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Reti di Calcolatori a.a. 2005/06 Lezione 6

Reti di Calcolatori a.a. 2005/06 Lezione 6. Nel modello di riferimento:. Il livello data link - Generalità. Scopo: offrire una comunicazione affidabile ed efficiente tra due macchine adiacenti

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Reti di Calcolatori a.a. 2005/06 Lezione 6

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Presentation Transcript

  1. Reti di Calcolatori a.a. 2005/06 Lezione 6 Andrea Frosini

  2. Nel modello di riferimento: Andrea Frosini

  3. Il livello data link - Generalità Scopo: offrire una comunicazione affidabile ed efficiente tra due macchine adiacenti Problemi: comportandosi come un “tubo digitale” (cioè i bit partono e arrivano nello stesso ordine), si deve tener conto di: - errori e disturbi occasionali - il data rate finito del canale - il ritardo nella propagazione Compiti: - Offrire servizi al livello network con un’interfaccia ben definita; - Determinare come i bit del livello fisico sono raggruppati in frame (framing) - Gestire gli errori di trasmissione - Regolare il flusso della trasmissione fra sorgente e destinatario Andrea Frosini

  4. Il livello data link - Servizi Il livello Data Link offre come servizi il trasferimento dei dati dal livello Network della macchina di origine al livello Network della macchina di destinazione Il livello Data Link generalmente offre uno dei seguenti tipi di servizi: • Servizio connectionless non affidabile • Servizio connectionless affidabile • Servizio connection-oriented affidabile I servizi del livello Data Link devono essere accessibili tramite una interfaccia ben definita ed ordinata Il livello dialoga idealmente con l’entità di pari livello sulla macchina adiacente utilizzando un determinato protocollo Andrea Frosini

  5. Il servizio connectionless non affidabile Caratteristiche: • non si stabilisce alcuna connessione • ogni frame è inviato indipendentemente dagli altri • non vi è conferma di ricezione dei frame • i frame persi non sono recuperati Questo servizio può essere utilizzato per canali con tasso d’errore molto basso. In pratica, il livello Data Link della maggior parte delle LAN adotta questo tipo di servizio Andrea Frosini

  6. Il servizio connectionless affidabile Caratteristiche: • non si stabilisce alcuna connessione • ogni frame è inviato indipendentemente dagli altri • vi è conferma di ricezione dei frame • se la conferma non arriva, il mittente può rispedire il frame (quindi bisogna anche gestire i frame duplicati) Questo tipo di servizio è molto utile con canali con alto tasso d’errore (ad esempio, reti wireless) Andrea Frosini

  7. Il servizio connection-oriented affidabile Caratteristiche: • si stabilisce una connessioneprima dell’invio di tutti i frame corrispondenti alla sequenza di bit da inviare • si chiude la connessione al termine dell’invio di tutti i frame • vi è conferma di ricezione di ciascun frame • garantisce che ciascun frame sia ricevuto unasola volta e nell’ordine giusto A livello Data Link, questo servizio è in genere utilizzato dai router di una communication subnet Andrea Frosini

  8. Livello Data Link — Trasmissione Quando il livello Network richiede la trasmissione di un certo pacchetto o flusso di dati, il livello Data Link: • incapsula il flusso di bit del livello Network in unità chiamate frame • calcola il valore di una apposita funzione (checksum) per ciascun frame • inserisce il checksum nel frame • invoca il servizio di livello 1 (Fisico) per inviare il frame al calcolatore adiacente Andrea Frosini

  9. Livello Data Link — Ricezione In ricezione, il livello Data Link: • riceve una sequenza di bit dal livello 1 (Fisico) • ricostruisce dalla sequenza di bit i vari frame • per ciascun frame: – estrae il valore del checksum – ricalcola il valore del checksum – se i due valori coincidono, accetta il frame – se i due valori differiscono, scarta il frame Andrea Frosini

