Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

скорость обработки — не ниже скорости передачи данных. Кроме того, он должен быстро передавать фреймы сетевому уровню. Это наихудшее из возможных решений. Оно требует специального оборудования, а если линия загружена слабо, то ресурсы расходуются зря. Кроме того, такое решение всего лишь перекладывает проблему слишком быстрой передачи на чужие плечи: в данном случае ее приходится решать сетевому уровню.

Лучшее решение проблемы — обратная связь со стороны получателя. Передав пакет сетевому уровню, он посылает источнику небольшое служебное сообщение, разрешающее отправку следующего фрейма. Отправитель, отослав фрейм, должен ждать этого разрешения. Подобная задержка — простейший пример протокола с управлением потоком.

Протоколы, в которых отправитель посылает один фрейм, после чего ожидает подтверждения, называются протоколами с остановкой и ожиданием (stop-and-wait). На илл. 3.13 приведен пример такого симплексного протокола.

Хотя пересылка данных в этом примере осуществляется по симплексному принципу, по направлению от отправителя получателю, на практике фреймы идут и в обратную сторону. Следовательно, линия связи между двумя канальными уровнями должна поддерживать двунаправленную передачу. Однако данный протокол диктует жесткое чередование направлений пересылки: источник и получатель отправляют фреймы строго по очереди. Для такой реализации хватило бы полудуплексного физического канала.

Как и в протоколе 1, в начале цикла отправитель извлекает пакет с сетевого уровня, формирует из него фрейм и отправляет фрейм по линии связи. Отличие в том, что теперь он должен ждать получения фрейма с подтверждением, прежде чем запустить новую итерацию цикла и обратиться к сетевому уровню за следующим пакетом. В данной модели канальный уровень отправителя даже не просматривает входящий фрейм, поскольку он всегда означает только одно: подтверждение.

Единственное отличие между процедурами receiver2 и receiver1 состоит в том, что после передачи пакета сетевому уровню receiver2 посылает подтверждение обратно отправителю, после чего идет на следующую итерацию цикла. Поскольку для отправителя важно само прибытие ответного фрейма, а не его содержание, то получателю не нужно заполнять его специальной информацией.

Добавляем исправление ошибок: порядковые номера и протокол ARQ

Теперь рассмотрим реальную ситуацию: канал связи, в котором могут быть ошибки. Фреймы могут либо повреждаться, либо теряться. Однако мы будем считать, что если фрейм был изменен при передаче, то аппаратное обеспечение целевого устройства определит это, подсчитав контрольную сумму. Если фрейм поврежден таким образом, что контрольная сумма сходится (что очень маловероятно), то этот и любой другой протокол могут дать сбой, то есть отправить на сетевой уровень пакет с ошибками.

/* Протокол 2 (с ожиданием) также обеспечивает только одностороннюю передачу данных, от отправителя к получателю. Снова предполагается, что в канале связи нет ошибок. Однако на этот раз емкость буфера получателя ограниченна и, кроме того, ограниченна скорость обработки данных получателем. Поэтому протокол должен не допускать отправления данных быстрее, чем получатель способен их обработать. */

typedef enum {frame_arrival} event_type;

#include “protocol.h”

void sender2(void)

{

frame s;                         /* буфер для исходящего фрейма */

packet buffer;                   /* буфер для исходящего пакета */

event_type event;                /* frame_arrival является единственным возможным событием */

while (true) {

    from_network_layer(&buffer); /* получить у сетевого уровня пакет для передачи */

    s.info = buffer;             /* скопировать его во фрейм s для передачи */

    to_physical_layer(&s);       /* отправка фрейма */

    wait_for_event(&event);      /* не продолжать, пока на это не будет получено разрешения */

}

}

void receiver2(void)

{

frame r, s;                     /* буферы для фреймов */

event_type event;               /* frame_arrival является единственным возможным событием */

while (true) {

     wait_for_event(&event);     /* единственная возможность — прибытие фрейма (событие frame_arrival) */

     from_physical_layer(&r);    /* получить входящий фрейм */

     to_network_layer(&r.info);  /* передать данные сетевому уровню */

     to_physical_layer(&s);      /* передать пустой фрейм, чтобы «разбудить» отправителя */

}

}

Илл. 3.13. Симплексный протокол с ожиданием и остановкой

На первый взгляд может показаться, что можно улучшить протокол 2, добавив таймер. Получатель будет возвращать подтверждение только в случае получения правильных данных. Неверные пакеты будут просто игнорироваться. Через некоторое время у отправителя истечет интервал времени и он отправит фрейм еще раз. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока фрейм наконец не прибудет в целости.

В приведенной выше схеме имеется один критический недостаток. Прежде чем читать дальше, попытайтесь понять, что же неверно в данном варианте протокола.

Чтобы разобраться, что может пойти не так, вспомните, что цель канального уровня заключается в предоставлении безошибочной прозрачной связи между двумя процессами сетевого уровня. Сетевой уровень устройства A передает серию пакетов своему канальному уровню, который должен обеспечить доставку идентичной серии пакетов сетевому уровню устройства B его канальным уровнем. В частности, сетевой уровень B не может распознать потерю или дублирование пакета, поэтому канальный уровень должен гарантировать, что повтора не произойдет ни при каких обстоятельствах.

Рассмотрим следующий сценарий.

1. Сетевой уровень устройства A передает пакет 1 своему канальному уровню. Пакет доставляется в целости на устройство B и передается его сетевому уровню. B посылает фрейм подтверждения обратно на A.

2. Фрейм подтверждения полностью теряется в канале связи. Он просто не попадает на устройство A. Все было бы намного проще, если бы терялись только информационные, но не управляющие фреймы, но, к сожалению, канал связи не способен их различать.

3. У канального уровня устройства A внезапно истекает отведенный интервал времени. Не получив подтверждения, оно предполагает, что отправленный им фрейм с данными был поврежден или потерян, и посылает его еще раз.

4. Дубликат фрейма в целости прибывает на канальный уровень B и передается на сетевой уровень. В итоге часть файла, переданного с A на B, дублируется. Копия файла на устройстве B будет неверной, и ошибка не будет обнаружена, другими словами, протокол даст сбой.

Разумеется, необходим некий механизм, с помощью которого получатель смог бы различать новые фреймы и переданные повторно. Наиболее очевидное решение — нумерация фреймов. Отправитель указывает порядковый номер фрейма в его заголовке. Благодаря этому принимающее устройство отличает новый фрейм от дубликата, который необходимо проигнорировать.

Необходимо, чтобы протокол выполнялся без ошибок, а нумерация не занимала много места в заголовке фрейма, поскольку соединение должно использоваться эффективно. Возникает вопрос: каково минимальное количество битов, достаточное для порядкового номера фрейма? В зависимости от протокола можно выделить один или несколько битов (или байтов). Важно, чтобы номера были достаточно большими для правильной работы протокола, иначе он будет бесполезен.

Единственная неопределенность в данном протоколе может возникнуть между фреймом m и следующим за ним фреймом m + 1. Если m потерян или поврежден, получатель не подтвердит его и отправитель повторит передачу. Когда он будет успешно принят, получатель отправит подтверждение. Именно здесь находится источник потенциальной проблемы. В зависимости от наличия подтверждения