4. Nivel de Enlace de Datos

• el nivel de enlace de datos se ubica inmediatamente encima del nivel físico.
• define los protocolos que interactúan directamente con los componentes físicos de la red, como son los cables y conectores.
• controla el flujo de información y añade su propio control de errores en los paquetes que envía a través de los enlaces.
• los bridges o puentes operan a este nivel.
• el IEEE ha dividido el nivel de enlace en dos subniveles:
  • control de acceso al medio MAC media access control.
  • control de enlace lógico LLC logical link control.
    

• el subnivel MAC, el más bajo, define el método de acceso al medio, que puede ser tanto por acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones como de token ring o por medio de otra interfaz física definida por el IEEE.
• el subnivel LLC proporciona una forma de pasar la información entre diferentes tipos de red, reempaqueta los datos con nuevos encabezados, ofreciendo así, la funcionalidad del nivel.
  
  

Problemas de diseño de la capa de enlace

• la capa de enlace tiene que cumplir con un número de funciones específicas como.
• la de proporcionar una interfaz de servicio muy bien definida a la capa de red.
• la de determinar cómo los bits correspondientes a la capa física están agrupados en frames o tramas
• la de ocuparse de los errores de transmisión.
• la de regular el flujo de frames o tramas, de tal manera que los receptores lentos no se vean desbordados por los transmisores rápidos.
• la de la administración del enlace en general.
  
  

Servicios suministrados a la capa de red

- el principal servicio es el de transferir datos de la capa de red de la máquina de origen, a la capa de red de la máquina destino.

• la capa de enlace puede diseñarse para que pueda ofrecer varios servicios.
  • servicio sin conexión y sin confirmación
  • servicio sin conexión y con confirmación
  • servicio orientado a conexión.
    

servicio sin conexión y sin confirmación

• la máquina origen transmite frames independientes a la máquina destino sin que ésta proporcione una confirmación.
• no se establece ninguna conexión previa.
• si el frame se pierde, no se realiza ningún intento por recuperarla en este nivel.
• servicio conveniente cuando las tasas de errores son bajas y la recuperación se deja a los niveles superiores.
• apropiado en casos de tráfico en tiempo real como el de voz, en que un retraso en la llegada es peor que tener datos erróneos.
  

servicio sin conexión y con confirmación

• cada uno de los frames en confirmado en forma individual.
• si un frame no llega en un intervalo de tiempo especificado, entonces se comienza su retransmisión.
• si la confirmación se pierde, el frame podría recibirse duplicado.
  

servicio orientado a conexión.

• es el más sofisticado de los servicios.
• se debe establecer una conexión antes de comenzar la transmisión.
• cada una de los frames se identifica con un número y la capa de enlace garantiza que cada frame transmitido sea efectivamente recibido, sólo una vez (sin duplicados) y en el orden correcto.
• las transferencias tienen 3 fases distintas:
  • establecimiento de la conexión, los dos lados inicializan variables y contadores necesarios para mantener el seguimiento de los frames recibidos.
  • la segunda fase es en la cual los frames se transmiten realmente.
  • la tercera fase o de desconexión se encarga de liberar la conexión, dejando libres a las variables, las memorias temporales (buffers) así como otros recursos que se emplean para mantener la conexión.
• la comunicación entre la capa de red y la capa de enlace utiliza las primitivas de servicio de la OSI, que se verán brevemente a continuación: solicitud, indicación, respuesta y confirmación.
• solicitud para solicitar un servicio al nivel de enlace, por ejemplo establecer o liberar una conexión, o transmitir un frame.
• indicación para indicar al nivel de red que ha ocurrido un evento, por ejemplo que la otra máquina desea establecer o liberar una conexión, o avisarle que un frame a llegado.
• respuesta para contestar a una indicación anterior
• confirmación para que el solicitante se entere si la solicitud fue realizada con éxito y si no, la razón por la cual no se llevó a cabo.
  

4.2 análisis de protocolos

protocolos de control de línea

• Función principal: Control de Errores
• Protocolo para control de Errores:
  

• Debe implementar mecanismos para corregir los problemas ocasionados por el sistema de transmisión.
• Como el sistema de tx puede ser usado por varios usuarios, no es conveniente que cada uno tenga su protocolo de control de errores.

• Se le define a un nivel independiente de los procesos usuarios del sistema de transporte (ahora confiable).

