundaria a primaria con el bit F activo RNR tiene 3 posibles usos: ACK: asiente tramas hasta N(R) 1 y solicita que no se envíen más hasta que envíe un RR Selección: trama RNR de primaria a secundaria con el bit P activo Respuesta negativa a la selección: trama RNR de secundaria a primaria con el bit F activo REJ: rechazo de la trama N(R) y subsiguientes SREJ: rechazo selectivo de la trama N(R) 73

74 3.1 Protocolo HDLC Sondeo (RR,REJ,SREJ o trama I, mas P = 1) Selección Respuesta positiva al sondeo Posible respuesta positiva a la selección Respuesta negativa al sondeo Respuesta negativa a la selección 74

75 3.1 Protocolo HDLC Clases de procedimiento Especificación precisa de las diferentes alternativas ofrecidas por HDLC Modo de operación (repertorio básico de órdenes y respuestas) con opciones UN UA BA Orden Respuesta I I RR RR RNR RNR SNRM UA DM DISC FRMR Módulo 8 Orden Respuesta I I RR RR RNR RNR SARM UA DM DISC FRMR Módulo 8 Orden Respuesta I I RR RR RNR RNR SABM UA DM DISC FRMR Módulo 8 75

76 3.1 Protocolo HDLC Clases de procedimiento Opciones Opción Orden Respuesta Descripción 2 REJ REJ Rechazo simple (vuelta atrás N) 3 SREJ SREJ Rechazo selectivo 4 UI UI Información no numerada 7 Campo dirección extendido Direcciones multiocteto 8 - Quitar I Sin respuestas I (el bit F no puede estar activo) 9 Quitar I - Sin órdenes I (el bit P no puede estar activo) 10 Campo control extendido Módulo 128 Ejemplos UN 2,4 equivale a modo NRM con rechazo vuelta atrás N y tramas no numeradas UA 2,9 equivale a modo ARM con rechazo vuelta atrás N y sin tramas I con bit P activo BA 3,8 equivale a modo ABM con rechazo selectivo y sin tramas I con bit F activo 76

77 3.1 Protocolo HDLC UN 3,4 (sin errores) t0/1/2: conexión A/B/C y envío información no numerada t3: sondeo A t4: sondeo B con envío de una trama de datos que envía, a su vez, tres tramas de datos t5: envío de cinco tramas de datos a A t6: P agota su ventana y selecciona a A para poder seguir enviando tramas t7: sondeo C t8: P solicita confirmación de tramas pendientes a A t9: P confirma tramas pendientes de B t10/11/12: desconexión A/B/C P A B t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 A,SNRM,P A,UA,F A,RR,0,P A,RR,0,F A,I,0,0,* A,I,1,0,* A,I,2,0,* A,I,3,0,* A,RNR,0,P A,RR,4,F A,I,4,0,* A,RNR,0,P A,RR,5,F A,DISC,P A,UA,F B,SNRM,P B,UA,F B,I,0,0,P B,I,0,1,* B,I,1,1,* B,I,2,1,F B,RNR,3,P B,RR,1,F B,DISC,P B,UA,F C,SNRM,P C,UA,F G,UI C,RR,0,P C,RR,0,F C,DISC,P C,UA,F C 77

78 3.1 Protocolo HDLC UN 2,4 (con errores) t0/1/2: conexión A/B/C t3: sondeo A con envío de una trama de datos que se pierde t4: expira el timeout y P intenta averiguar el estado de A t5: P recibe una trama ACK 1 y reenvía la trama de datos perdida en t6 t7: sondeo B que envía dos tramas de datos t8: la trama se pierde t9: sondeo C t10: sondeo A t11: sondeo B, indicando la recepción previa de una trama fuera de secuencia, que reenvía la trama perdida y subsiguientes t12: P confirma tramas pendientes de B t13/14/15: desconexión A/B/C P A B t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15 A,SNRM,P A,UA,F A,I,0,0,* A,I,1,0,P timeout A,RNR,0,P A,RR,1,F A,I,1,0,P A,RR,2,F A,RR,0,P A,RR,2,F A,DISC,P A,UA,F B,SNRM,P B,UA,F B,RR,0,P B,I,0,0,* B,I,1,0,F C,RR,0,P C,RR,0,F B,REJ,0,P B,I,0,0,* B,I,1,0,F B,RNR,2,P B,RR,0,F B,DISC,P B,UA,F C,SNRM,P C,UA,F C,DISC,P C,UA,F C 78

79 3.1 Protocolo HDLC UN 2,4 (con errores) t0/1/2: conexión A/B/C t3: sondeo A con envío de una trama de datos que llega a B errónea t4: expira el timeout y P intenta averiguar el estado de A t5: P recibe una trama NAK 1 y reenvía la trama de datos errónea en t6 t7: sondeo B que envía dos tramas de datos t8: la trama se pierde t9: sondeo C t10: sondeo A t11: sondeo B, indicando la recepción previa de una trama fuera de secuencia, que reenvía la trama perdida y subsiguientes t12: P confirma tramas pendientes de B t13/14/15: desconexión A/B/C P A B t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15 A,SNRM,P A,UA,F A,I,0,0,* A,I,1,0,P timeout A,RNR,0,P A,REJ,1,F A,I,1,0,P A,RR,2,F A,RR,0,P A,RR,2,F A,DISC,P A,UA,F B,SNRM,P B,UA,F B,RR,0,P B,I,0,0,* B,I,1,0,F C,RR,0,P C,RR,0,F B,REJ,0,P B,I,0,0,* B,I,1,0,F B,RNR,2,P B,RR,0,F B,DISC,P B,UA,F C,SNRM,P C,UA,F C,DISC,P C,UA,F C 79

