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Transmisión de Datos 1

Tema 6: Control de Enlace

Departamento de Automática

TRANSMISIÓN DE DATOS

CONTROL DE ENLACE

TRANSMISIÓN DE DATOS

CONTROL DE ENLACE

Ángel Moreno

Departamento de Automática

Universidad de Alcalá

Departamento de Automática 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

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Departamento de Automática INTRODUCCIÓN

El Nivel Físico proporciona un enlace “cable” (los bits se reciben en el mismo orden que se transmiten), donde se 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

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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.

INTRODUCCIÓN

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.

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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

SERVICIO CL, SIN 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

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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

SERVICIO ORIENTADO A CONEXION

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

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Ejemplo. Datos a transmitir:

1110001100001001 1100010001000000 1000011110000110 ...

FORMATO DE TRAMAS

01111110 Dirección Control 1110001100001001 Checksum 01111110

01111110 Dirección Control 1100010001000000 Checksum 01111110

01111110 Dirección Control 1000011110000110 Checksum 01111110

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

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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

SINCRONIZACIÓN DE CARÁCTER

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

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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

SINCRONIZACIÓN DE TRAMA

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

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Se indica, para cada trama, su longitud:

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

CUENTA DE BITS

Nº Trama Longitud Datos Nº Trama Longitud Datos

Tramai Tramai+1

Cada trama comienza con una secuencia de bits fácilmente reconocible (DLE STX)

Cada trama termina con una secuencia de bits fácilmente reconocible (DLE ETX)

¿Qué ocurre si en la secuencia de datos aparecen las secuencias de comienzo o fin de trama?

SECUENCIAS DE INICIO/FIN

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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)

EJEMPLO:

DATOS : 9 STX ACK 2 DLE ETX

TX : DLE STX 9 STX ACK 2 DLE DLE ETX DLE ETX

RX : DLE STX 9 STX ACK 2 DLE DLE ETX DLE ETX

X

CTRL

X

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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

RELLENO DE BITS

Bit Stuffing

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

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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

CONTROL DE FLUJO

Diagrama temporal

Tiempo de transmisión de una trama

Tiempo de retardo de transmisión o de propagación

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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

PARADA Y ESPERA

TX RX

TR

ACK

TR

ACK

TR

ACK PARADA Y ESPERA

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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.

VENTANA DESLIZANTE

TX RX

TR 0

RR 1 TR 1

RR 2 TR 2

RR 3 TR 3

TR 0

RR 0 TR 1

TR 2

RR 3

TR 3

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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 2n_-1

Numeración módulo 2n

N máximo de ventana: sin errores, 2n

Los números de secuencia se vuelven a utilizar cíclicamente

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.

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Departamento de Automática VENTANA DESLIZANTE

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

DETECCIÓN / CORRECCIÓN DE ERRORES

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

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

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Al añadir información redundante a una secuencia de datos, es posible (hasta cierto punto) detectar errores en

recepción y, 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

Ejemplos:

NOMBRE : Pepe

EDAD : 24 TX

NOMBRE : Pepe EDAD : 14

NOMBRE : Pepe EDAD : 24 MAYOR EDAD : SI

TX NOMBRE : Pepe

EDAD : 14 MAYOR EDAD : SI

NOMBRE : Pepe EDAD : 24 MAYOR EDAD : SI AÑO NACIM : 1976

TX

NOMBRE : Pepe EDAD : 14 MAYOR EDAD : SI

X

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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.

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

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Ej: Código de dos bits

Cada palabra sin codificar tiene una longitud de 2 bits

Cada palabra codificada tiene una longitud de 12 bits

La distancia Hamming es d = 6

Permite detectar 5 errores (p = d - 1) Permite corregir 2 errores (p = d/2 - 1)

00 01 10 11

SIN CODIFICAR CODIFICADO

000000000000 000000111111 111111000000 111111111111 DISTANCIA HAMMING Departamento de Automática

Ej: Si transmitimos 000000000000, puede llegar:

Es capaz de detectar 5 errores

Es capaz de corregir 2 errores

000000000000 000000000001 000000000011 000000000111 000000001111 000000011111 000000111111 RECIBE DISTANCIA HAMMING ERRORES 0 1 2 3 4 5 6 NO DETECTA 00 00 00 / 01

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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):

Es un código de detección simple. Si hay más de un error en la trama, no lo detecta correctamente.

Tampoco permite corregir errores simples.

CÓDIGOS DE PARIDAD SIMPLE

0110011 1101101 1010101 0000000 1111111

SECUENCIA PARIDAD PAR PARIDAD IMPAR

0110011 0 1101101 1 1010101 0 0000000 0 1111111 1

0110011 1 1101101 0 1010101 1 0000000 1 1111111 0

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

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Se parte de la trama de m bits, que se representa mediante un polinomio de grado m-1:

M(x) = xm-1_{+ ... +x}0 _{(Ej, 101001}_x5_+x3_+x0₎

Se añaden r (r<m) bits a 0, a la derecha de la trama

Xr_{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) = xr_{+ ... + x}0₎ _{(Ej. 1011}_x3_{+ x}1_{+ x}0₎

Conocido por transmisor y receptor

CÓDIGOS DE REDUNDANCIA CÍCLICA

Se calcula el resto de la división (módulo 2)

Xr_M(x)/G(x)_R(x)

Se calcula la trama a transmitir, T(x)

T(x) = Xr_{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

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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.)

CRC-12

x12_+x11_+x3_+x2_+x+1

CRC-16

x16_+x15_+x2₊₁

CRC-CCITT

x16_+x12_+x5₊₁

POLINOMIO DETECTA

Números impares de errores, en ráfagas

Errores simples, errores dobles y ráfagas

Similar a CRC-16

CÓDIGOS DE REDUNDANCIA CÍCLICA

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

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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

RETRANSMISIÓN DE TRAMAS

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

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Departamento de Automática ARQ CON PARADA Y ESPERA

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

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Departamento de Automática ARQ CON RECHAZO SIMPLE

N de ventana máximo: 2k_{-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

No necesita memoria en 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

∑

∞₌ − ₋ 1

1 ) 1 ( ) (

i i

P P i f

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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

ARQ CON RECHAZO SELECTIVO

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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 = 2k-1 _{(con k bits), es decir, la mitad.}

Se utiliza mucho menos que ARQ con rechazo simple, aunque sea más eficiente