• Característica Principal: Debe ser capaz de detectar errores en una secuencia arbitraria de bits (un protocolo de mayor nivel es libre de usar cualquier secuencia de bits).

• La manera usual de "hacer detectable" los errores, es transmitir los bloques de datos, acompañados por un "Cyclic Redundancy Check (CRC)".

• Este método involucra la división del bloque de datos por una secuencia predefinida de bits y transmitir el resto de la división como parte del bloque de datos. El receptor ejecuta igual división y chequea su resto con el recibido. Si el resto coincide, se supone que el bloque recibido es correcto, si no, el bloque es descartado (erróneo).

Transparencia de datos

• Otro problema es el de preservar la transparencia de los datos del usuario, al separar los datos en frames.
• Esto quiere decir, que si se usan caracteres o secuencias de bits especiales para delimitar el bloque, se deberá incluir algún mecanismo para permitir la transmisión de la misma secuencia de bits como datos de usuario, sin que eso signifique, o sea interpretado como marca de fin de bloque.

• Los formatos típicos para frames son los usados por los protocolos BSC y HDLC.
• El método general usado para preservar la transparencia de los datos es insertar bits adicionales, que el receptor removerá, para no confundir los datos con las señales de control.
  

Frame BSC

(Binary Synchronous Control)

• Usa código de 7 bits de la ISO (International Standard Organization), completando el octavo bits con un 0.
• Orientado a transmisión de bytes, por lo que espera datos en número entero de octetos.
  • Inicio del cuadro: DLE-STX
  • fin del cuadro: DLE-ETX
• En tx, si la secuencia DLE es parte de los datos, el tx inserta otro DLE.
• El rx busca DLE-ETX e ignorará cualquier DLE que este seguido de un DLE retirándolo del cuadro.
• Los caracteres DLE son insertados después, y removidos antes del calculo del CRC, sólo sirven para transparencia durante la transmisión.

a) DLE STX A DLE B DLE ETX

b) DLE DLE STX A DLE DLE B DLE DLE ETX

c) DLE STX A DLE B DLE ETX

Frames HDLC

• Orientado al bit
• delimitado por FLAGs
• Transparencia de datos:
  • tx: inserta un cero después de cinco bits en uno consecutivos incluyendo CRC.
  • rx: examina los bits y descarta el cero que está después de cinco unos seguidos.
• Actualmente existen chips LSI que incorporan las funciones del protocolo de control de línea incluyendo cálculo de CRC.

Corrección de errores

• La estructura de frames permite detectar errores en los bloques de datos o paquetes contenidos en los frames y descartarlos.
• El protocolo debe ser capaz de permitir la recuperación de los datos perdidos.
• Se puede asociar (en teoría) un único identificador a cada cuadro transmitido (colocado en el campo FLC).
• El transmisor guardará en una fila una copia de los datos y del identificador.
• El receptor examina la identificación del cuadro recibido y verifica si es igual o no a la del cuadro antes recibido:
  • diferente ð cuadro nuevo à confirmar
  • igual ð duplicado à descartar-confirmar
• El tx al enviar el cuadro activa el reloj y si el tiempo para recibir el ACK ha expirado, retransmite el cuadro (time-out).
• Si el ACK llega antes del time-out, se retira la copia desde la fila del tx.

ACK = acknowledgement

• Este protocolo acepta llegadas fuera de secuencia pero necesita una fila de tamaño infinito para los datos que esperan ACK.

Secuenciación de frames

Ÿ Problema: Sistemas exigen preservar secuencia de los paquetes transmitidos.

Ÿ Solución: Atribuir números de secuencia, enteros, desde 1, hasta un número finito, en orden ascendente.

tx:

NS: número de secuencia, el primero será el número 1.

rx:

NSE: número de secuencia esperado, el primero será 1.

• Transmisor usará mecanismo de time-out para retransmitir frames no confirmados.
  

Mecanismo de la ventana:

• La idea es poder contar con un mecanismo relativamente real, que permita recibir paquetes fuera de orden, para evitar la retransmisión de ellos (y aumenta el costo por retransmisión).

Para visualizar el mecanismo, supóngase lo siguiente.

• ambos procesos tx y rx se colocan en fase al inicializar con el número del primer paquete igual a, por ejemplo, 1.

• En un instante dado, el transmisor ha transmitido n paquetes y esta esperando la confirmación desde l.

• Al mismo instante, el receptor ha recibido y confirmado hasta m

• si el siguiente paquete recibido no es el m + 1, este podría ser descartado o almacenado.

