Sistemi e Tecnologie della Comunicazione Lezione 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 piu’ 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 e’ 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 logicamente connessi da un “tubo” che trasmette i bit da una parte e li riceve dall’altra, nell’ordine di trasmissione Il data link layer utilizzera’ i servizi dello strato fisico per il recapito dei dati al suo processo paritario sul calcolatore ricevente, ma logicamente la comunicazione avverra’ direttamente con il processo di data link layer remoto come sia fatto il “tubo” non e’ argomento che riguardi 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

Il data link layer (cont.) 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 piu’ 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 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

Servizi del DLL Normalmente la progettazione dello strato 2 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 e’ adatta su linee di elevata qualita’ 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 probabilita’ di errore il controllo puo’ essere demandato ai livelli superiori a vantaggio della efficienza del livello di data link generalmente questi servizi sono utilizzati su rete locale come detto piu’ volte, servizi non affidabili sono utilizzati anche per il traffico voce e video

Servizi del DLL (cont.) La classe di servizio affidabile con connessione e’ adatta su linee piu’ frequentemente soggette ad errori demandare il controllo e la ritrasmissione ai livelli superiori (che generalmente trasmettono pacchetti costituiti da piu’ frame) in caso di elevata probabilita’ di errore potrebbe causare la ritrasmissione di molti pacchetti, mentre al livello due puo’ 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 conseguenti alle diverse circostanze I servizi vengono forniti attraverso una serie di regole di comunicazione (protocolli) tra i livelli di data link dei calcolatori adiacenti per realizzare il trasferimento dei dati

Problematiche del livello 2 Per poter svolgere le sue funzioni il data link layer dovra’ curare i seguenti aspetti: la organizzazione del flusso di bit in frame, con controllo per la sincronizzazione, inserimento e rimozione di header e trailer, riordinamento dei frame in ricezione organizzare il trasferimento dei dati in modo da gestire eventuali errori di trasmissione, utilizzando codici di correzione degli errori o codici di identificazione degli errori e gestendo la ritrasmissione dei frame errati realizzare il controllo di flusso, per utilizzare in modo efficiente il canale trasmissivo impedendo al contempo ad un trasmettitore veloce di sovraccaricare un ricevitore lento

Framing Per trasportare i bit il Data Link Layer utilizza i servizi dello strato fisico Lo strato fisico non puo’ garantire il trasferimento privo di errori, che dovranno essere gestiti dal DLL Per fare cio’ il DLL organizza i bit in frame, ed effettua i controlli per ogni frame La gestione del frame deve prevedere in primo luogo la possibilita’ del ricevente di identificare il frame, quindi si devono adottare regole per delimitarlo e poterne identificare i limiti in ricezione Esistono diverse tecniche conteggio dei caratteri byte di flag, e byte stuffing bit(s) di flag di inizio, e fine e bit stuffing

Framing a conteggio di caratteri Il conteggio dei caratteri prevede l’utilizzo di un frame costituito da caratteri, ed un campo iniziale per specificare il numero dei caratteri di cui e’ costituito il frame In ricezione si legge nel campo iniziale la lunghezza del frame, e si identifica cosi’ il primo carattere appartenente al frame successivo Questo algoritmo e’ molto debole, in quanto in caso di errore non si riesce piu’ a riagganciare la sincronizzazione

Frame con byte di flag Il problema della sincronizzazione puo’ 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’eventualita’ che il carattere di flag compaia nel campo dei dati: la soluzione e’ 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 verra’ rimosso dal campo dati Va pero’ considerato che anche il carattere di escape puo’ capitare casualmente nel campo dati: per evitare che venga erroneamente rimosso un carattere di escape facente parte dei dati, anche il carattere di escape verra’ preceduto dal carattere di escape stesso, in modo da identificarlo in ricezione come parte dei dati allo stesso modo dell’eventuale carattere di flag

Frame con byte di flag (cont.) In molti protocolli si utilizza la coppia di caratteri DLE-STX (Data Link Escape – Start of Text) per delimitare l’inizio del frame, e la coppia DLE-ETX (End of Text) per delimitarne la fine; ogni volta che il carattere DLE compare nel campo dati viene raddoppiato.

