R. Cusani, F. Cuomo: Telecomunicazioni - DataLinkLayer: Framing e Codici, Aprile 2010

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1 1 10. Data link layer: definizione, framing, codici di correzione degli errori Il data link layer Il Data Link Layer (anche livello di collegamento dati, o più semplicemente: livello 2) ha la funzione principale di fornire allo strato di rete servizi per il recapito di dati al nodo direttamente adiacente sulla rete Il compito del data link layer è quindi quello di organizzare il trasferimento dei dati tra due apparati adiacenti, e di fornire una interfaccia definita per consentire allo strato di rete di accedere ai servizi offerti Apparati adiacenti significa connessi da un tubo che trasmette i bit da una parte e li riceve dall altra, nell ordine di trasmissione come sia fatto il tubo non riguarda il data link layer ma lo strato fisico: non importa se ci sia un cavo, una fibra, una sequenza di mezzi differenti con interposti ripetitori, convertitori elettrico/ottici, modem, multiplexer, antenne o altro 2 1

2 Il data link layer (cont.) Il data link layer utilizza i servizi dello strato fisico per il recapito dei dati al suo processo paritario sul calcolatore ricevente, ma logicamente la comunicazione avverrà direttamente con il processo di data link layer remoto Per realizzare le sue funzioni il data link layer riceve i dati dallo strato di rete (pacchetti), li organizza in trame (frame) eventualmente spezzando in più frame il blocco di dati ricevuto dal livello 3, aggiunge ad ogni frame una intestazione ed una coda (header e trailer), e passa il tutto allo strato fisico per la trasmissione 3 Il data link layer (cont.) In ricezione il data link layer riceve i dati dallo strato fisico, effettua i controlli necessari, elimina header e trailer, ricombina i frame e passa i dati ricevuti allo strato di rete 4 2

3 Servizi del DLL Lo strato di data link fornisce allo strato di rete i servizi trasmissione dati senza riscontro e senza connessione trasmissione dati affidabile senza connessione trasmissione affidabile con connessione La classe di servizio non affidabile senza connessione è adatta su linee di elevata qualità il controllo sugli errori e la ritrasmissione di frame errati comporta una inefficienza in termini di numero di bit trasmessi rispetto ai dati, con riduzione del tasso utile ed aumento della probabilità di errore il controllo può essere demandato ai livelli superiori a vantaggio della efficienza del livello di data link generalmente questi servizi sono utilizzati su rete locale sono utilizzati anche per il traffico voce e video 5 Servizi del DLL (cont.) La classe di servizio affidabile con connessione è adatta su linee più frequentemente soggette ad errori demandare il controllo e la ritrasmissione ai livelli superiori (che generalmente trasmettono pacchetti costituiti da più frame) in caso di elevata probabilità di errore potrebbe causare la ritrasmissione di molti pacchetti, mentre al livello due può essere sufficiente la ritrasmissione del singolo frame tipicamente utilizzata su linee a grande distanza (connessioni WAN), anche se la fibra ottica riduce notevolmente questo problema Il data link layer deve quindi poter offrire le diverse classi di servizio, per soddisfare le diverse esigenze I servizi vengono implementati attraverso una serie di regole di comunicazione (protocolli) tra i livelli di data link dei calcolatori adiacenti 6 3

4 Problematiche del livello 2 Per poter svolgere le sue funzioni il data link layer dovrà curare i seguenti aspetti: framing: l organizzazione del flusso di bit in frame, con controllo per la sincronizzazione, inserimento e rimozione di header e trailer frammentazione e riordinamento dei frame in ricezione gestione degli errori: devono essere utilizzati codici di correzione degli errori o codici di identificazione degli errori e va gestita la ritrasmissione dei frame errati controllo di flusso: si deve impedire ad un trasmettitore veloce di sovraccaricare un ricevitore lento 7 Framing Il DLL organizza le trasmissioni di dati in blocchi (frame) per poter realizzare un controllo sugli errori trasmissivi lo strato fisico non può garantire il trasferimento privo di errori, che dovranno essere gestiti dal DLL per fare ciò il DLL organizza i bit in frame, ed effettua i controlli per ogni frame La struttura del frame deve consentire al ricevente di identificarne i limiti (sincronizzazione), quindi si devono adottare regole per delimitarlo Esistono diverse tecniche: conteggio dei caratteri byte di flag e byte stuffing bit(s) di flag e bit stuffing 8 4

