битов, причем фреймы могут содержать произвольное число битов и состоять из блоков любого размера. Данный метод был разработан для некогда популярного протокола HDLC (High-level Data Link Control — высокоуровневый протокол управления каналом передачи данных). Каждый фрейм начинается и завершается специальной последовательностью битов, 01111110 (или 0x7E в шестнадцатеричной системе). Это все тот же флаговый байт. Если в битовом потоке встретится пять единиц подряд, уровень передачи данных автоматически вставит в выходной поток нулевой бит. Бит-стаффинг (bit stuffing) аналогичен байт-стаффингу, при котором во фрейм вставляется escape-символ перед случайным флагом. Он также гарантирует минимальную плотность передачи, помогающую сохранять синхронизацию на физическом уровне. По этой причине бит-стаффинг применяется в протоколе USB.

Когда принимающая сторона встречает пять единиц подряд, за которыми следует ноль, она автоматически удаляет его. Бит-стаффинг, как и байт-стаффинг, является абсолютно прозрачным для сетевого уровня обоих устройств. Если флаговая последовательность 01111110 встречается в данных пользователя, она передается в виде 011111010, но в памяти целевого устройства сохраняется в исходном виде: 01111110. При этом вышележащие уровни остаются в полном неведении о применении бит-стаффинга. На илл. 3.5 приведен пример этого метода.

Илл. 3.5. Бит-стаффинг. (а) Исходные данные. (б) Данные на линии. (в) Данные, сохраненные в памяти после удаления вставленных битов

Благодаря бит-стаффингу границы между двумя фреймами могут быть безо­шибочно распознаны с помощью флаговой последовательности. Таким образом, если принимающая сторона потеряет границы фреймов, ей нужно всего лишь отыскать в полученном потоке битов флаговый байт, поскольку он встречается только на границах фреймов и никогда не встречается в данных пользователя.

Побочный эффект как бит-стаффинга, так и байт-стаффинга состоит в том, что длина фрейма зависит от содержимого, то есть от входящих в него данных. Например, если в данных нет флаговых байтов, то 100 байт можно передать во фрейме размером приблизительно 100 байт. Если же данные состоят исключительно из флаговых байтов, то перед каждым из них вставляется ESC и длина фрейма увеличивается примерно до 200 байт. При бит-стаффинге увеличение составляет около 12,5 %, так как к каждому байту добавляется 1 бит.

Последний метод формирования фреймов напрямую связан с особенностями физического уровня. В главе 2 мы узнали, что при кодировании битов в виде сигналов для облегчения работы получающей стороны добавляются избыточные данные. Это означает, что в самих данных некоторые сигналы не появляются. Например, в линии 4B/5B четыре бита данных сопоставляются с пятью сигнальными битами, для того чтобы гарантировать удовлетворительную передачу. Таким образом, 16 из 32 возможных сигналов не используются. Некоторые из зарезервированных сигналов можно применять для обозначения начальной и конечной границы фреймов. Фактически для разграничения фреймов можно применять «нарушения правил кодирования» (неправильные символы). Преимущество этого метода в том, что использование зарезервированных сигналов делает поиск границ фрейма чрезвычайно простым. При этом заполнять данные дополнительными байтами или битами не требуется.

Во многих протоколах канального уровня для повышения безопасности используются различные сочетания описанных методов. В протоколах Ethernet и 802.11 фрейм часто начинается с четко определенного шаблона — преамбулы (preamble). Этот шаблон может быть довольно длинным (для 802.11 это обычно 72 бита), что упрощает адресату задачу приема пакета. Вслед за преамбулой в заголовке передается поле длины (счетчик битов). Он нужен для обнаружения конца фрейма.

3.1.3. Обработка ошибок

Решив проблему маркировки начала и конца фрейма, мы сталкиваемся с новой проблемой: как гарантировать сетевому уровню принимающего устройства доставку всех фреймов и при этом расположить их в правильном порядке. Предположим, что у адресата есть возможность определить, какую информацию содержит полученный фрейм — правильную или ошибочную (подробнее о кодах, позволяющих распознать и исправить ошибки передачи, мы поговорим далее). В линиях, где подтверждение передачи не требуется, отправитель просто передает фреймы, не заботясь о том, дошли ли они до адресата. Но для ориентированной на установление соединения службы с подтверждениями этого недостаточно.

Обычно для гарантии надежной доставки отправителю посылается информация о том, что происходит на другом конце линии. Протокол требует от получателя передавать обратно специальные управляющие фреймы, содержащие позитивные или негативные сообщения о полученных фреймах. Позитивное сообщение означает, что отправленный фрейм успешно получен на том конце линии. Негативное сообщение говорит о том, что с фреймом что-то случилось и его нужно передать снова.

Кроме того, отправленный фрейм может полностью исчезнуть из-за неисправности оборудования или какой-нибудь помехи (например, шума). В этом случае принимающая сторона его просто не получит и, соответственно, никак не отреагирует. Аналогично, если фрейм подтверждения теряется, то отправитель также не узнает, как ему действовать дальше. Очевидно, что протокол, с помощью которого отправитель отсылает фрейм и ожидает подтверждения (положительного или отрицательного ответа), в случае потери фрейма зависнет навсегда (например, если произойдет сбой оборудования или коммуникационного канала).

Чтобы избежать зависаний сети в случае полной потери фреймов, используются таймеры канального уровня. После передачи фрейма включается таймер, отсчитывая интервал времени, достаточный для получения целевым устройством этого фрейма, его обработки и отправки подтверждения. В нормальной ситуации фрейм корректно принимается, а подтверждение отсылается и доходит до отправителя, прежде чем истечет установленный интервал времени; только после этого таймер отключается.

Однако если исходный фрейм или подтверждение теряются по пути, установленный интервал времени истекает и отправитель получает сообщение о возможной проблеме. Самое простое решение для отправителя — послать фрейм еще раз. Однако при этом возникает опасность получения одного и того же фрейма несколько раз на канальном уровне целевого устройства и повторной передачи его сетевому уровню. Чтобы этого не случилось, необходимо последовательно пронумеровать отсылаемые фреймы, чтобы получатель мог отличить повторы от оригиналов.

Вопрос управления таймерами и порядковыми номерами, гарантирующими доставку каждого фрейма адресату на сетевом уровне ровно один раз, не больше и не меньше, — очень важная задача, которая решается на канальном (или более высоком) уровне. Далее мы подробно рассмотрим методы такого управления, изучив ряд постепенно усложняющихся примеров.

3.1.4. Управление потоком

Еще один важный вопрос разработки канального уровня (а также более высоких уровней) — что делать с отправителем, постоянно передающим фреймы быстрее, чем получатель способен их получать. Такая ситуация может возникнуть, если у передающей стороны оказывается более быстрый и мощный компьютер, чем у принимающей. Представьте смартфон, запрашивающий веб-страницу с высокотехнологичного сервера. Мощнейшее устройство развертывает пожарный шланг, наводит его на бедный телефон и поливает его данными до тех пор, пока тот не захлебнется. Даже при полном отсутствии ошибок передачи данных в определенный момент получатель просто не сможет продолжать обработку все прибывающих фреймов и начнет их терять.