Кафедра: «Автоматика и информационные технологии»
Лабораторная работа
"ИССЛЕДОВАНИЕ КАНАЛЬНЫХ ПРОТОКОЛОВ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ"
Введение
Уровневая архитектура и принцип функциональной модульности – основа построения современных сложных технических систем. Организация системы с разбиением ее на иерархически подчиненные функциональные уровни, каждый из которых не обязан знать детали внутреннего устройства других уровней, представляя их себе в виде «черного ящика» с известными лишь входными и выходными сигналами, зарекомендовала себя в мировой практике как рациональная и облегчающая процесс проектирования, реализации и эксплуатации систем. Известно, что применительно к сетям передачи данных, этот принцип получил статус международного стандарта, краеугольным камнем которого является «Эталонная модель взаимодействия открытых систем» (ЭМ_ВОС, OSI – Open Systems Interconnection) (стандарт ISO‑7498, 1978 г.; стандарт МККТТ (ITU-T) Х.200)
1. Предмет и задачи исследования
Предметом исследования в данной лабораторной работе являются протоколы 2-го, канального уровня OSI‑модели, которые оперирует кадрами. От верхних функциональных уровней стороны‑отправителя на канальный уровень поступает сообщение, представляющее собой «пакет данных» источника, который подвергается кадрированию. Стандартная структура кадра – это заголовок, собственно данные и концевик.[1]
На приемной стороне канальный уровень разбирает кадр и передает на более высокий уровень только само сообщение[2].
Задачей исследования является изучение протоколов как таковых, оценка их эффективности использования в каналах с различными техническими характеристиками, сопоставление оценок и формулирование условий рационального применения тех или иных версий канальных протоколов.
На эффективность влияет множество факторов. Чтобы их учесть, оценивая работу того или иного протокола в различных условиях реальной сети, нужно затратить много времени. Кроме того, нужно располагать инструментарием для проведения длительных экспериментов, не говоря уже об административном доступе к каналам для этих целей. Этот способ исследования наиболее затратный и трудоемкий. Помочь в решении этой задачи может только компьютерное моделирование.
2. Два подхода к организации каналов в сетевых системах передачи
Первая стратегия характерна для систем с так называемым предварительным установлением соединения, когда между двумя корреспондирующими устройствами устанавливается (и поддерживается в течение сеанса обмена данными) постоянный тракт (преобразований сигналов и его продвижения в направлении к получателю), а все кадры в одной сессии обмена проходят в сети по этому тракту по одному маршруту последовательно друг за другом. В этой же естественной последовательности они оказываются и у получателя. При этом стандартные протоколы канального уровня, как правило, используют помехоустойчивое кодирование для обнаружения ошибок в кадре. Естественно, что задача состоит не только в обнаружении ошибок, но и в выполнении необходимых действий для ее нейтрализации. После обнаружения ошибок на приемной стороне может быть, по крайней мере, два варианта дальнейших протокольных действий:
1). Либо как-то дать знать об этом передающей стороне, тем самым инициировав повторную передачу кадра (как принято говорить, «обработав ошибку» на канальном уровне);
2). Либо пропустить кадр с ошибкой на более высокий уровень, предварительно «пометив» его. В этом случае обязанность обработать ошибку должен принять на себя более высокий уровень системы.
При этом, из-за возможных повторных (быть может, многократных) передач искаженных кадров, время доставки кадра, вообще говоря, становится величиной случайной. Протоколы данного класса, когда приемная сторона сообщает передающей, что видит ошибки в поступившем кадре, называются протоколами с решающей обратной связью (решение о верности кадра возлагается на приемную сторону).
Вторая стратегия свойственна так называемому дэйтаграммному режиму работы системы передачи данных, когда предварительное соединение корреспондентов не устанавливается, а передатчик отправляет кадры в сеть, не сообразуясь с ситуацией у получателя (свободен, занят, работоспособен или нет) и в системе в целом. При этом разные дэйтаграммы[3] могут идти разными маршрутами, с разной временной задержкой в сети. Прядок поступления дэйтаграмм к получателю становится случайным («раньше отправлена – позже поступила»). Собрать все дэйтаграммы в одно упорядоченное целое является задачей 4‑го, транспортного уровня стороны‑получателя. В таком режиме канальный уровень не отвечает за организацию обратной связи и вообще за обеспечение верности кадра[4].
3. Протоколы канального уровня
На протокол канального уровня, обычно, возлагаются функции перемещения пакета данных в точку расположения приемника и обеспечения его верности.[5] Протоколы канального уровня могут быть расклассифицированы следующим образом.