5 Framing a conteggio di caratteri Il conteggio dei caratteri utilizza un frame costituito da caratteri ed un campo iniziale per specificare il numero dei caratteri che lo costituiscono In ricezione si legge nel campo iniziale la lunghezza del frame, e si identifica così il primo carattere appartenente al frame successivo Questo algoritmo è molto debole, in quanto in caso di errore non si riesce più a riagganciare la sincronizzazione 9 Frame con byte di flag Il problema della sincronizzazione può essere risolto utilizzando un carattere speciale per indicare l inizio (e la fine) del frame (flag) In questo modo la perdita di sincronia si recupera semplicemente aspettando il carattere di inizio del frame Si presenta il problema di gestire l eventualità che il carattere di flag compaia nel campo dei dati: la soluzione è quella di utilizzare un carattere di escape da inserire prima del byte di flag nel campo dati, in modo da indicare al ricevente che quel carattere fa parte dei dati e non della struttura di controllo In ricezione il carattere di escape verrà rimosso dal campo dati Va però considerato che anche il carattere di escape può capitare casualmente nel campo dati: per evitare che venga erroneamente rimosso un carattere di escape facente parte dei dati, anche il 10 5

6 Frame con byte di flag (cont.) carattere di escape verrà preceduto dal carattere di escape stesso, in modo da identificarlo in ricezione come parte dei dati allo stesso modo dell eventuale carattere di flag 11 Framing con bit stuffing L utilizzo di protocolli basati sulla lunghezza del carattere a livello di data link non sempre è auspicabile non tutti i codici sono concordi sulla lunghezza del carattere (7/8 bit ASCII, 16 bit UNICODE, ) non sempre è adatto un frame costituito da un numero intero di caratteri Per ovviare a questo si utilizza una tecnica che prevede per indicare l inizio e la fine del frame una sequenza predefinita di bit (solitamente ) Ogni qualvolta la sequenza di flag compare nel campo dati, è sufficiente inserire in modo opportuno un bit che ne altera la sequenza; per la sequenza vista, si inserisce un bit 0 dopo cinque bit 1 consecutivi In ricezione ogni volta che si riceve una sequenza di 5 bit 1 seguiti da un bit 0, lo zero viene eliminato 12 6

7 Esempio di bit stuffing Anche in questo caso l operazione di stuffing rende inequivocabile la sequenza di inizio e fine del frame, e quindi rende possibile la risincronizzazione 13 Tecniche multiple Va infine considerato che molti protocolli aumentano le informazioni di framing utilizzando più di una tecnica assieme tipicamente si abbina il conteggio dei caratteri ad una delle due tecniche di byte o bit stuffing In ricezione si semplifica il controllo in quanto il delimitatore di fine si cerca solo nella posizione indicata come fine del frame dal contatore Va osservato come la ridondanza non permetta comunque di rinunciare allo stuffing, che resta indispensabile per la risincronizzazione del frame 14 7

8 Frammentazione Spesso lo strato di rete utilizza pacchetti di dimensione inadatta allo strato di data link In questa condizione, il livello 2 spezza il pacchetto in più frammenti, e tratta ciascun frammento indipendentemente (applica a ciascuno header, trailer e limiti del frame) Per poter consegnare in ricezione allo strato di rete il pacchetto originario il livello 2 dovrà occuparsi di ricombinare i frammenti nell ordine corretto Sarà quindi necessario numerare i frame in un apposito campo dell header per poterli riordinare Vedremo più approfonditamente come questo venga fatto nella analisi del controllo di flusso e di errore 15 Controllo degli errori Come già visto, lo strato fisico non può garantire una consegna di bit senza errori Lo strato di data link deve quindi operare algoritmi per assicurarsi che i frame inviati vengano ricevuti tutti senza errori senza duplicati nell ordine corretto Solitamente si utilizza una forma di riscontro che il ricevente manda al mittente per confermare la corretta ricezione dei frame Questo viene fatto tramite l invio di pacchetti appositi di acknowledge positivo (ACK) o negativo (NACK) 16 8

9 Problematiche del controllo degli errori Il controllo deve prevedere un meccanismo per correggere o identificare gli errori di trasmissione La perdita completa di un frame, o la perdita di un ACK, lascia il trasmittente in attesa dell ACK, quindi si dovranno inserire timer per la ritrasmissione automatica di frame La perdita di un ACK comporta la ritrasmissione di un frame già ricevuto correttamente, quindi si deve identificare questa eventualità e scartare il duplicato, tramite ad esempio la numerazione dei frame I meccanismi adottati per questa funzione sono differenti e dipendono dal protocollo utilizzato; ne vedremo alcuni tra i più comuni 17 Controllo di flusso Può capitare che una sorgente sia in grado di trasmettere ad un tasso più alto della capacità di ricevere a destinazione Senza controllo, questo implica che la destinazione inizierebbe a scartare frame trasmessi correttamente per mancanza di risorse (tempo di processamento, buffer) Il protocollo deve poter gestire questa situazione e prevedere meccanismi per rallentare la trasmissione Tipicamente il protocollo prevederà dei frame di controllo con cui il ricevente può inibire e riabilitare la trasmissione di frame, cioè il protocollo stabilisce quando il trasmittente può inviare frame Vedremo diverse tecniche, che si differenziano per complessità ed efficienza di utilizzo della linea 18 9

