На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


лабораторная работа Изучение протоколов 2-го, канального уровня OSI модели, оперирующих кадрами. Оценка эффективности использования протоколов в каналах с различными техническими характеристиками. Условия рационального применения тех или иных версий канальных протоколов.

Информация:

Тип работы: лабораторная работа. Предмет: Схемотехника. Добавлен: 06.07.2009. Сдан: 2009. Уникальность по antiplagiat.ru: --.

Описание (план):


1
2
Кафедра: «Автоматика и информационные технологии»
Лабораторная работа
"ИССЛЕДОВАНИЕ КАНАЛЬНЫХ ПРОТОКОЛОВ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ"

Введение

Уровневая архитектура и принцип функциональной модульности - основа построения современных сложных технических систем. Организация системы с разбиением ее на иерархически подчиненные функциональные уровни, каждый из которых не обязан знать детали внутреннего устройства других уровней, представляя их себе в виде «черного ящика» с известными лишь входными и выходными сигналами, зарекомендовала себя в мировой практике как рациональная и облегчающая процесс проектирования, реализации и эксплуатации систем. Известно, что применительно к сетям передачи данных, этот принцип получил статус международного стандарта, краеугольным камнем которого является «Эталонная модель взаимодействия открытых систем» (ЭМ_ВОС, OSI - Open Systems Interconnection) (стандарт ISO_7498, 1978 г.; стандарт МККТТ (ITU-T) Х.200)
1. Предмет и задачи исследования

Предметом исследования в данной лабораторной работе являются протоколы 2-го, канального уровня OSI_модели, которые оперирует кадрами. От верхних функциональных уровней стороны_отправителя на канальный уровень поступает сообщение, представляющее собой «пакет данных» источника, который подвергается кадрированию. Стандартная структура кадра - это заголовок, собственно данные и концевик. Концевик канального уровня, как правило, представляет собой контрольные биты CRC циклического кода (Cyclic Redundancy Check).
На приемной стороне канальный уровень разбирает кадр и передает на более высокий уровень только само сообщение Терминология, вытекающая из OSI-модели, структурно не очень проста и не всегда тщательно соблюдается на практике. Поскольку целью передачи являются пакеты данных, их, обычно, и имеют в виду в какие бы кадры на разных этапах в процессе преобразований они ни облекались. Несмотря на то, что при исследовании протоколов корректнее пользоваться термином «кадр j-уровня», в ряде случаев приходится употреблять термин «пакет данных» (см. ниже, например, пользовательский интерфейс модели)..
Задачей исследования является изучение протоколов как таковых, оценка их эффективности использования в каналах с различными техническими характеристиками, сопоставление оценок и формулирование условий рационального применения тех или иных версий канальных протоколов.
На эффективность влияет множество факторов. Чтобы их учесть, оценивая работу того или иного протокола в различных условиях реальной сети, нужно затратить много времени. Кроме того, нужно располагать инструментарием для проведения длительных экспериментов, не говоря уже об административном доступе к каналам для этих целей. Этот способ исследования наиболее затратный и трудоемкий. Помочь в решении этой задачи может только компьютерное моделирование.
2. Два подхода к организации каналов в сетевых системах передачи

Первая стратегия характерна для систем с так называемым предварительным установлением соединения, когда между двумя корреспондирующими устройствами устанавливается (и поддерживается в течение сеанса обмена данными) постоянный тракт (преобразований сигналов и его продвижения в направлении к получателю), а все кадры в одной сессии обмена проходят в сети по этому тракту по одному маршруту последовательно друг за другом. В этой же естественной последовательности они оказываются и у получателя. При этом стандартные протоколы канального уровня, как правило, используют помехоустойчивое кодирование для обнаружения ошибок в кадре. Естественно, что задача состоит не только в обнаружении ошибок, но и в выполнении необходимых действий для ее нейтрализации. После обнаружения ошибок на приемной стороне может быть, по крайней мере, два варианта дальнейших протокольных действий:
1). Либо как-то дать знать об этом передающей стороне, тем самым инициировав повторную передачу кадра (как принято говорить, «обработав ошибку» на канальном уровне);
2). Либо пропустить кадр с ошибкой на более высокий уровень, предварительно «пометив» его. В этом случае обязанность обработать ошибку должен принять на себя более высокий уровень системы.
При этом, из-за возможных повторных (быть может, многократных) передач искаженных кадров, время доставки кадра, вообще говоря, становится величиной случайной. Протоколы данного класса, когда приемная сторона сообщает передающей, что видит ошибки в поступившем кадре, называются протоколами с решающей обратной связью (решение о верности кадра возлагается на приемную сторону).
Вторая стратегия свойственна так называемому дэйтаграммному режиму работы системы передачи данных, когда предварительное соединение корреспондентов не устанавливается, а передатчик отправляет кадры в сеть, не сообразуясь с ситуацией у получателя (свободен, занят, работоспособен или нет) и в системе в целом. При этом разные дэйтаграммы Дэйтаграмма (от английского datagram) - тот же кадр и пакет данных, который, однако, преодолевает сеть совсем иначе, под управлением других протоколов могут идти разными маршрутами, с разной временной задержкой в сети. Прядок поступления дэйтаграмм к получателю становится случайным («раньше отправлена - позже поступила»). Собрать все дэйтаграммы в одно упорядоченное целое является задачей 4_го, транспортного уровня стороны_получателя. В таком режиме канальный уровень не отвечает за организацию обратной связи и вообще за обеспечение верности кадра Обратную связь в этом случае организует транспортный уровень приемной стороны. Таков, например широко используемы протокол ТСР (его неизменный спутник - протокол IP занимается передачей дэйтаграмм)..
3. Протоколы канального уровня

