TRANSMISIÓN DE DATOS CONTROL DE ENLACE Ángel Moreno Universidad de Alcalá 1 INTRODUCCIÓN APLICACIÓN PRESENTACIÓN SESIÓN TRANSPORTE RED ENLACE FÍSICO OBJETIVO: Proporcionar un servicio de transmisión fiable (libre de errores) entre dos equipos conectados mediante un enlace. FUNCIONES: Establecer un formato de trama Detectar y corregir errores de transmisión en las tramas Controlar el flujo de tramas Proporcionar una interfaz normalizada al nivel de red, que incluya los mecanismos necesarios para la administración del enlace. 2
INTRODUCCIÓN 3 INTRODUCCIÓN El Nivel Físico proporciona un enlace cable (los bits se recibenenel mismo orden quesetransmiten), dondese transmiten señales. Lamentablemente: Hay errores de transmisión El ancho de banda es limitado La velocidad no tiene por qué coincidir en ambos extremos El tiempo de propagación es finito Si queremos una comunicación de datos efectiva => encima del Nivel Físico se necesita una capa lógica para gestión y control del intercambio de datos 4
INTRODUCCIÓN El Nivel de Enlace Define el tipo de servicio Agrupa los bits en tramas Realiza la sincronización de trama Controla el flujo de datos Detecta y/o corrige errores Realiza el direccionamiento en enlaces multipunto Envía datos e información de control en el mismo enlace Define los procedimientos para la gestión del enlace: Inicio Mantenimiento Liberación del enlace. 5 SERVICIOS PROPORCIONADOS AL NIVEL DE RED El principal servicio es la transferencia de datos desde una entidad de red en la máquina origen a una entidad de red en la máquina destino. En función de los requisitos, es posible establecer diferentes tipos de servicio: No orientado a conexión (CL), sin asentimiento: Canales con baja tasa de error, o para tráfico en tiempo real. No orientado a conexión (CL), con asentimiento: Canales poco fiables, inestables. Orientado a conexión (CO): Se establece una conexión antes de transferir datos Garantiza que cada trama se recibe una y sólo una vez, y que el orden de recepción coincide con el de transmisión. 6
SERVICIO CL, SIN ASENTIMIENTO Ni se establece conexión al principio, ni se libera al final La fuente envía tramas sin esperar asentimiento (ACK) Se ignoran los errores o pérdidas de tramas El receptor puede saber cuándo hay errores, pero no se lo comunica al transmisor Bueno para: Canales muy fiables con topologías muy sencillas (poca conmutación) Sistemas protegidos a niveles superiores Tráfico en tiempo real Ejemplo: envío postal ordinario 7 SERVICIO CL, CON ASENTIMIENTO Ni se establece conexión al principio, ni se libera al final Cada trama se asiente individualmente El transmisor sabe cuándo hay errores (la trama no llega, o llega mal) Bueno para: Canales menos fiables o inestables Sistemas protegidos a niveles inferiores Sistemas donde la pérdida de una trama no es admisible Ejemplo: envío postal con acuse de recibo 8
SERVICIO ORIENTADO A CONEXION Emisor y receptor establecen una conexión al principio y la liberan al final. Se garantiza que cada trama: Llega a su destino Llega una y sólo una vez Llega en el orden correcto El Nivel de Red percibe un flujo de datos fiable Ejemplo: conexión telefónica 9 FORMATO DE TRAMAS El Nivel de Enlace fragmenta la secuencia de bits (que le pasa el Nivel de Red) en tramas, antes de cedérsela al Nivel Físico. Cada trama contiene una cabecera y un final, que permite: Detectar el comienzo y final de la trama (sincronismo) Identificar el destinatario Detectar errores Corregir errores La cabecera y fin de trama incluyen información de: El tipo de protocolo de enlace El método de sincronización Redundancia de los datos 10