• Como el enviar un ACK_m indica que todos los paquetes hasta m fueron bien recibidos, no se enviará ACK para el paquete recién recibido y almacenado.

• Para evitar llenarse de paquetes que no pueden ser confirmados por faltar alguno de la secuencia, se limita la cantidad de paquetes a recibir, con el mecanismo de la ventana, permitiendo evitar tener que destinar recursos (buffer) fuera del máximo permisible.

• La restricción colocada por esta ventana, proporciona un excelente camino para controlar el flujo, en cualquier nivel.
• La ventana debe ser tan grande como posible, para trabajar a niveles bajo de la congestión del medio de tx y que el receptor pueda recibir paquetes al máximo de velocidad de tx.

• En el caso práctico de implementaciones de protocolos donde se tiene numeración finita, la ventana servirá además para evitar confusiones entre paquetes que tienen la misma identificación.

Numeración con módulo n:

0, 1, 2, . . . ., n-2, n-1, 0, 1, 2, . . . ., n-2, n-1, 0, . . .

• Existencia de mecanismo de time-out (retransmisión), genera posibilidad de tener duplicados en el tx.
• En un cierto instante, el tx ha recibido ACK para t1 (incluye t1 y los anteriores)

\puede transmitir desde [T1+1]_n è T2=[T1+w]_n

• Al mismo tiempo, el rx ha recibido y confirmado la llegada de A (y los anteriores). Si el ACK llega bien a destino significa que el rx espera recibir desde [A+1]_n K=[A+w]_n.

si en ese momento el mayor número recibido es R implica que el borde izquierdo del tx es: T₁ ³ L donde L=[R-W]_n

por lo tanto L £ T₁ £ A desde el punto de vista de la ventana del receptor.

otra desigualdad es: A £ R

• El mayor número que se espera recibir es K y el tamaño relativo del módulo de numeración n y de la ventana w, debe ser tal que no se confunda este último paquete con la retransmisión de un paquete de número bajo L.

• Si L y K están en la misma secuencia de numeración (sin cero entre medio) no existirá confusión.

• un caso complicado se produce cuando el 0 esta entre medio de L y K.

• Si tenemos n1 frames a la izquierda de 0 y n2 frames a la derecha del cero, tenemos:

L = n - n1 y K = n2

• Para asegurar que un cuadro nuevo no tenga el mismo número de uno retransmitido, debemos tener :

K < L

luego:

n2 < n - n1 o

n2 + n1 < n

• el número total de frames que se puede recibir es:

N = n1+n2+1 (incluyendo el cero intermedio)

obtenemos: N < n+1

y como N y n son enteros N n

• de la figura del receptor podemos ver que cuando A = R è Nmax = 2w

como N £ n para distinguir paquetes nuevos desde retransmitidos, tenemos que:

2w £ n

para finalmente tener que w £ n/2 es el tamaño máximo de la ventana.

Protocolo de Control de Línea

Protocolo del Bit Alternado

• Se definen varios canales lógicos, a través de los cuales viajan los frames de información.
• Cada canal sólo puede transmitir un cuadro por vez
• Los frames llevan un bit de paridad, el cual se alterna entre frames sucesivos.
  
  
  
  

flujo de frames en un canal lógico

Diagramas de Estado:

procedimientos

PRx : paridad receptor

PTx : paridad transmisor

PCDR : paridad del cuadro

PACK : paridad de la confirmación

ETx : estado del transmisor

Condiciones Iniciales: PRx PTx, ETx = READY

TRANSMISOR:

Transmite-nuevo-cuadro:

if ETx = READY then

begin

PCDR ¬ PTx;

transmite-cuadro;

enfila-cuadro;

activa-reloj;

ETx ¬ NOT-READY;

end;

end-if;

Recibe-confirmación:

if NO-ERROR and PACK = PTx

then begin

desenfila-cuadro;

desactiva-reloj;

PTx ¬ mod2(PTx + 1);

ETx ¬ READY;

end

else retransmitir;

end-if;

Time-out:

retransmitir;

Retransmitir:

PCDR ¬ PTx;

transmitir-cuadro-en-fila;

reactivar-reloj;

END-TRANSMISOR;

RECEPTOR:

Recibe-cuadro:

if NO-ERROR and PCDR ¹ PRx

then begin

acepta-cuadro;

PRx ¬ PCDR;

end;

end-if;

PACK ¬ PRx;

envia-ACK;

END-RECEPTOR;