сигналов, а каждому процессу-передатчику соответствует 1 бит (первый бит — процессу t0, второй бит — t1 и т.д.). Далее каждый процесс-передатчик вычисляет сигнал для передачи (последовательность из 8 бит) и отправляет его объединяющему процессу. После получения сигналов от всех четырех процессов-передатчиков объединяющий процесс объединяет их и отправляет результат четырем процессам-приемникам. Каждый процесс-приемник вычисляет полученный бит и выводит его в стандартный поток вывода. Для обмена сообщениями между процессами используйте конвейеры.

Глава 3. Канальный уровень

В этой главе мы рассмотрим принципы построения второго уровня нашей модели — канального уровня (иногда его также называют уровнем передачи данных). Мы обсудим алгоритмы, обеспечивающие надежную и эффективную передачу целых блоков информации, фреймов (сравните с физическим уровнем, задачей которого является передача отдельных битов), между двумя смежными устройствами. Имеются в виду два компьютера, физически соединенные каналом связи, действующим по принципу провода (это может быть коаксиальный кабель, телефонная линия или беспроводной канал). Основное свойство такого канала заключается в том, что биты принимаются в том же порядке, в каком передаются.

На первый взгляд может показаться, что данная проблема настолько проста, что тут нечего и изучать, — устройство A просто посылает биты по каналу, а устройство B их оттуда извлекает. К сожалению, в каналах связи иногда случаются ошибки при передаче данных. Кроме того, скорость передачи ограниченна, а время распространения сигнала не равно нулю. Это оказывает серьезное влияние на эффективность передачи данных. Все эти факторы должны учитываться при использовании протоколов связи, которым и посвящена эта глава.

После знакомства с ключевыми вопросами устройства канального уровня мы обсудим его протоколы, изучив природу ошибок и методы их обнаружения и исправления. Затем мы рассмотрим ряд протоколов по мере нарастания их сложности. Каждый следующий протокол будет решать все больше задач этого уровня. Наконец, мы приведем несколько примеров протоколов передачи данных на канальном уровне.

3.1. Ключевые вопросы проектирования канального уровня

Канальный уровень использует определенные службы нижележащего физического уровня для отправки и получения битов по потенциально ненадежным коммуникационным каналам, которые могут терять данные. У него есть ряд специфических функций. К ним относятся:

1. Обеспечение строго очерченного служебного интерфейса для сетевого уровня (раздел 3.1.1).

2. Формирование отдельных фреймов из последовательностей байтов (раздел 3.1.2).

3. Обнаружение и исправление ошибок передачи (раздел 3.1.3).

4. Управление потоком данных, исключающее «затопление» медленных приемников быстрыми передатчиками (раздел 3.1.4).

Для этих целей канальный уровень берет пакеты, полученные с сетевого уровня, и вставляет их в специальные фреймы (frames), также называемые кадрами, для передачи. В каждом фрейме содержатся поля Header (Заголовок), Payload (Пользовательские данные) и Trailer (Трейлер). Структура фрейма показана на илл. 3.1. Управление фреймами — это основная задача канального уровня. В следующих разделах мы более подробно изучим обозначенные выше цели. Кроме того, в ненадежных беспроводных сетях использование протоколов для улучшения канала связи часто увеличивает производительность в дальнейшем.

Илл. 3.1. Соотношение между пакетами и фреймами

Эта глава в основном посвящена детальному рассмотрению канального уровня и соответствующих протоколов. Но многие обсуждаемые здесь вопросы (например, контроль ошибок и управление потоками) в некоторых сетях относятся также к транспортным и другим протоколам. Обеспечение надежности — это общая цель, для достижения которой должны слаженно работать все уровни. На самом деле во многих сетях эти функции являются прерогативой верхних уровней и вообще не относятся к канальному уровню, который выполняет лишь простейшие задачи. С другой стороны, это не столь важно, потому что принципы все равно остаются неизменными. Аргументом в пользу их рассмотрения на примере канального уровня является то, что здесь они проявляются в наиболее простой форме и их легко показать в деталях.

3.1.1. Службы, предоставляемые сетевому уровню

Задача канального уровня заключается в предоставлении служб сетевому. Основная служба канального уровня заключается в обмене данными между сетевыми уровнями отправляющего и целевого устройств. На сетевом уровне отправителя находится некая сущность (назовем ее процессом), которая передает пакеты на канальный уровень для их дальнейшей отправки по назначению. Канальный уровень должен отправить данные адресату так, чтобы они достигли его сетевого уровня, как показано на илл. 3.2 (а). В действительности данные передаются по пути, показанному на илл. 3.2 (б), однако проще представить себе два канальных уровня, которые связываются друг с другом с помощью протокола передачи данных. Поэтому на протяжении всей главы будет использоваться модель, изображенная на илл. 3.2 (а).

Илл. 3.2. (а) Виртуальное соединение. (б) Реальное соединение

Канальный уровень может предоставлять различные службы. Их набор может отличаться в разных протоколах. Как правило, встречаются следующие варианты, которые мы рассмотрим далее более подробно.

1. Служба без подтверждений и без установки соединения.

2. Служба с подтверждениями и без установки соединения.

3. Служба с подтверждениями, ориентированная на установление соединения.

Алгоритм работы службы без подтверждений и без установки соединения заключается в том, что отправляющее устройство посылает независимые фреймы принимающему, которое не отвечает подтверждением о получении. Хороший пример канального уровня, предоставляющего службу такого класса, — Ethernet. Соединения заранее не устанавливаются и не разрываются после передачи. Если какой-либо фрейм теряется из-за шума в линии, то на канальном уровне не предпринимается никаких попыток восстановить его. Этот класс служб приемлем при очень низком уровне ошибок. В этом случае задача восстановления потерянных данных может быть решена на верхних уровнях. Кроме того, такие службы подходят для трафика в реальном времени, например голосовых или видеоданных, поскольку в этом случае лучше получить данные в искаженном виде, чем с большой задержкой.

Следующим шагом в сторону повышения надежности является служба с подтверждениями и без установки соединения. При ее использовании соединение также не устанавливается, но получение каждого фрейма подтверждается. В результате отправитель знает, дошел ли фрейм до пункта назначения в целости или потерялся. Если в течение установленного интервала времени подтверждения не поступает, фрейм отправляется снова. Такая служба полезна при передаче по ненадежным каналам, в частности беспроводным. Хороший пример — протокол 802.11 (Wi-Fi).

Вероятно, следует отметить, что предоставление подтверждений на канальном уровне является скорее оптимизацией, чем требованием. Сетевой уровень всегда может послать пакет и ожидать подтверждения его доставки. Если за установленный период времени подтверждение не будет получено отправителем, сообщение может быть выслано еще раз. Проблема в том, что эта стратегия зачастую оказывается неэффективной. Обычно фреймы имеют жесткое ограничение максимальной длины, связанное с аппаратными требованиями, к тому же существует определенная задержка доставки. На сетевом уровне эти параметры неизвестны. Сообщения могут делиться, скажем,