  10. Framing Framing: operazione di frammentazione del flusso di bit proveniente dal livello Network E’ ben più difficile di quanto appaia a prima vista, perché il livello 1 (Fisico) non garantisce che il numero di bit trasmessi coincida con il numero di bit effettivamente ricevuti Invece il livello Data Link ha necessità di identificare ciascun frame senza possibilità d’errore Esistono cinque diverse strategie per il framing: Temporizzazione Conteggio dei caratteri Caratteri di inizio e fineBit di inizio e fine Violazioni della codifica dei bit del livello Fisico Andrea Frosini

  11. Temporizzazione In linea teorica, il modo più semplice per delimitare l’inizio e la fine di ciascun frame consiste nell’inserire unritardotemporale tra l’invio di un frame e l’altro L’entità di pari livello del calcolatore ricevente potrebbe utilizzare l’assenza di ricezione per determinare la fine di un frame: ogni bit ricevuto da quel momento in poi farà parte del frame successivo In pratica questa strategia non può essere applicata perché i mezzi trasmissivi raramente forniscono garanzie sui tempi di trasmissione dei bit. In altri termini, il livello Fisico non offre alcuna garanzia sulla temporizzazione dei propri servizi offerti al livello Data Link Eccezione: reti sincrone (SONET/SDH) Andrea Frosini

  12. Conteggio dei caratteri I Ciascun frame ha una testata (header). Un particolare campo di questa testata memorizza il numero di caratteri presenti nel frame. Questo contatore permette di stabilire quando termina il frame nel flusso di bit proveniente dal livello Fisico frame 1 5 caratteri frame 2 4 caratteri Andrea Frosini

  13. Conteggio dei caratteri II Il difetto di questo sistema è la sua fragilità nei confronti degli errori di trasmissione Se il valore di un contatore viene alterato nella trasmissione non è più possibile stabilire il punto in cui termina il frame Ancor peggio, non è possibile stabilire dove inizia il nuovo frame, e quindi non è possibile leggere alcun frame successivo Chiedere al trasmittente di ritrasmettere il frame cattivo è inutile perché il ricevente non sa quanti caratteri del flusso già ricevuto deve scartare Questo metodo è praticamente abbandonato (eccetto che in combinazione con altri metodi di framing) Andrea Frosini

  14. Caratteri di inizio e fine I Ciascun frame è considerato come una sequenza di caratteri ad 8 bit, ed è delimitato da una sequenza di caratteri ASCII: • l’inizio del frame è indicato dai caratteri DLE STX (DLE=Data Link Escape, STX = Start of Text) • la fine del frame è indicata dai caratteri DLE ETX (ETX = End of Text) In caso di errore di trasmissione di un frame, per trovare l’inizio del frame successivo si monitorizza il flusso di bit in arrivo cercando la sequenza di bit corrispondente ai caratteri DLE STX DLE, STX e ETX rappresentano ciascuno un singolo carattere ASCII (8 bit) Andrea Frosini

  15. Caratteri di inizio e fine II Si ha un problema quando le sequenze di caratteri DLE STX e DLE ETX occorrono casualmente anche all’interno del frame Si adotta perciò una tecnica chiamata character stuffing: ogni occorrenza del carattere DLE all’interno del frame è preceduta da un altro carattere DLE In questo modo, ogni carattere DLE isolato precede immediatamente un carattere di controllo del frame In protocolli più recenti, questa tecnica viene utilizzata con un singolo carattere di inizio e fine (FLAG); le occorrenze di FLAG all’interno del frame vengono fatte precedere da un altro carattere ESC (escape) Le occorrenze di ESC all’interno del frame sono sempre raddoppiate, così ogni carattere ESC isolato è seguito da FLAG e questa sequenza non rappresenta un carattere di controllo del frame (importante per flussi di dati non ASCII) Andrea Frosini