FORMATO DE TRAMAS Ejemplo. Datos a transmitir: 1110001100001001 1100010001000000 1000011110000110... 01111110 Dirección Control 1110001100001001 Checksum 01111110 01111110 Dirección Control 1100010001000000 Checksum 01111110 01111110 Dirección Control 1000011110000110 Checksum 01111110 11 SINCRONIZACIÓN Sincronización de bit: resuelta por el Nivel Físico Sincronización de carácter: en protocolos orientados a carácter Transmisión asíncrona. Transmisión síncrona. Sincronización de trama: datos de nivel superior. Tramas de longitud fija: delimitador de principio de trama Tramas de longitud variable: Delimitadores de principio y fin Delimitadores de principio y cuenta Banderas de sincronización 12
SINCRONIZACIÓN DE CARÁCTER El receptor debe distinguir, dentro de un flujo de bits, cuáles corresponden a un carácter y cuáles al siguiente. Es necesario conocer el número de bits por carácter Transmisión asíncrona: Intervalos de arranque y parada Sencillo pero ineficaz Transmisión síncrona: Se transmiten los datos un bit tras otro sin símbolos especiales conjuntamente con la información de sincronismo. Es necesario emplear algún esquema de bits cuyo reconocimiento permita a transmisor y receptor interpretar los bits de un carácter de la misma forma 13 SINCRONIZACIÓN DE TRAMA Una vez alcanzadas las sincronizaciones de bit y carácter Para delimitar unidades formadas por datos correspondientes al nivel superior, información de control del protocolo y bits de redundancia Tramas de longitud fija: Todas las tramas poseen la misma longitud Símbolo de principio de trama Para saber dónde comienza la trama Impone fuertes restricciones e ineficiencias a los protocolos 14
SINCRONIZACIÓN DE TRAMA Tramas de longitud variable: Delimitadores de principio y fin Simbolos de comienzo y de fin de trama Suelen aparecer, además, otros caracteres de control e información de redundancia de verificación de trama Problema de transparencia de los datos Delimitadores de principio y cuenta Símbolo de comienzo de trama Cabecera de longitud fija Datos de longitud variable (especificada en la cabecera) Banderas de sincronización Trama de estructura fija Delimitada por una secuencia particular Problemas de transparencia de los datos 15 FORMATO DE TRAMAS La fragmentación (formación de tramas) es compleja: Tamaño óptimo de la trama Mejores secuencias de cabecera y fin Mejor información de redundancia Transparencia de cabecera y fin en los datos Detección del fin de una trama y comienzo de la siguiente Algunos métodos: Temporización (poco utilizado) Cuenta de bits Caracteres de inicio y fin Caracteres de inicio y fin con relleno de bits 16
CUENTA DE BITS Se indica, para cada trama, su longitud: Trama i Trama i+1 Nº Trama Longitud Datos Nº Trama Longitud Datos Problemas: Se pierde la sincronización si se transmite mal la longitud Se pierde la sincronización si se produce un error de cuenta Se pierde la sincronización si se pierde uno o varios bits No se sabe dónde empieza la siguiente trama No se sabe dónde comenzaría la retransmisión 17 SECUENCIAS DE INICIO/FIN Cada trama comienza con una secuencia de bits fácilmente reconocible (DLE STX) Cada trama termina con una secuencia de bits fácilmente reconocible (DLE ETX) DLE STX Datos #1 DLE ETX DLE STX Datos #2 DLE ETX, Qué ocurre si en la secuencia de datos aparecen las secuencias de comienzo o fin de trama? 18
SECUENCIAS DE INICIO/FIN Posible solución: Insertar el carácter DLE antes de cada aparición de DLE en la secuencia inicial, de manera tal que se garantice la no aparición de las secuencias de inicio / fin Funcionamiento: Se define el carácter especial, de escape (DLE), que indica que lo que viene a continuación es un carácter de control En transmisión: Si aparece DLE en la secuencia a transmitir, se duplica En recepción: Cuando el receptor detecta un carácter DLE, si el siguiente es distinto, lo interpreta como control. Si es DLE, lo toma como dato (una sola vez) 19 SECUENCIAS DE INICIO/FIN EJEMPLO: DATOS : 9 STX ACK 2 DLE ETX TX : DLE STX 9 STX ACK 2 DLE DLE ETX DLE ETX X RX : DLE STX 9 STX ACK 2 DLE DLE ETX DLE ETX X X CTRL DATO CTRL 20