На протокол канального уровня, обычно, возлагаются функции перемещения пакета данных в точку расположения приемника и обеспечения его верности. Можно отметить, что канальный уровень не является единственным, который несет ответственность за верность переданного пакета данных. На практике все уровни OSI_модели вплоть до прикладного в той или иной мере занимаются обеспечением верности данных своими средствами.
Другой группой функций канального уровня эталонной модели является управление доступом к среде в «многоточечных» соединениях Эти функции являются отдельной темой и не рассматриваются в данной лабораторной работе. Однако стоит отметить, что их выделяют в отдельный подуровень (УДС) канального уровня, а протоколы, рассматриваемые в лабораторной работе, относят к подуровню «управления линией передачи данных» (УЛПД). Протоколы канального уровня могут быть расклассифицированы следующим образом.
1). Протоколы многократной передачи, т.е. многократного повторения одного и того же кадра стороной_отправителем с мажоритарной системой (по принципу голосования) принятия решения о наличии ошибок на стороне получателя. Дополнительно они могут быть разделены на протоколы с голосованием по поводу каждого бита или по поводу каждого кадра (кодового слова) в целом. Эти протоколы не требуют обязательного использования сигнальной избыточности в форме помехоустойчивого кодирования.
2). Протоколы с использованием однократной передачи кадра, закодированного помехоустойчивым кодом, с прямым исправлением ошибок средствами декодера приемного пункта.
3). Протоколы с обратной связью. Различают решающую и информационную обратную связь. В протоколах с решающей обратной связью (РОС) используются кодированные сигналы, позволяющие обнаруживать ошибки средствами декодера на приемной стороне. В случае обнаружения ошибок передающему модулю по обратному каналу передается запрос на повторную передачу кадра. Это важнейший протокольный акт в деле «продвижения кадра» в сторону получателя и обеспечения верности приема этого кадра. Протоколы с РОС называют также протоколами ARQ (Automatic Repeat Request - автоматический запрос на повторение).
4). Четвертый метод называется протоколом с информационной обратной связью (ИОС), или с «эхо-сигналом». Согласно этому методу, передающий модуль сохраняет копию передаваемого пакета в своем буфере. Принимающий модуль помещает полученный кадр в буфер приемника и транслирует его обратно отправителю, который сравнивает полученный им обратно кадр с кадром, хранящимся в буфере передачи. Если кадры совпадают, то считается, что пакет, содержащийся в буфере приемника, не содержит ошибок. Протоколы ИОС не обязательно должны использовать помехоустойчивое кодирование для обеспечения верности, так как ответственность за верность лежит на передающей стороне, которая располагает достоверным знанием о передаваемых данных.
Естественно, что применение метода многократной передачи не исключает в принципе попутного использования и механизма обратных связей, но такие версии протокола, обычно, малоэффективны и не находят сколько-нибудь широкого применения.
В обоих подходах (с обратными связями и без них) протокол канального уровня, стремясь обнаружить и (или) исправить ошибки, требует внесения, кроме сигнальной (битовой) избыточности (при помехоустойчивом кодировании), еще и протокольной избыточности Назовем неизбыточным протокол, который сводится к однократной передаче сигнала в одном направлении..
В данной лабораторной работе исследуются варианты протоколов с обратной связью. Они должны быть рассмотрены здесь более подробно.
3.1 Канальные протоколы ARQ (РОС)
При рассмотрении протоколов ARQ будем полагать, что пакеты данных передаются от станции-отправителя A к станции-получателю B. Между этими пунктами существуют два канала - прямой AB и обратный AB. Кадры данных (AB) и технологические (AB) защищаются избыточным циклическим кодированием (CRC). На обеих сторонах производится обнаружение ошибок в пакетах.
3.1.1 ARQ с остановкой и ожиданием (SAW - Stay And Wait)
Самая простая версия протокола с повторной передачей называется протоколом с остановкой и ожиданием. Основная идея протокола состоит в том, что передающий модуль, отправив кадр, останавливается и ожидает реакции приемной стороны. Передатчик не отправит следующий пакет данных (кадр) до тех пар, пока в той или иной форме не состоится подтверждение верности. Используется термин «извещение», или «квитанция» ACK (acknowledge), если ошибки не зафиксированы или NAK (negative acknowledge), если кадр принят с ошибками.
Этот протокол требует минимального объема буферной памяти: для одного пакета на стороне передатчика A и для пакета на стороне приемника B.
Существенную роль играет тайм-аут Тож, точнее сказать, те протокольные действия, которые предпринимаются в случае отсутствия реакции приемной стороны в течение расчетного времени. Типичное решение заключается в том, что по истечении тайм-аута ситуация приравнивается к поступлению NAK. Такое решение приемлемо, если время доставки пакетов в канале (в сети) - величина постоянная.