80 3.1 Protocolo HDLC A B BA 3,8 (con errores) t0: conexión A/B t18: B desea saber el estado de A e inicia un ciclo de punteo que también detecta la trama perdida pero más tarde que con el rechazo explícito t20: A recibe una trama fuera de secuencia y envía una trama NAK 3 t25: A desea terminar el enlace y se asegura de que no haya tramas en tránsito t29: desconexión A/B Con enlaces full-dúplex no se puede usar el número de trama esperada para detectar errores, por qué? B,I,0,0,P B,I,1,0,* A,RR,2,F t0 t1 t5 t7 t14 t15 t18 B,I,2,3,* t20 B,SREJ,3,* t21 A,RR,3,F t23 B,RNR,6,P t25 t26 t29 t30 B,SABM,P B,UA,F B,DISC,P B,UA,F t2 t3 t7 A,I,0,0,P t9 B,RR,1,F t10 A,I,1,1,* t12 A,I,2,1,* t14 A,I,3,1,* t16 A,I,4,2,* t18 A,I,5,2,P t20 t22 t24 A,I,3,3,* t27 t28 B,RR,3,F t31 t32 80

81 3.1 Protocolo HDLC Interfaz del protocolo Servicio orientado a la conexión (con asentimiento) 81

82 3.1 Protocolo HDLC Interfaz del protocolo 82

83 3.1 Protocolo HDLC PROBLEMA 7 (Examen de Febrero de 2005). Dos máquinas A y B se comunican sobre un enlace full-dúplex mediante un protocolo de nivel de enlace derivado de HDLC del tipo BA 3 (repertorio básico + rechazo selectivo con SREJ + numeración módulo 8), con las siguientes órdenes: SABM, DISC, I, RR, RNR; y respuestas: UA, DM, FRMR, I, RR, RNR. El tiempo de transmisión es de 2 ms para cada trama de información y de 1 ms para el resto. El tiempo de propagación es de 2 ms. El tiempo de procesamiento puede despreciarse. El contenido de cada trama debe especificarse mediante la siguiente nomenclatura: [DIRECCIÓN, COMANDO/RESPUESTAS, N(S), N(R), P/F]. Si algún campo no es aplicable, sustitúyalo por un asterisco. Dibuje un esquema detallado indicando las tramas que intercambian A y B si en t0 A inicia la transmisión de la trama de establecimiento de conexión. Dibuje un esquema detallado indicando las tramas que intercambian A y B, suponiendo que en t8 A comienza a transmitir 5 tramas de datos, que la segunda trama de datos que envía A se pierde, que en t9 B comienza a transmitir 2 tramas de datos, y que la segunda trama de datos que envía B llega a A errónea, hasta que todas las tramas de información son confirmadas. Notas: Describa brevemente el significado de cada una de las instrucciones y respuestas que utilice. El bit P se activará sólo en las tramas de información cuando la estación no pueda enviar más tramas de información. La confirmación de tramas se realizará mediante piggybacking, es decir, sólo se enviarán tramas RR como respuesta a un ciclo P/F cuando la estación no pueda enviar más tramas de información. 83

84 A B Tema Protocolo HDLC PROBLEMA 7 (Examen de Febrero de 2005) BA 3 (con errores) t0: conexión A/B t8: A comienza a transmitir t9: B comienza a transmitir t14: A no puede enviar más tramas de información e inicia un ciclo de punteo t15: A recibe una trama errónea y envía una trama NAK 1 en t16 t16: B recibe una trama fuera de secuencia y envía una trama NAK 1 t18: B cierra el ciclo de punteo con una trama ACK 1 t19: A recibe una trama NAK 1 y reenvía la trama errónea t19: B recibe una trama NAK 1 y reenvía la trama errónea iniciando un ciclo de punteo t21: A envía la última trama de datos iniciando un ciclo de punteo t23: A cierra el ciclo de punteo con una trama ACK 2 t25: B cierra el ciclo de punteo con una trama ACK 5 B,I,0,0,* B,I,1,0,* B,I,2,0,* B,I,3,1,P A,SREJ,1,* B,I,1,1,* B,I,4,1,P A,RR,2,F t0 t1 t6 t8 t10 t12 t14 t16 t17 t19 t21 t23 t24 t28 B,SABM,P B,UA,F t3 t4 t9 t11 t13 t16 t17 t18 t19 t21 t25 t26 A,I,0,0,* A,I,1,0,P B,SREJ,1,* B,RR,1,F A,I,1,1,P B,RR,5,F 84