RELLENO DE BITS La secuencia de inicio / fin es un patrón especial de bits, 01111110, llamado indicador Funcionamiento: En transmisión: Cada vez que aparecen 5 unos consecutivos, se inserta un bit 0 de forma automática En recepción: Cuando el receptor detecta 5 unos consecutivos, seguidos de un cero, lo elimina de forma automática Bit Stuffing 21 RELLENO DE BITS EJEMPLO: DATOS : 00011111010111111110001111110 TX : 011111100001111100101111101110001111101001111110 El transmisor impide que se envíen más de 5 unos seguidos, insertando un cero tras el quinto El receptor, cuando detecta 5 unos, si el siguiente es cero lo elimina, y si es 1 asume el carácter de escape 22
CONTROL DE FLUJO Es muy posible que el transmisor genere tramas a mayor velocidad de la que puede alcanzar el receptor. Es preciso implantar mecanismos, a nivel de enlace, que permitan frenar al transmisor. Estos mecanismos se basan en realimentar al transmisor con información sobre el estado del receptor. Mecanismos típicos: Control básico, mediante secuencias ACK / NACK Control extendido, mediante intercambio de parámetros durante el establecimiento de llamada, y control de flujo mediante señalización, durante la transmisión 23 CONTROL DE FLUJO Diagrama temporal Tiempo de transmisión de una trama Tiempo de retardo de transmisión o de propagación 24
PARADA Y ESPERA El transmisor envía una trama y espera hasta recibir la aceptación del receptor. El receptor controla el flujo reteniendo las confirmaciones. Eficiente si se envían pocas tramas de gran tamaño Las tramas suelen ser pequeñas debido a: Tamaño limitado de memoria temporal del receptor Probabilidad de errores mayor en tramas largas Medios compartidos: evitar retardos excesivos al resto 25 PARADA Y ESPERA TX RX TR ACK TR ACK TR ACK TR ACK 26
VENTANA DESLIZANTE Conexión full-duplex (A es el transmisor y B el receptor). B puede aceptar y almacenar n tramas A puede enviar n tramas sin esperar confirmación. Tramas numeradas para identificar las confirmaciones. B confirma tramas enviando el número de trama que espera recibir A la vez informa que está preparado para recibir las n tramas siguientes Puede confirmar varias a la vez. 27 VENTANA DESLIZANTE TX RX TR 0 TR 1 TR 2 TR 3 TR 0 TR 1 TR 2 RR 1 RR 2 RR 3 RR 3 TR 3 RR 0 28
VENTANA DESLIZANTE Ventana en A: lista de números de secuencia de tramas que se permiten transmitir. Ventana en B: lista de números de secuencia de tramas que se esperan recibir. Numeración: Ocupa un campo de las tramas n bits ==> números de 0 a 2 n -1 Numeración módulo 2 n N máximo de ventana: sin errores, 2 n Los números de secuencia se vuelven a utilizar cíclicamente 29 VENTANA DESLIZANTE Funcionamiento (sin errores): En A: la ventana se cierra por el límite inferior al transmitir una trama y se abre por límite superior al recibir confirmaciones. En B: la ventana se cierra por límite inferior al recibir una trama, se abre por el límite superior al enviar confirmaciones. 30
VENTANA DESLIZANTE 31 DETECCIÓN / CORRECCIÓN DE ERRORES Con objeto de asegurar que los datos transmitidos y luego recibidos se pasan al nivel superior (red) libres de errores: Sin alteraciones en las secuencias de bits En el orden correcto de tramas Sin duplicidades PROBLEMA EFECTO OBSERVADO POSIBLE SOLUCION Error de bit, trama incompleta La trama se recibe mal La trama no se recibe La trama se recibe tras haber enviado NACK No se sabe si la recepción fue correcta La trama no sirve Espera indefinida Duplicidad de trama Código de redundancia, CRC Solicitar re-envío (ACK/NACK) Temporizadores Numerar tramas y recomponer en destino 32