10 Controllare gli errori? Perché occuparsi degli errori trasmissivi? Vediamo un esempio pratico: Una linea ISDN a 64 Kbps viene ritenuta idonea a fornire servizio se il numero di frame errati non riconosciuti è inferiore ad uno al giorno Ipotizzando di utilizzare frame di 1000 bit, e di trasmettere a piena banda, si ha: s/giorno * bps 6 = frame/gior no 1000 bit/frame 1 7 P FE = = max prob. di frame errato Controllare gli errori? Ipotizzando un Bit Error Rate di una parte su milione, si ha: P P BE F = 10 = 6 P = ( P ) P = ( 1 P ) B B FE F cioè senza controllo di errori il tasso di frame errati è 5000 volte superiore a quello richiesto, quindi è necessario operare per identificare e correggere gli errori trasmissivi 20 10

11 Errori di trasmissione Esistono due strategie per gestire errori di trasmissione del livello fisico: utilizzare codifiche a correzione di errore (forward error correction), in grado di identificare i bit errati nel frame e di correggerli in ricezione utilizzata tipicamente su linee ad alto tasso di errore, per le quali l overhead della codifica è conveniente rispetto alla ritrasmissione del frame che ha elevate probabilità di essere ancora errato utilizzare codifiche ad identificazione di errore, in grado di capire se c è stato un errore durante la trasmissione; in conseguenza dell errore il protocollo chiederà la ritrasmissione del frame, o non farà nulla, aspettando lo scadere del timer in trasmissione utilizzata tipicamente su linee a basso tasso di errore, nelle quali la ritrasmissione del frame errato risulta più conveniente dell overhead di una codifica a correzione di errore 21 Codeword e distanza di Hamming Un messaggio da inviare è costituito da m bit di dati, a cui si aggiungono r bit di ridondanza finalizzata alla rilevazione o correzione di errore La quantità di bit trasmessi è costituita da n = m+r bit. Chiamiamo codeword l insieme di n bit trasmessi Date due codeword, si definisce distanza di Hamming tra le codeword il numero di bit corrispondenti che differiscono, cioè il numero di 1 nel risultato dell OR esclusivo tra le codeword; ad esempio le due codeword seguenti hanno distanza di Hamming pari a 3:

12 Rivelazione di errori basata sulla distanza di Hamming L idea è che per trasformare una codeword in un altra codeword a distanza d, sono necessari d errori sul bit Normalmente i codici ammettono tutte le possibili 2 m combinazioni di bit sui dati, ma non tutte le 2 r combinazioni sui bit di controllo Dato l algoritmo che determina gli r bit di controllo associati alle possibili combinazioni degli m bit di dati, esisteranno codeword valide e codeword invalide La distanza minima tra le codeword valide è detta distanza di Hamming della codifica 23 Rivelazione di errori basata sulla distanza di Hamming (cont.) Un errore trasforma la codeword trasmessa (valida) in una codeword differente Per rivelare d errori il codice deve avere una distanza pari a d+1 (così d errori non possono trasformare una codeword valida in un altra codeword valida) L esempio più semplice è il bit di parità: questo è un codice a distanza due, che permette di identificare l errore di singolo bit dato un set di m bit, la codeword è costituita da m+1 bit dove l ultimo bit è determinato dalla parità la codeword valida più vicina si trova cambiando un bit dei dati, ma questo obbliga a cambiare anche il bit di parità, quindi la distanza del codice è 2 un errore di singolo bit provoca sempre la trasformazione di una codeword valida in una non valida (vìola la parità) Naturalmente questi codici in generale non sono in grado di rivelare errori di d+1 bit (o superiori) in trasmissione 24 12