  16. Caratteri di inizio e fine III La sequenza FLAG X ESC FLAG Y ESC ESC FLAG codifica un frame il cui contenuto è X FLAG Y ESC Svantaggi di questo metodo: • si fonda sulla rappresentazione di ciascun carattere con 8 bit, mentre, ad esempio, se si trasmette in UNICODE necessitiamo di 16 bit per carattere • la scelta dei caratteri di controllo (DLE, STX e ETX oppure FLAG e ESC) è legata alla codifica dei caratteri (tipicamente ASCII), ed il metodo può avere un overhead (caratteri in più del necessario sono utilizzati) elevato se viene utilizzata una codifica differente • il numero di bit del frame deve essere un multiplo di 8 Andrea Frosini

  17. Bit di inizio e fine Ciascun frame è delimitato da una sequenza particolare di bit detta flag byte. Esempio di flag byte: 01111110 Per evitare ambiguità con le sequenze di bit identiche all’interno del frame si adotta il bit stuffing: • in trasmissione, ad ogni sequenza di cinque bit “1” consecutivi si appende un bit “0” • in ricezione, per ogni sequenza di cinque bit “1” consecutivi si scarta il bit “0” seguente 001111110010 => 01111110001111101001001111110 Per sincronizzarsi dopo un errore è sufficiente attendere due flag byte consecutivi Andrea Frosini

  18. Violazione della codifica dei bit del livello Fisico I Questo metodo può essere adottato soltanto se il livello Fisico codifica ciascun bit di dati con una certa ridondanza Ad esempio: Manchester encoding (IEEE 802.3) • il bit di dati “1” è rappresentato con i due bit fisici low/high • il bit di dati “0” è rappresentato con i due bit fisici high/low Questa codifica ridondante dimezza la capacità del mezzo trasmissivo! Andrea Frosini

  19. Violazione della codifica dei bit del livello Fisico II Le coppie di bit fisici high/high e low/low sono disponibili per codificare l’inizio e la fine di ciascun frame Questo metodo può essere considerato simile al metodo basato sul flag byte, ma le sequenze di bit delimitatori non possono mai presentarsi all’interno del frame Il metodo si basa su di una particolare modalità di funzionamento del mezzo trasmissivo: questa caratteristica è definita dal livello Fisico, non dal livello Data Link E’ possibile utilizzare il metodo solo se il livello Fisico offre primitive che consentano di impostare i bit fisici della trasmissione Andrea Frosini

  20. Combinazione di più metodi di framing Spesso si utilizza il metodo di conteggio dei caratteri con uno degli altri metodi per aumentarne l’efficienza e la robustezza Ad esempio, combinando il metodo di conteggio dei caratteri con l’uso dei caratteri di inizio e fine: • in trasmissione, il frame viene delimitato dalle sequenze DLE STX e DLE ETX, e la lunghezza del frame viene scritta nella testata • in ricezione, il frame viene ricostruito velocemente sulla base della lunghezza riportata nella testata, e si controlla che il frame termini correttamente con la sequenza di caratteri DLE ETX • in caso di errore, il flusso di caratteri viene analizzato per cercare la successiva sequenza DLE STX Andrea Frosini

  21. Gestione degli errori di trasmissione Gli errori di trasmissione sono dovuti a • rumore di fondo del mezzo trasmissivo • disturbi naturali (es. fulmini) • interferenze con dispositivi elettrici • guasti transienti E’ compito del livello Data Link gestire gli errori del mezzo trasmissivo (per quanto possibile) Andrea Frosini

  22. Burst di errori In molti casi la distribuzione degli errori non è uniforme: la probabilità che un certo bit sia errato è maggiore se uno dei bit vicini è errato Gli errori tendono a concentrarsi in burst Esempio: reti wireless basate su onde radio rilevazione e correzione degli errori sono più difficili il numero di frame con errore è minore Andrea Frosini

  23. Rilevazione e correzione dell’errore Per gestire l’errore il livello Data Link può adottare due approcci: • Rilevazione dell’errore: è possibile solo determinare l’esistenza di bit erronei all’interno di un frame, includendo meno informazione aggiuntiva possibile • Correzione dell’errore: è possibile determinare l’errore e ricostruire il contenuto del frame originario mandando sufficiente informazione aggiuntiva Nel secondo caso il frame dovrà essere codificato in modo più ridondante, e dunque meno efficiente. Tale caso è conveniente con canali con elevato tasso d’errore (ad es. wireless) Andrea Frosini