DETECCIÓN / CORRECCIÓN DE ERRORES Al añadir información redundante a una secuencia de datos, es posible (hasta cierto punto) detectar errores en recepcióny,eventualmente,corregirlos. Todo código de detección y/o corrección tiene limitaciones en cuanto al número y tipo de errores detectables y/o corregibles Existe un compromiso técnico entre el volumen de información redundante y la capacidad de corrección Otras limitaciones: No siempre los errores son aislados (errores de ráfaga ) Puede haber errores al transmitir la propia información redundante 33 Ejemplos: DETECCIÓN / CORRECCIÓN DE ERRORES D C NOMBRE : Pepe EDAD : 24 TX NOMBRE : Pepe EDAD : 14 NOMBRE : Pepe EDAD : 24 MAYOR EDAD : SI TX NOMBRE : Pepe EDAD : 14 MAYOR EDAD : SI X NOMBRE : Pepe EDAD : 24 MAYOR EDAD : SI AÑO NACIM : 1976 TX NOMBRE : Pepe EDAD : 14 MAYOR EDAD : SI AÑO NACIM : 1976 X X 34
DETECCIÓN / CORRECCIÓN DE ERRORES Códigos detectores: De paridad simple De redundancia cíclica (CRC) Control de errores Códigos correctores FEC (Forward Error Correction): Distancia Hamming Retransmisión de tramas: ARQ (Automatic Repeat Request) ARQ con parada y espera ARQ con rechazo simple ARQ con rechazo selectivo. 35 DISTANCIA HAMMING Entre dos palabras: número de bits en que se diferencian De un código (d): mínima distancia que se puede obtener entre dos palabras cualesquiera del código Condición de detección: La palabra no coincide con ninguna de las del código Cada cambio que se produce en un bit de la palabra: 1 error Para detectar p errores: d = p + 1 Condición de corrección: Sustituir la palabra errónea por la más cercana La más cercana es la de menor distancia Hamming Si queremos corregir p errores: d = 2p + 1 36
DISTANCIA HAMMING Ej: Código de dos bits Cada palabra sin codificar tiene una longitud de 2 bits Cada palabra codificada tiene una longitud de 12 bits SIN CODIFICAR 00 01 10 11 CODIFICADO 000000000000 000000111111 111111000000 111111111111 La distancia Hamming es d = 6 Permite detectar 5 errores (p = d - 1) Permite corregir 2 errores (p = d/2-1) 37 DISTANCIA HAMMING Ej: Si transmitimos 000000000000, puede llegar: RECIBE ERRORES CORREGIMOS RESULTADO 000000000000 000000000001 000000000011 000000000111 000000001111 000000011111 000000111111 0 1 2 3 4 5 6 NO DETECTA 00 00 00 / 01 01 01 NO DETECTA BIEN BIEN BIEN DUDAS MAL MAL MAL Es capaz de detectar 5 errores Es capaz de corregir 2 errores 38
CÓDIGOS DE PARIDAD SIMPLE Bit de paridad: se añade a la secuencia inicial un bit que fuerza que el número de unos sea par (paridad par) o impar (paridad impar): SECUENCIA PARIDAD PAR PARIDAD IMPAR 0110011 1101101 1010101 0000000 1111111 0110011 0 1101101 1 1010101 0 0000000 0 1111111 1 0110011 1 1101101 0 1010101 1 0000000 1 1111111 0 Es un código de detección simple. Sihaymásdeunerror en la trama, no lo detecta correctamente. Tampoco permite corregir errores simples. 39 CÓDIGOS DE REDUNDANCIA CÍCLICA Dado un bloque o mensaje de m bits, el transmisor genera una secuencia de r bits, denominada secuencia de comprobación de trama, de forma que la trama resultante, de n = m + r bits, sea divisible por un número determinado. El receptor divide la trama recibida por ese número y, si no hay resto en la división, supone que no hay errores. Se utiliza aritmética módulo 2 Sumas y restas binarias sin acarreo Equivalente a utilizar la operación lógica O - Exclusivo 40
CÓDIGOS DE REDUNDANCIA CÍCLICA Se parte de la trama de m bits, que se representa mediante un polinomio de grado m-1: M(x) = x m-1 +... +x 0 (Ej, 101001 x 5 +x 3 +x 0 ) Se añaden r (r<m) bits a 0, a la derecha de la trama X r M(x) = x m+r-1 +... +x r Se toma un polinomio generador G(x) de grado r (r+1 bits) El primer y último bit deben ser 1 G(x) = x r +... + x 0 ) (Ej. 1011 x 3 + x 1 + x 0 ) Conocido por transmisor y receptor 41 CÓDIGOS DE REDUNDANCIA CÍCLICA Se calcula el resto de la división (módulo 2) X r M(x)/G(x) R(x) Se calculalatramaatransmitir, T(x) T(x) = X r M(x) - R(x) La redundancia introducida es el resto de la división Al receptor le llega T(x) + E(x) (siendo E(x) el error) El receptor vuelve a dividir por el polinomio generador, G(x) Si E(x) 0 {T(x)+E(x)}/G(x) no tiene, en general, resto nulo 42