13 Correzione di errori basata sulla distanza di Hamming La stessa tecnica viene utilizzata anche per la correzione degli errori Per poter identificare e correggere d errori, serve una codifica a distanza 2d+1 In questo modo d errori trasformeranno una codeword valida in una codeword invalida, ma tale che la codeword valida trasmessa sia quella a distanza minima, quindi identificabile Ad esempio, supponiamo che le codeword valide siano , , e La distanza del codice è 5 25 Correzione di errori basata sulla distanza di Hamming Supponiamo di trasmettere , e di avere 2 errori in trasmissione, ad esempio riceviamo Il ricevente sa che la codeword ricevuta è invalida, ed identifica la codeword trasmessa come quella più vicina alla codeword ricevuta, cioè ricostruisce il dato corretto In caso di errori di più bit, la codifica commetterà un errore di interpretazione (proseguendo nell esempio, se in trasmissione è stata trasmessa la codeword e si sono verificati 3 bit di errore, ricevendo , il ricevente correggerà il dato ricevuto in ) commettendo un errore di identificazione 26 13

14 Metodo di Hamming per codice di correzione di un bit Per realizzare la correzione di 1 bit di errore dobbiamo realizzare un codice a distanza 3. Dato m, quanto deve essere r? Si può vedere la cosa nel seguente modo: per ciascun insieme di dati dovremo avere una codeword valida ed n codeword invalide, ottenute cambiando ad uno ad uno i bit della codeword valida Si ha pertanto: ( n + 1) 2 n 2 m codeword necessarie combinazio ni possibili m n ( m + r ) ( n + 1) 2 2 = 2 m m r r ( m + r + 1) r 2 m 1 Questa relazione definisce il limite inferiore di r Esempio: per la codifica ASCII a 7 bit occorrono 4 bit di ridondanza 27 Metodo di Hamming per codice di correzione di un bit (cont.) Hamming ha ideato un modo efficiente per realizzare questa codifica Numeriamo i bit della codifica partendo da sinistra, iniziando da 1 I bit di ridondanza stanno nelle posizioni 1, 2, 4, (quelle che rappresentano le potenze di 2) I bit dei dati occupano le altre posizioni; ciascuna posizione può essere espressa come somma di potenze di due: 7 = = 2+8 Ciascun bit di ridondanza viene valutato per definire la parità (pari o dispari) dell insieme dei bit la cui posizione è tale da avere il numero di posizione di quel bit di ridondanza nella sua scomposizione il bit 1 definirà la parità dei bit 1, 3, 5, 7,.. il bit 2 definirà la parità dei bit 2, 3, 6, 7, 10, 11, 14, 15, il bit 4 definirà la parità dei bit 4, 5, 6, 7, 12, 13, 14, 15, 28 14

15 Metodo di Hamming per codice di correzione di un bit (cont.) Ogni bit di dati contribuisce alla parità dei bit di controllo tali che la somma delle posizioni di questi bit di controllo eguaglia la posizione del bit in questione, in quanto questi sono i bit le cui posizioni fanno parte della scomposizione in potenze di due della posizione del bit stesso In ricezione si calcolano i bit di parità sulla base dei dati ricevuti, e si confrontano con i valori ricevuti; sommando le posizioni dei bit di controllo risultati errati, si ottiene la posizione del bit errato (si otterrà zero se non c è stato errore) Ad esempio, supponiamo di trasmettere il carattere H, la cui codifica ASCII è La codifica di Hamming (pari) per H è (in azzurro i bit di ridondanza) codeword Metodo di Hamming per codice di correzione di un bit (cont.) Se in ricezione otteniamo (con un errore di trasmissione, nel bit in posizione 6) e proviamo a ricalcolare la parità, otteniamo: bit 1: = 0 giusto (bit in pos. 1, 3, 5, 7, 9, 11) bit 2: = 1 errato (bit in pos. 2, 3, 6, 7, 10, 11) bit 4: = 1 errato (bit in pos. 4, 5, 6, 7) bit 8: = 0 giusto (bit in pos. 8, 9, 10, 11) quindi il bit errato sarà in posizione 2+4 = 6 Questo vale anche per identificare un eventuale errore sul bit di controllo, che risulterà essere l unico errato 30 15

16 Correzione di errori a grappolo: l interallacciamento Gli errori possono presentarsi a grappoli (burst) ovvero su bit consecutivi Esempi: rumore impulsivo, cellulare, CD rigato La codifica corregge errori singoli interallacciamento per identificare e correggere errori a grappolo fino ad una lunghezza massima Una sequenza di K codeword consecutive viene rappresentata in righe, ma i bit vengono trasmessi per colonna Un evento di errore burst di lunghezza non superiore a K provocherà la trasmissione errata di non più di K bit consecutivi (nell ordine di trasmissione) Poiché i bit sono trasmessi in colonne, risulteranno errati non più di un bit per ciascuna codeword In questa condizione gli errori burst di lunghezza non maggiore di K potranno essere corretti in ricezione 31 Esempio di codifica di Hamming 32 16