85 Índice 1. Introducción 2. Funciones del nivel de enlace ([TAN03] Capítulo 3.1) 3. Protocolos del nivel de enlace 3.1 Protocolo HDLC ([FOR07] Capítulo 11.6) 3.2 Protocolo PPP ([FOR07] Capítulo 11.7) 85

86 3.1 Protocolo PPP Necesidad de protocolos de nivel de enlace para comunicación full-dúplex sobre enlaces punto a punto PPP sobre medio físico (módems) PPP sobre ATM (router ADSL) PPP sobre Ethernet (interconexión de routers) PPP (Point-to-Point Protocol) soporta: Diferentes protocolos de autenticación Múltiples protocolos del nivel de red de manera simultánea Asignación dinámica de direcciones de red Detección de errores (tramas PPP erróneas) Detección de fallos en el enlace y notificación al nivel de red PPP no soporta ni control de flujo ni enlaces multipunto 86

87 3.1 Protocolo PPP Diagrama de estados 87

88 3.1 Protocolo PPP Estados Inactivo (Idle): el enlace no está siendo usado Establecimiento del enlace (Establishing) Negociación de opciones del protocolo de enlace mediante el protocolo de control del enlace LCP Autenticación (Authenticating) Verificación de la identidad del usuario PAP CHAP Red (Networking) Negociación de opciones del protocolo de red mediante el protocolo de gestión de red NCP Transmisión de datos (paquetes del nivel de red) Terminación del enlace (Terminating) 88

89 3.1 Protocolo PPP Formato de la trama Monoformato con campos de significado posicional Delimitador de inicio/fin de HDLC ( ) con relleno de caracteres (carácter ESC ó ) Dirección: fijo ( ), es decir, no hay direcciones Control: fijo (UI), es decir, transmisión no fiable Protocolo: identifica el tipo de paquete del campo de datos Protocolo del nivel de red (IP, IPX, AppleTalk, ) o protocolo de gestión de otro protocolo (LCP, NCP, ) Información FCS (Frame Check Sequence) de HDLC 89

90 3.1 Protocolo PPP Protocolo LCP (Link Control Protocol) Las paquetes LCP van encapsulados dentro de las tramas PPP (Protocol: C ) Establecimiento, configuración y terminación del enlace Monitorización del estado del enlace Formato de los paquetes LCP Código: tipo de paquete LCP ID: correspondencia entre peticiones y respuestas Longitud: tamaño total del paquete LCP 90

91 3.1 Protocolo PPP Protocolo LCP (Link Control Protocol) Código Tipo de paquete Descripción 0x01 Petición de configuración Lista de opciones de configuración 0x02 ACK de configuración Acepta las opciones propuestas 0x03 NAK de configuración Algunas opciones no son aceptables 0x04 NAK de configuración Algunas opciones no son reconocidas 0x05 Petición de terminación Solicita la terminación del enlace 0x06 ACK de terminación Acepta la terminación del enlace 0x07 Rechazo de código Código desconocido 0x08 Rechazo de protocolo Protocolo desconocido 0x09 Petición de eco 0x0A Respuesta de eco Intercambio de paquetes (comprobación del enlace) 0x0B Petición de descarte Petición para descartar el paquete (comprobación local) Opción más comunes Tamaño máximo del paquete Protocolo de autenticación Compresión del campo de protocolo Compresión del campo de control/dirección Valor por defecto 1500 bytes Ninguno Desactivado Desactivado 91

92 3.1 Protocolo PPP Autenticación PAP (Password Authentication Protocol) 92

93 3.1 Protocolo PPP Autenticación CHAP (CHallenge Authentication Protocol) 93

94 3.1 Protocolo PPP Protocolo NCP (Network Control Protocol) Conjunto de protocolos que permiten negociar opciones para diferentes protocolos del nivel de red Protocolo de control protocolo entre redes (IPCP, Internetwork Protocol Control Protocol) Gestión de direcciones IP dinámicas, tamaño máximo del paquete, compresión de los datos, La trama IPCP va encapsulada dentro de la trama PPP (Protocol: ) Formato de los paquetes IPCP: 94

95 3.1 Protocolo PPP Ejemplo LCP CHAP IPCP IP sobre PPP ( ) 95

96 Resumen Sincronización de trama: Delimitadores de principio/fin de trama Transparencia mediante relleno de caracteres/bits Coordinación de la comunicación: Centralizada (selección y sondeo) Por contienda Detección de errores: CRC Control de flujo y recuperación de errores: Parada y espera con ARQ (Automatic Repeat request) Ventana deslizante con ARQ Vuelta atrás N (go-back-n) Rechazo selectivo (selective reject) 96

97 Resumen HDLC Tipos de estaciones: primarias, secundarias y combinadas Configuración del enlace: punto a punto y multipunto Modos de operación: NRM, ARM y ABM Tramas monoformato: tramas I, tramas S y tramas U Clases de procedimiento: subclases de HDLC Interfaz del protocolo PPP Tramas monoformato Diagrama de estados Autenticación: PAP y CHAP Protocolos LCP y NCP 97