Protocollo di Controllo del Data Link. Controllo del Data Link. Individuazione degli Errori. Servizi Offerti

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1 I semestre 02/03 Protocollo di Controllo del Data Link Controllo del Data Link Prof. Vincenzo Auletta Università degli studi di Salerno Laurea e Diploma in Informatica 2 Strato che contiene la logica per ottenere una linea di comunicazione affidabile la codifica dei dati e la sincronizzazione di bit non sono sufficienti Aggiunge al livello fisico la logica di controllo per gestire controllo del flusso controllo degli errori di trasmissione sincronizzazione dei frame distinzione tra dati ed informazioni di controllo gestione del link Servizi Offerti Individuazione degli Errori 3 Due tipi di servizio offerti al livello di rete Senza connessione (connectionless) se il ricevente rileva un errore in un frame lo scarta interamente l afffidabilità deve essere garantita dai livelli superiori Orientato alla connessione (connection oriented) trasmettitore e ricevente cooperano per ottenere una trasmissione affidabile se il ricevente rileva un errore in un frame ne richede la ritrasmissione 4 Il livello fisico non è in grado di garantire trasmissione affidabile dei bit anche scegliendo la combinazione ottimale di mezzo trasmissivo, tasso, distanza e codifica non si può ridurre il BER a 0 la probabilità che un frame sia difettoso cresce esponenzialmente con la lunghezza del frame P err = 1 - (1 - BER) n Es. se BER = 10-6, n = 1000 P err = 10-3 serve un meccanismo di controllo per individuare i frame difettosi

2 5 Idea Base Tutte le tecniche di individuazione degli errori sono basate sull uso di codici per l individuazione degli errori calcolati a livello di frame il trasmettitore calcola il codice relativo ad un frame ed inserisce il risultato tra le informazioni di controllo del frame il ricevente ricalcola lo stesso codice sui dati del frame e confronta i risultati se sono differenti il frame è stato alterato durante la trasmissione In base al tipo di codice utilizzato il ricevente può individuare solo alcune categorie di errori 6 Tecniche Principali Le principali tecniche di individuazione degli errori utilizzate sono Controllo di parità Cyclic Redundancy Check (CRC) Controllo di Parità Cyclic Redundancy Check 7 Aggiunge un bit ad un blocco di dati in modo da garantire che il numero di 1 presenti sia fissato si parla di parità dispari (trasmissioni asincrone) o parità pari (trasmissioni sincrone) consente di individuare alterazioni di singoli bit (o di un numero dispari di bit) non utilizzabile per combattere errori a raffica Es. trasmissione di G ( ) in parità dispari Basato sul calcolo di una funzione modulo sul contenuto del frame Terminologia M = messaggio da spedire con k bit F = campo aggiunto al messaggio di n bit (FCS) T = frame spedito di (n+k) bit P = pattern di (n+1) bit utilizzato per ottenere F a partire da M P deve essere scelto in modo da poter calcolare F velocemente e consentire l individuazione di ampie famiglie di errori

3 Calcolo del CRC Polinomi 9 Scegliamo P in modo che sia un divisore di T Aritmetica modulo 2 (OR Esclusivo) T = 2 n M + F poniamo F uguale al resto della divisione modulo 2 di 2 n M per P (2 n M/P = Q + R/P F = R) T/P = 2 n M/P + F/P = Q + R/P + F/P = Q il ricevente riceverà T r = T + E ed individuerà un errore se T r non è divisibile per P P deve contenere almeno tre 1 ed avere il bit più significativo e quello meno significativo uguale ad 1 10 Esiste una maniera alternativa di vedere il calcolo del CRC più efficiente da calcolare consideriamo M, P, F e T come polinomi in X a coefficienti binari Es. M = M(X) = X 5 + X 4 + X + 1 Polinomi più usati CRC-12 = X 12 + X 11 + X 3 + X 2 + X + 1 CRC-16 = X 16 + X 15 + X CRC-CCITT = X 16 + X 12 + X CRC-32 = X 32 + X 26 + X 23 + X 22 + X 16 + X 12 + X 11 + X 10 + X 8 + X 7 + X 5 + X 4 + X 2 + X + 1 Circuti Digitali per il Calcolo del CRC è possibile costruire dei circuiti digitali per calcolare il CRC in hardware in modo estremamente efficiente costituito da registri e connettori XOR Proprietà del CRC Scegliendo opportunamente P(X) è possibile individuare errori su singolo bit su doppi bit se P(X) ha almeno tre 1 su numero dispari di bit se P(X) ha un fattore (X+1) su ogni sequenza di bit di lunghezza non superiore alla lunghezza di F su molte sequenze di lunghezza superiore ad F 11 12