Framing con bit stuffing L’utilizzo di protocolli basati sulla lunghezza del carattere a livello di data link non sempre e’ auspicabile non tutti i codici sono concordi sulla lunghezza del carattere (7/8 bit ASCII, 16 bit UNICODE, …) non sempre e’ adatto un frame costituito da un numero intero di caratteri (vedi ad esempio SONET) 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 01111110) Ogni qualvolta la sequenza di flag compare nel campo dati, e’ sufficiente inserire in modo opportuno un bit che ne altera la sequenza (per la sequenza usuale, 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 Anche in questo caso l’operazione di stuffing rende inequivocabile la sequenza di inizio e fine del frame, e quindi possibile la risincronizzazione

Esempio di bit stuffing

Tecniche multiple Va infine considerato che molti protocolli, per aumentare la ridondanza del protocollo, utilizzando piu’ di una tecnica assieme, tipicamente abbinando 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 questo non permette comunque di rinunciare alla necessita’ dello stuffing, che resta indispensabile per la risincronizzazione del frame

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 piu’ 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 dovra’ occuparsi di ricombinare i frame nell’ordine corretto Sara’ quindi necessario numerare i frame in un apposito campo dell’header per poterli riordinare Vedremo piu’ approfonditamente come questo venga fatto nella analisi del controllo di flusso e di errore

Controllo degli errori Come gia’ visto, lo strato fisico non puo’ 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)

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 gia’ ricevuto correttamente, quindi si deve identificare questa eventualita’ 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 piu’ comuni

Controllo di flusso Puo’ capitare che una sorgente sia in grado di trasmettere ad un tasso piu’ alto della capacita’ 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 prevedera’ dei frame di controllo con cui il ricevente puo’ inibire e riabilitare la trasmissione di frame, cioe’ il protocollo stabilisce quando il trasmittente puo’ inviare frame Vedremo diverse tecniche, che si differenziano per complessita’ ed efficienza di utilizzo della linea

Controllare gli errori? Perche’ 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 e’ inferiore ad uno al giorno Ipotizzando di utilizzare frame di 1000 bit, e di trasmettere a piena banda, si ha: Ora, ipotizzando un BER di una parte su milione, si ha: cioe’ senza controllo di errori il tasso di frame errati e’ 5000 volte superiore a quello richiesto, quindi e’ necessario operare per identificare e correggere gli errori trasmissivi

Errori di trasmissione Esistono due strategie per gestire errori di trasmissione del livello fisico: utilizzare codifiche a correzione di errore (forward error correction): la codifica utilizzata e’ 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 e’ conveniente rispetto alla ritrasmissione del frame che ha elevate probabilita’ di essere ancora errato utilizzare codifiche ad identificazione di errore: la codifica e’ in grado di capire se c’e’ stato un errore durante la trasmissione; in conseguenza dell’errore il protocollo chiedera’ la ritrasmissione del frame, o non fara’ 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 piu’ conveniente dell’overhead di una codifica a correzione di errore

Codeword e distanza di Hamming Un messaggio da inviare e’ costituito da m bit di dati, a cui si aggiungono r bit di ridondanza finalizzata alla rilevazione o correzione di errore La quantita’ di bit trasmessi e’ 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, cioe’ il numero di “1” nel risultato dell’OR esclusivo tra le codeword; ad esempio le due codeword hanno distanza di Hamming pari a 3

Correzione e rivelazione di errori basati sulla distanza di Hamming L’idea e’ 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 combinazioni di bit sui dati, ma non tutte le 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 e’ detta distanza di Hamming della codifica

Correzione e rivelazione di errori basati sulla distanza di Hamming (cont.) Ogni errore di bit trasformera’ la codeword trasmessa (valida) in una codeword differente Per poter rivelare d errori, il codice dovra’ avere una distanza di Hamming pari a d+1 (in questo modo d errori non potranno mai trasformare una codeword valida in un’ altra codeword valida) L’esempio piu’ semplice e’ il bit di parita’: questo e’ un codice a distanza due, che permette di identificare l’errore di singolo bit dato un set di m bit, la codeword e’ costituita da m+1 bit dove l’ultimo bit e’ determinato dalla parita’ la codeword valida piu’ vicina si trova cambiando un bit dei dati, ma questo obbliga a cambiare anche il bit di parita’, quindi la distanza del codice e’ 2 un errore di singolo bit provoca sempre la trasformazione di una codeword valida in una non valida (viola la parita’) Naturalmente questi codici in generale non sono in grado di rivelare errori di d+1 bit (o superiori) in trasmissione