1). Протоколы многократной передачи, т.е. многократного повторения одного и того же кадра стороной‑отправителем с мажоритарной системой (по принципу голосования) принятия решения о наличии ошибок на стороне получателя. Дополнительно они могут быть разделены на протоколы с голосованием по поводу каждого бита или по поводу каждого кадра (кодового слова) в целом. Эти протоколы не требуют обязательного использования сигнальной избыточности в форме помехоустойчивого кодирования.
2). Протоколы с использованием однократной передачи кадра, закодированного помехоустойчивым кодом, с прямым исправлением ошибок средствами декодера приемного пункта.
3). Протоколы с обратной связью. Различают решающую и информационную обратную связь. В протоколах с решающей обратной связью (РОС) используются кодированные сигналы, позволяющие обнаруживать ошибки средствами декодера на приемной стороне. В случае обнаружения ошибок передающему модулю по обратному каналу передается запрос на повторную передачу кадра. Это важнейший протокольный акт в деле «продвижения кадра» в сторону получателя и обеспечения верности приема этого кадра. Протоколы с РОС называют также протоколами ARQ (Automatic Repeat Request – автоматический запрос на повторение).
4). Четвертый метод называется протоколом с информационной обратной связью (ИОС), или с «эхо-сигналом». Согласно этому методу, передающий модуль сохраняет копию передаваемого пакета в своем буфере. Принимающий модуль помещает полученный кадр в буфер приемника и транслирует его обратно отправителю, который сравнивает полученный им обратно кадр с кадром, хранящимся в буфере передачи. Если кадры совпадают, то считается, что пакет, содержащийся в буфере приемника, не содержит ошибок. Протоколы ИОС не обязательно должны использовать помехоустойчивое кодирование для обеспечения верности, так как ответственность за верность лежит на передающей стороне, которая располагает достоверным знанием о передаваемых данных.
Естественно, что применение метода многократной передачи не исключает в принципе попутного использования и механизма обратных связей, но такие версии протокола, обычно, малоэффективны и не находят сколько-нибудь широкого применения.
В обоих подходах (с обратными связями и без них) протокол канального уровня, стремясь обнаружить и (или) исправить ошибки, требует внесения, кроме сигнальной (битовой) избыточности (при помехоустойчивом кодировании), еще и протокольной избыточности[6].
В данной лабораторной работе исследуются варианты протоколов с обратной связью. Они должны быть рассмотрены здесь более подробно.
3.1 Канальные протоколы ARQ (РОС)
При рассмотрении протоколов ARQ будем полагать, что пакеты данных передаются от станции-отправителя A к станции-получателю B. Между этими пунктами существуют два канала – прямой A®B и обратный A¬B. Кадры данных (A®B) и технологические (A¬B) защищаются избыточным циклическим кодированием (CRC). На обеих сторонах производится обнаружение ошибок в пакетах.
3.1.1 ARQ с остановкой и ожиданием (SAW – StayAndWait)
Самая простая версия протокола с повторной передачей называется протоколом с остановкой и ожиданием. Основная идея протокола состоит в том, что передающий модуль, отправив кадр, останавливается и ожидает реакции приемной стороны. Передатчик не отправит следующий пакет данных (кадр) до тех пар, пока в той или иной форме не состоится подтверждение верности. Используется термин «извещение», или «квитанция» ACK (acknowledge), если ошибки не зафиксированы или NAK (negative acknowledge), если кадр принят с ошибками.
Этот протокол требует минимального объема буферной памяти: для одного пакета на стороне передатчика A и для пакета на стороне приемника B.
Существенную роль играет тайм-аут Тож, точнее сказать, те протокольные действия, которые предпринимаются в случае отсутствия реакции приемной стороны в течение расчетного времени. Типичное решение заключается в том, что по истечении тайм-аута ситуация приравнивается к поступлению NAK. Такое решение приемлемо, если время доставки пакетов в канале (в сети) – величина постоянная.
Протокол может повести себя некорректно, если пакеты данных или сообщения ACK/NAK задерживаются в каналах на случайное время. Как сам кадр, так и ACK или NAK могут быть потеряны. Такая потеря может произойти в результате сбоя, нештатной ситуации или просто длительного ожидания в очереди на обслуживание в памяти какого-либо коммутационного узла в разветвленной сети с маршрутизаторами. Если по истечении тайм-аута ситуация приравнивается к поступлению NAK, то повторная передача пакета данных может привести к дублированию пакетаданных на приемной стороне. В поток пакетов происходит «вставка пакета», т.е. своеобразное искажение передаваемых данных.