4 13 Controllo del Flusso Tecnica utilizzata per evitare di sovraccaricare il ricevente inviandogli più bit di quanti è in grado di ricevere il ricevente alloca un buffer per mantenere i bit ricevuti prima di processarli se i bit arrivano troppo velocemente i buffer va in overflow il trasmettitore adatta il suo tasso di trasmissione alle capacità di ricezione del ricevente Principali tecniche utilizzate stop-and-wait sliding window 14 Idea Base Il trasmettitore deve spedire un frame solo se autorizzato dal ricevente il ricevente autorizza la spedizione spedendo un frame al trasmettitore le diverse tecniche differiscono nel modo in cui il ricevente autorizza le spedizioni un autorizzazione per ogni frame in sequenza autorizzazioni cumulative autorizzazioni non in sequenza Flusso senza Errori Stop-and-Wait 15 Consideriamo prima il caso in cui non ci sono errori di trasmissione ogni frame è ricevuto correttamente i frame sono ricevuti nello stesso ordine in cui sono spediti ogni frame di risposta è ricevuto correttamente 16 il trasmettitore trasmette un frame alla volta dopo aver trasmesso un frame attende un riscontro (RR o ACK) dal ricevente prima di trasmettere un nuovo frame il ricevente può ritardare l invio del messaggio RR fino a quando non ha risorse sufficienti per ricevere un nuovo frame In ogni istante c è un solo frame in viaggio sulla linea estremamente inefficiente se i tempi di propagazione del segnale sono alti

5 Calcolo Efficienza di Trasmissione Efficienza di Stop-and-Wait Tempo di trasmissione (T tr ) tempo necessario a trasmettere un frame T tr = n/r (r = tasso trasm., n = lung. frame) Tempo di Propagazione (T pr ) tempo necessario perché un bit raggiunga il ricevente T pr = d * v (d = distanza, v = velocità) Lunghezza in bit (L) numero di bit che possono essere trasmessi nel tempo che impiega un bit a propagarsi sulla linea supponiamo T tr < T pr U= T tr /(T tr + 2T pr ) = 1/(1+2a) con a = T pr/ T tr t = 1 t = 1 + T tr t = T pr t = T tr + T pr t = T tr + 2T pr 17 L = r * T pr 18 analogamente per T tr > T pr Sliding Window umeri di Sequenza 19 stop-and-wait è inefficiente perché non ci può essere più di un frame alla volta in viaggio sulla linea il trasmettitore deve aspettare che il suo frame raggiunga il ricevente ed il messaggio RR torni indietro La tecnica di sliding window consente la presenza di c frame sulla linea il trasmettitore può inviare c frame insieme prima di inviare il (c+1)-imo frame deve aspettare il messaggio RR per il primo frame 20 Ogni RR è relativo ad un certo frame serve un meccanismo per identificare i frame Ogni frame è identificato da un numero di sequenza numero a k bit il trasmettitore può mandare al più 2 k frame prima di ricevere un RR altrimenti non sarebbero univocamente identificabili

6 Finestra Il trasmettitore mantiene una lista dei frame che può spedire (senza attendere RR) ogni volta che spedisce un frame lo elimina dalla lista ogni volta che riceve un riscontro aggiunge altri frame alla lista Il trasmettitore ha un contatore modulo k per assegnare i numeri di sequenza ai frame lo incrementa ad ogni frame spedito Formato ACK Il ricevente mantiene una lista dei frame che può ricevere se riceve il primo frame della lista (sia p) manda un riscontro contenente p+1 indica il prossimo frame che si aspetta di ricevere Descrizione di Sliding Window Esempio di Trasmissione con Sliding Window finestra trasmettitore finestra ricevitore 23 24