Correzione e rivelazione di errori basati sulla distanza di Hamming (cont.) Questa tecnica viene utilizzata 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 risulta quella a distanza minima, quindi e’ identificabile Ad esempio, supponiamo che le codeword valide siano 0000000000 0000011111 1111100000 e 1111111111. La distanza del codice e’ 5 Supponiamo di trasmettere 0000000000, e di avere 2 errori in trasmissione, ad esempio riceviamo 1100000000. Il ricevente sa che la codeword trasmessa e’ quella piu’ vicina (che dista 2 dalla codeword ricevuta), cioe’ ricostruisce il dato corretto In caso di errori di piu’ bit, la codifica commettera’ un errore di interpretazione (proseguendo nell’esempio, se in trasmissione e’ stata trasmessa la codeword 1111100000 e si sono verificati 3 bit di errore, ricevendo 1111101011, il ricevente correggera’ il dato ricevuto in 1111111111)

Metodo di Hamming per un codice di correzione di un bit Per realizzare la correzione di 1 bit di errore dobbiamo realizzare un codice a distanza 3 Si puo’ 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 un bit della codeword valida Si ha pertanto: Questa relazione definisce il limite inferiore di r Ad esempio, per trasmettere la codifica ASCII a 7 bit dovremo utilizzare 4 bit di ridondanza

Metodo di Hamming per un 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 puo’ essere espressa come somma di potenze di due: 7 = 1+2+4 10 = 2+8 Ciascun bit di ridondanza viene valutato per definire la parita’ (pari o dispari) dell’insieme dei bit la cui posizione e’ tale da avere il numero di posizione di quel bit di ridondanza nella sua scomposizione il bit 1 definira’ la parita’ dei bit 1, 3, 5, 7, .. il bit 2 definira’ la parita’ dei bit 2, 3, 6, 7, 10, 11, 14, 15, … il bit 4 definira’ la parita’ dei bit 4, 5, 6, 7, 12, 13, 14, 15, …

Metodo di Hamming per un codice di correzione di un bit (cont.) Ogni bit di dati contribuisce alla parita’ 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 parita’ 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 otterra’ zero se non c’e’ stato errore) Ad esempio, supponiamo di trasmettere il carattere H, la cui codifica ASCII e’ 1001000. La codifica di Hamming (pari) per H e’ 00110010000 (in azzurro i bit di ridondanza) Se in ricezione otteniamo 0011011000 (con un errore di trasmissione, nel bit in posizione 6) e proviamo a ricalcolare la parita’, otteniamo: bit 1: x+1+0+1+0 = 0 giusto bit 2: x+1+1+1+0 = 1 errato bit 4: x+0+1+1 = 0 errato bit 8: x:0+0 = 0 giusto quindi il bit errato sara’ in posizione 2+4 = 6 Questo vale anche per identificare un eventuale errore sul bit di controllo, che risultera’ essere l’unico errato

Tecnica per correzione di errori a grappolo Spesso gli errori su una linea di trasmissione dati si presentano a grappoli (burst) Ad esempio, un evento di rumore impulsivo provoca l’errore di un certo numero di bit consecutivi Benche’ la codifica Hamming permetta di correggere solo errori singoli, si usa un trucco per identificare e correggere gli errori a grappolo fino ad una lunghezza massima Una sequenza di K codeword consecutive viene rappresentata in colonna, ed i bit vengono trasmessi per colonna Un evento di errore burst di lunghezza non superiore a K provochera’ la trasmissione errata di non piu’ di K bit consecutivi (nell’ordine di trasmissione) Poiche’ i bit sono trasmessi in colonne, risulteranno errati non piu’ di un bit per ciascuna codeword In questa condizione gli errori burst di lunghezza non maggiore di K potranno essere corretti in ricezione

Esempio di codifica di Hamming