CÓDIGOS DE REDUNDANCIA CÍCLICA La propiedad anterior es cierta sólo si E(x)/G(x) tiene resto no nulo Existen polinomios generadores G(x) que minimizan la probabilidad de que dicho resto sea nulo, para determinados tipos de errores (simples, dobles, ráfagas, etc.) POLINOMIO 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 DETECTA Números impares de errores, en ráfagas Errores simples, errores dobles y ráfagas Similar a CRC-16 43 CODIGOS CORRECTORES DE ERRORES Códigos que, ante la detección de errores en la trama, permiten hasta cierto punto inferir el valor inicial de la trama. En general, requieren transmitir mucha redundancia, lo que reduce el ancho de banda efectivo del canal. Son poco atractivos frente a protocolos basados en detección y retransmisión. Pero muy útiles donde la retransmisión no es factible: Enlaces vía satélite Tráfico en tiempo real no descartable 44
RETRANSMISIÓN DE TRAMAS Tramas perdidas: una trama enviada no llega a su destino Tramas con errores: la trama se modifica durante la transmisión ARQ (Automatic Repeat Request) Confirmación positiva de las tramas correctas Detección de los errores Confirmación negativa y retransmisión de las tramas recibidas con errores Retransmisión después de un intervalo de tiempo si no se recibe una confirmación positiva Objetivo: convertir un enlace de datos no fiable en seguro 45 ARQ CON PARADA Y ESPERA Se basa en el control de flujo mediante parada y espera ACK: ha llegado bien, envía la siguiente Si pasa cierto tiempo, se retransmite la trama Problema de duplicación de trama Solución: bit alternante en trama y asentimiento Sencillo: Poca memoria en transmisor: una trama Nada de memoria en receptor... pero ineficiente: Si el tiempo de asentimiento es muy elevado Si se producen muchos errores 46
ARQ CON PARADA Y ESPERA 47 ARQ CON RECHAZO SIMPLE Basado en control de flujo mediante ventana deslizante RR n: ha llegado bien hasta la trama n-1, envía n REJ n: la trama n ha llegado mal o no ha llegado El receptor descarta n y todas las posteriores recibidas Se retransmite n y todas las posteriores, ya enviadas o no Si el receptor recibe una trama con número de secuencia fuera de la ventana, la considera duplicada Si pasa cierto tiempo sin recibir confirmación, el transmisor envía pregunta de estado (RR con bit P = 1) Receptor confirma la última trama recibida correctamente Nuevo temporizador de bit P Reintento de pregunta de estado varias veces Si no hay respuesta: procedimiento de reinicio 48
ARQ CON RECHAZO SIMPLE 49 ARQ CON RECHAZO SIMPLE N de ventana máximo: 2 k -1 (k bits) Ejemplo: N = 8 con k = 3 bits: A envía 0, B contesta RR1; A envía 12345670, B contesta RR1 A no sabe si se perdieron todas o ninguna Características: Necesidad mayor de memoria en el transmisor i 1 f ( i) P (1 P) No necesita memoria en i= 1 el receptor Si el tiempo de asentimiento es elevado, disminuye el caudal eficaz, aunque es mejor que con parada y espera Si hay muchos errores, el caudal disminuye 50
ARQ CON RECHAZO SELECTIVO Igual que el rechazo simple pero sólo se retransmiten las rechazadas (SREJ) o aquellas para las que expira el temporizador El receptor debe reservar una zona de memoria temporal para almacenar tramas detrás del SREJ hasta que reciba la trama rechazada El receptor debe tener una lógica para reinsertar la trama El transmisor debe ser capaz de enviar tramas fuera de orden El caudal eficaz es independiente del tiempo de asentimiento Sigue disminuyendo cuando existen muchos errores 51 ARQ CON RECHAZO SELECTIVO 52
ARQ CON RECHAZO SELECTIVO Tamaño de ventana mucho más restrictivo Ej: si N = 7 con 3 bits A envía 0,1,2,3,4,5,6 B confirma con RR 7 Se pierde RR7 En A expira temporizador y se retransmite 0 B considera que es nueva y la acepta (ventana en 7,0,1,2,3,4 y 5) N máxima = 2 k-1 (con k bits), es decir, la mitad. Se utiliza mucho menos que ARQ con rechazo simple, aunque sea más eficiente 53