7 Dimensione della Finestra La scelta del parametro k è critica per l efficienza della trasmissione al crescere di k aumenta il numero di frame che possono essere contemporaneamente presenti sulla linea aumenta la quantità di risorse di memoria che trasmettitore e ricevente devono riservare alla gestione dei frame Tipicamente si sceglie k = 3 o 7 Efficienza di Sliding Window Dipende dalla dimensione della finestra W e da a = T pr /T tr se W >= 2a+1 U = Efficienza di Sliding Window Esempi Calcolare l efficienza del collegamento quando una sequenza di 1000 bit è spedita con velocità di propagazione di 2x10 8 metri al secondo 27 se W < 2a+1 U = W/(2a+1) 28 1) link di 1 Km a 1Mbps e W=2 2) link di 10 Km a 200Mbps e W=7 3) link terra-satellite di Km a 2Mbps e W=127 T tr = 10-3, T pr = 0, a = 0, U = 1 T tr /= 0,5 10-5, T pr = 0, a = 10 U = 0,33 T tr /= 0,5 10-3, T pr = 2, a = 500 U = 0,128

8 29 Controllo degli Errori Le tecniche di controllo degli errori consentono di individuare e correggere eventuali errori di trasmissione trasformano un collegamento dati inaffidabile in un collegamento affidabile gli errori che si possono verificare sono perdita di frame (Es. gli errori di trasmissione rendono impossibile la sincronizzazione di frame) frame danneggiato (il frame è ricevuto ma il suo contenuto è alterato) I meccanismi utilizzati per il controllo degli errori sono detti ARQ (Automatic Repeat Request) 30 ARQ Basati su individuazione degli errori (parità, CRC, ecc) Riscontro positivo e negativo ritrasmissione per timeout Gli ARQ più diffusi sono Stop-and-Wait Go-back- Selective-Reject A Stop-and-Wait ARQ Basato sulla tecnica di controllo del flusso Stop-and-Wait A spedisce un frame ed aspetta fino a quando arriva l ACK A avvia un timer per l ACK allo scadere del timer se l ACK non è arrivato il frame viene rispedito A deve conservare una copia del frame fino a quando non arriva l ACK Timer avviato Timer fermato ACK Timer avviato Timer fermato ACK Frame Danneggiato B rileva l errore e scarta il frame allo scadere del timeout A rimanda il frame 31 B ACK ACK TEMPO 32

9 ACK Danneggiato Analisi di Stop-and-Wait ARQ 33 B riceve il frame e manda l ACK A non rileva l ACK perché danneggiato. Allo scadere del timeout rimanda il frame B riceve anche il duplicato del frame e lo ignora ma manda l ACK per distinguere le due copie si utilizzano due ACK diversi: ACK0 e ACK1 A B Timer avviato Timer terminato/riavviato ACK(0) ACK(1) ACK(1) Rilevamento duplicato TEMPO 34 limitato buffer di memoria un solo frame da conservare uso inefficiente della linea di comunicazione U = (1-P)/(1+2a) P = prob. frame errato (no errori su ACK) per migliorare l efficienza si usano tecniche basate su sliding window (ARQ continuo) in generale si bilancia la limitatezza del buffer con l'efficienza usato in sistemi con semplici dispositivi di trasmissione come terminali o PC Go-back- ARQ Trasmissione Corretta 35 ARQ che utilizza una tecnica basata sul meccanismo della sliding window il trasmettitore manda frame senza attendere ACK e mantiene una lista dei frame spediti e non riscontrati ogni frame è numerato sequenzialmente modulo un valore fissato il ricevente manda un ACK per ogni frame ricevuto quando riceve un ACK il trasmettitore cancella il frame corrispondente dalla lista di ritrasmissione se si verifica un errore si deve ritrasmettere il frame errato e tutti i successivi 36 B riceve un frame corretto con numero di sequenza p e risponde con un ACK con un numero di sequenza p+1 la risposta può essere inserita in un nuovo frame di controllo (che non contiene dati) inglobata in un frame contenente dati che doveva essere già trasmesso (piggybacking)

