DOCSIS выглядит как поток битов, а не как последовательность байтов. DOCSIS использует кодовые слова LDPC. В случае входящей передачи полное кодовое слово может содержать до 2027 байт, где 1799 байт (или меньше) служат для передачи данных, а 225 байт — для проверки четности. В каждом байте фрейма DOCSIS первым передается самый младший бит. Когда значение занимает несколько байтов, старшие байты передаются перед младшими — такой способ упорядочения называется сетевым порядком (network order). На головной станции также применяется байт-стаффинг: при отсутствии фреймов DOCSIS в нисходящем потоке станция вставляет заполненные нулями поднесущие в символы OFDM или просто вставляет последовательности единиц в кодовые слова, как показано на илл. 3.28.

Начиная с версии 3.0, DOCSIS поддерживает технологию связывания каналов (channel bonding), которая позволяет одному абоненту использовать сразу несколько исходящих и входящих каналов. Данный подход представляет собой разновидность агрегации каналов (link aggregation) — объединения нескольких физических соединений (или портов) в одно логическое. В версии DOCSIS 3.0 можно связать до 32 входящих и до 8 исходящих каналов шириной 6–8 МГц. Версия DOCSIS 3.1 предоставляет такие же возможности связывания, но каналы могут быть гораздо шире — до 192 МГц при входящей и до 96 МГц при исходящей передаче; в DOCSIS 3.0 эти цифры составляют 6–8 МГц и до 6,4 МГц соответственно. Кроме того, модем с поддержкой DOCSIS 3.1 может связывать каналы разных типов (например, один канал OFDM шириной 192 МГц и четыре канала SC-QAM шириной 6 МГц).

Илл. 3.28. Преобразование фрейма DOCSIS в кодовые слова

V — значение; Resv — зарезервировано; PDU Ptr — указатель протокольного блока данных; End of previous PDU — конец предыдущего протокольного блока данных; Start of Next PDU — начало следующего протокольного блока данных; CW header — заголовок кодового слова; Payload — пользовательские данные; BCH parity — код BCH проверки на четность; LDPC parity — код LDPC проверки на четность

27 Его также иногда называют подуровнем физической среды (Physical Media Dependent, PMD).

3.6. Резюме

Задача канального уровня — преобразование необработанного потока битов, поступающего с физического уровня, в поток фреймов, которые могут использоваться сетевым уровнем. Канальный уровень может представлять этот поток с различной степенью надежности, начиная от служб без установки соединения и без подтверждения и заканчивая стабильными службами, ориентированными на установление соединения.

Для формирования фреймов используются разнообразные методы, включая подсчет байтов, байт-стаффинг и бит-стаффинг. Протоколы канального уровня могут обеспечить контроль ошибок для обнаружения и исправления поврежденных и повторной передачи потерянных фреймов. Во избежание перегрузки медленного приемника быстрым отправителем применяется управление потоком. Популярный механизм «раздвижных окон» — простой способ объединения контроля ошибок и управления потоком. Для окна размером в один пакет применяется протокол с остановкой и ожиданием.

Коды с обнаружением и исправлением ошибок добавляют к сообщениям избыточную информацию с помощью ряда математических методов. Для исправления ошибок широко применяются сверточные коды и коды Рида — Соломона. Все большую популярность завоевывают коды с малой плотностью проверок на четность. Применяемые на практике коды с обнаружением ошибок включают циклический контроль избыточности и контрольные суммы. Все эти коды можно применять на канальном, а также на физическом и более высоких уровнях.

Мы рассмотрели ряд протоколов, обеспечивающих надежную работу канального уровня за счет подтверждений и повторной передачи или, если взять более реалистичный пример, за счет запросов ARQ (Automatic Repeat reQuest). Начав с обсуждения идеальной среды передачи, где отсутствуют ошибки, и идеального приемника, который может обработать входящий поток любого размера, мы познакомились с управлением потоком, затем с контролем ошибок с помощью порядковых номеров и, наконец, с алгоритмом с остановкой и ожиданием. Затем мы перешли к алгоритму «раздвижного окна», позволяющему обмениваться данными в двух направлениях, и узнали о концепции вложенного подтверждения. Последние два протокола используют конвейерную передачу множества фреймов, чтобы отправитель не блокировался, увеличивая задержку передачи. Получатель может либо отбрасывать все фреймы, за исключением очередного в последовательности, либо помещать неупорядоченные фреймы в буфер и отправлять отрицательные подтверждения для более эффективного использования полосы пропускания. Первая стратегия называется протоколом с возвратом к n, а вторая — протоколом с выборочным повтором.

В интернете в качестве основного протокола линий «точка-точка» используется PPP. Он предоставляет службу без установки соединения и без подтверждения. Для разделения фреймов применяются флаговые байты, а для распо­знавания ошибок — коды CRC. С помощью этого протокола пакеты передаются по множеству типов соединений, включая каналы SONET в глобальных сетях и ADSL для домашних подключений. Для предоставления доступа в интернет по имеющейся сети кабельного телевидения используется протокол DOCSIS.

Вопросы и задачи

1. В сети Ethernet для разделения фреймов используется преамбула в сочетании со счетчиком байтов. Что произойдет, если пользователь попытается отправить данные, содержащие такую преамбулу?

2. В потоке данных, для которого применяется алгоритм байт-стаффинга, встречается следующий фрагмент данных: A B ESC C ESC FLAG FLAG D. Каким будет выходной поток после выполнения алгоритма?

3. Каковы максимальные накладные расходы для алгоритма байт-стаф­финга?

4. Вы принимаете следующий фрагмент данных: 0110 0111 1100 1111 0111 1101. При этом известно, что протокол использует бит-стаффинг. Как будут выглядеть эти данные после удаления вставленных битов?

5. Может ли потеря, вставка или модификация одного бита при использовании бит-стаффинга вызвать ошибку, которую нельзя будет выявить с помощью контрольной суммы? Если нет, то почему? Если да, то каким образом? Играет ли при этом какую-либо роль длина контрольной суммы?

6. Сообщение верхнего уровня разбито на 10 фреймов, у каждого из которых шанс дойти до назначения без повреждений составляет 80 %. Если канальный уровень не обеспечивает контроль ошибок, сколько раз в среднем потребуется пересылать все сообщение?

7. При каких обстоятельствах протокол без обратной связи (например, с кодом Хэмминга) предпочтительнее протоколов с обратной связью, обсуждаемых в этой главе?

8. Для обеспечения большей надежности, чем та, которую предоставляет единственный бит четности, в некотором коде с обнаружением ошибок один бит четности суммирует все четные биты, а другой — все нечетные. Каким будет у этого кода расстояние Хэмминга?

9. Заметив, что используемая вами служба обмена мгновенными сообщениями не обеспечивает обнаружения ошибок, вы решили сами реализовать простейший механизм их выявления путем двукратной отправки каждого сообщения. Какими при этом будут расстояние Хэмминга и кодовая норма? Насколько эффективен этот способ в сравнении с использованием бита четности?

10. Допустим, вы обеспечиваете обнаружение ошибок путем двукратной отправки каждого сообщения. Если возникнут две однобитные ошибки, какова вероятность того, что они останутся незамеченными? Какой будет