  24. Codici Un frame (a parte i delimitatori) consiste di n = m + r bit, dove: - m bit costituiscono il messaggio vero e proprio - r bit sono ridondanti, e sono detti reduntant bit (o check bit) Una sequenza di n bit fatta in tal modo, e tale che gli m bit del messaggio sono in accordo con gli r bit di controllo si dice codeword, o parola di codice Date due qualunque parole di codice, ad es. 1000 1001 e 1011 0001 è possibile determinare il numero di bit che in esse differiscono (3 nell'esempio) tramite un semplice XOR fatto bit a bit Tale numero si dice la distanza di Hamming delle due codeword (dH) e può essere vista come il numero di bit da cambiare per passare da una parola all’altra Andrea Frosini

  25. Distanza di Hamming di un codice I Un codice è un algoritmo che dati m bit di dati produce r bit di controllo Ogni frame con n = m + r bit può contenere 2mmessaggi differenti Il numero di parole di codice è però strettamente minore di 2n, perché alcune sequenze di n bit devonoesserenon valide (sono quelle che segnalano un errore) Si definisce la distanza di Hamming di un codice C la minima distanza esistente tra due parole del codice: dH ( C ) = min dH ( u, v ) con u,v C e u  v Andrea Frosini

  26. Distanza di Hamming di un codice II Se un codice deve rilevared errori, la sua distanza di Hamming deve essere almeno pari a d+1 Se la distanza fosse minore, un burst di d errori potrebbe trasformare una parola di codice in un’altra parola di codice: l’errore non sarebbe rilevato Se un codice deve correggered errori, la sua distanza di Hamming deve essere almeno pari a 2d+1 (!!!) Un burst di d errori al peggio trasforma una parola di codice in una sequenza di bit a distanza al più d dalla parola di codice corretta e a distanza almeno d+1 da tutte le altre parole di codice Andrea Frosini

  27. Bit di parità Un semplice codice per la rilevazione di 1 errore è costituito dal bit di parità Data la sequenza di m bit che costituiscono il messaggio, si aggiunge un bit di controllo (r = 1) in modo tale che la somma di tutti i bit “1” della parola di codice sia pari (o dispari) Ad esempio (m = 7): 00101101 10101100 Il codice a bit di parità ha distanza di Hamming pari a 2 (non ci sono parole che differiscono per un solo bit) Andrea Frosini

  28. Correzione di 2 errori (non efficiente) Il seguente codice ha distanza di Hamming pari a 5: C = { 0000000000, 0000011111, 1111100000, 1111111111 } Consente di rilevare 4 errori e di correggere 2 errori Poiché ha solo 4 parole di codice, ciascuna parola di codice “rappresenta” 2 bit di dati: n = 10, r = 8, m = 2 E’ molto inefficiente: solo il 20% dei bit trasmessi è realmente significativo, gli altri sono ridondanti Andrea Frosini

  29. Correzione di d errori (non efficiente) In generale possiamo dire che: un modo semplice per creare codici per la correzione di d errori consiste nel replicare l’informazione Dato un messaggio di mbit si costruisce una parola di codice con 2dcopie di ciascuno dei bit del messaggio (r = 2d · m) La distanza di Hamming del codice è 2d+1, quindi può correggere d errori Il codice non è efficiente: solo 1 / (2d+1) bit sono significativi Andrea Frosini

  30. Numero minimo dei bit di controllo Sia Cun codice che corregge 1 errore con parole di codice con nbit, mbit di messaggio e rbit di controllo Ciascuna parola di codice ha nsequenze di bit illegali a distanza 1, costruite invertendo un bit della parola di codice Ciascuno dei 2mmessaggi richiede n+1 sequenze di bit: (n+1) · 2m 2n m  2r - r - 1 Es. se m = 128 , allora r  8 Andrea Frosini

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