10 37 Frame Danneggiato B riceve un frame con numero di sequenza p danneggiato e lo scarta se dopo un certo periodo di tempo A manda il frame p+1 B riceve un frame diverso da quello atteso, lo scarta e manda un REJ p (chiedendo ad A di rispedire tutti i frame a partire da p) se A non manda altri frame, quando scade il timeout A manda un RR con P-bit a 1 B risponde con un RR contenente il numero di frame atteso (p) 38 Esempio di Ritrasmissione per Frame Danneggiato Ack(+1 ) I(+2) I(+2) I(+2) I(+3) I(+3) REJ(+1) I(+3) I(+4) I(+4) I(+4) FRAME SCARTATI +4 I(+2) A Stato di ritrasmissione Ack(+2) I(+4) TEMPO B Esempio di Ritrasmissione per Frame Danneggiato ACK Danneggiato T() avviato +1 T(+1) avviato +1 T() arrestato Ack() +1 T(+1) scaduto/ P-bit timer avviato +1 RR RR RR P-bit timer bloccato/ T(+1) avviato ACK(+1 ) +1 A B riceve il frame p e manda l ACK(p+1) ma A non lo riceve se A riceve in seguito un ACK per un frame q > p prima che il timer del frame p scada allora rimuove p dalla coda se il timer di A per il frame p scade invia un RR con P-bit a 1 ed avvia il P-bit timer se il P-bit timer scade A avvia una procedura di reset +1 B 40

11 Esempio di Ritrasmissione per ACK Danneggiato Ack(+1 I(+2) ) I(+2) I(+3) Ack(+1) I(+3) I(+4) Ack(+2) I(+4) Ack(+3) A TEMPO REJ Danneggiato B riceve un frame fuori ordine ed invia un REJ(p) che A non riceve equivalente al caso in cui B non manda nulla il timer di A per il frame p scade ed A invia un RR con P-bit a 1 I(+2) I(+3) I(+4) B Dimensione della Finestra con Go-back- Analisi di Go-back- 43 Se gli identificatori dei frame sono a k bit la finestra può contenere al più 2 k 1frame a causa dell interazione tra controllo degli errori e riscontro in ogni frame spedito da B deve essere piggybacked un numero di ACK per A Esempio con finestra di 2 k frame A manda il frame 0 e riceve ACK(1) A manda frame 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 0 e riceve un altro ACK(1) il secondo ACK potrebbe dire che tutti i frame sono stati ricevuti oppure che tutti sono stati perduti 44 preserva l ordine dei frame minimizzando l utilizzo della memoria A deve conservare solo i frame spediti e non riscontrati B deve conservare solo l ultimo frame ricevuto la ritrasmissione di frame già ricevuti correttamente causa un uso inefficiente della linea di comunicazione per al sua semplicità di implementazione è l ARQ più utilizzato

12 Efficienza di Go-back- Selective-Reject ARQ 45 se W >= 2a+1 U = (1-P)/(1+2aP) se W < 2a+1 U = W(1-P)/[(2a+1)(1-P+WP)] 46 Ritrasmette solo i frame che sono stati effettivamente ricevuti con errori A deve mantenere una lista di tutti i frame trasmessi e non ancora riscontrati B deve mantenere una lista dei frame ricevuti fuori sequenza A e B devono essere in grado di gestire inserimenti e cancellazioni di frame fuori sequenza difficile da implementare i tempi di elaborazione di A e B possono divenire inaccettabili 47 ACK egativo Quando B riceve un frame fuori sequenza risponde con un ACK negativo (SREJ) riferito al frame che sta attendendo i frame fuori sequenza vengono comunque conservati B ha un timer per ogni frame. Allo scadere del timer per il frame p manda SREJ(p) Esempio: B aspetta il frame 4 ma riceve il frame 5 B manda SRJ(4) e conserva il frame 5 A rimanda il frame 4 B riceve il frame 4 e manda un RR(6) Esempio Trasmissione con Selective-Reiject ARQ Ack( +1) I(+2) I(+2) I(+2) I(+3) I(+3) SREJ(+ 1) I(+3) I(+4) I(+4) I(+5) I(+4) I(+5) Ack(+5) I(+5) +5 A Stato di ritrasmissione TEMPO B

13 49 umeri di Sequenza con Selective-Reject ARQ La dimensione della finestra è molto più piccola con Selective-Reject ARQ bisogna evitare sovrapposizioni tra la finestra di invio e quella di ricezione Esempio: A manda frame da 0 a 6 B risponde con ACK(7) ma la risposta va persa allo scadere del timeout A rispedisce 0 B pensa che 0 sia un nuovo frame e che il frame 7 si sia perso e manda un SREJ(7) con identificatori a k bit si usa una finestra di dimensione 2 k-1 50 Efficienza di Selective-Reject se W >= 2a+1 U = 1 se W < 2a+1 U = W(1-P)/(2a+1) Confronto tra Efficienze ARQ P =