Протокол может повести себя некорректно, если пакеты данных или сообщения ACK/NAK задерживаются в каналах на случайное время. Как сам кадр, так и ACK или NAK могут быть потеряны. Такая потеря может произойти в результате сбоя, нештатной ситуации или просто длительного ожидания в очереди на обслуживание в памяти какого-либо коммутационного узла в разветвленной сети с маршрутизаторами. Если по истечении тайм-аута ситуация приравнивается к поступлению NAK, то повторная передача пакета данных может привести к дублированию пакета данных на приемной стороне. В поток пакетов происходит «вставка пакета», т.е. своеобразное искажение передаваемых данных.
Эти явления - следствие обезличенности сообщений ACK и NAK.
3.1.2 ARQ с возвратом на n шагов назад (GBn - Go Back n)
Для предупреждения подобных ситуаций должна использоваться нумерация пакетов. Вместе с каждым кадром передается уникальный порядковый номер (ПН) содержащегося в нем пакета. Нумерация (идентификация) пакетов в протокольном отношении оказывается непростой задачей. Простая, бесхитростная возрастающая (или убывающая) нумерация в потоке кадров оказывается неприемлемой. См., например, [1]. Станция-получатель B хранит номер последнего пакета, поступившего без ошибок и аннулирует все вновь поступающие кадры, если ранее она их уже получила без ошибок, т.е. игнорирует дубликаты.
Протокол отправляет очередные кадры данных сразу вслед за первым, не дожидаясь, пока придет подтверждение в надежде, что «все обойдется», ведь вероятность получить кадр с ошибками, обычно, меньше, чем без ошибок. Станция-отправитель производит посылку серии из n кадров, считая от последнего пакета, получившего подтверждение верности. Все посланные, но не подтвержденные кадры должны оставаться в буфере передатчика с тем, чтобы быть извлеченными для цели повторной передачи, если придет отрицательное подтверждение (или быть удаленными, если подтверждение будет положительным).
Естественно, как и прежде, сторона_получатель должна тем или иным способом подтвердить верность всех пакетов потока. По-прежнему, если подтверждение на какой-либо кадр отрицательно, кадр должен быть повторно передан.
Существует две стратегии повтора:
а) повторить группу кадров, начиная с того, на который не поступило сообщение ACK;
б) повторить выборочно только те кадры из последовательности длиной n, в которых декодером были обнаружены ошибки.
Протокол ARQ с возвратом на n шагов назад является примером протокола, в котором используется метод непрерывной передачи с обработкой ошибочной передачи кадра по варианту (а), «с возвратом».
Использование обратного канала исключительно для посылки подтверждений - это частный случай. Более общий случай заключается в том, что данные между пунктами А и В передаются (или могут передаваться) в обоих направлениях. Тогда по обратному каналу Понятия «прямой» и «обратный канал» получают уже только протокольный смысл. Один и тот же физический тракт выступает то в роли прямого, то обратного канала. также идет и поток пакетов данных от станции B к A. В этом случае нумерованное подтверждение посылается в специально выделенном битовом поле заголовка пакетов данных обратного направления (а не в форме специализированного кадра).
Сообщение о верности пакета приобретает новый смысл: любой из корреспондирующих пунктов (А и В), отправляя пакет данных, в заголовке кадра указывает номер пакета (НП) и номер ожидаемого пакета данных от противоположной стороны (не очень удачно называемый в стандартах «номером запроса» - НЗ). Нумерация пакетов в сеансе должна начинаться с нуля. Номер запроса - это свидетельство для удаленной стороны, что все пакеты с меньшими номерами успешно достигли пункта назначения (ошибки в них не зафиксированы). Если передающая сторона к моменту получения НЗ не исчерпала регламент на передачу подряд n пакетов, то она должна перенести начало отсчета регламента на точку (НЗ_1) в потоке отправляемых пакетов и тем самым снова приобрести возможность передавать без подтверждения еще n пакетов подряд. Если к моменту получения НЗ передающая сторона исчерпала регламент, то протокол должен будет для повторной передачи пакетов совершить «откат назад», но на величину не более n пакетов. Так возникает понятие «скользящего окна из n пакетов», а протоколы ARQ в такой реализации называют протоколами ARQ со скользящим окном пакетов.
Если интенсивность искажения пакетов мала, то число безостановочно передаваемых пакетов может быть весьма большим. Эффективность использования пропускной способности каналов с таким протоколом может быть весьма высокой.
Отправленные, но еще неподтвержденные пакеты, остаются в буферной памяти станции-отправителя. Протокол ARQ с возвратом на n шагов назад требует буферной памяти не менее, чем на n пакетов на стороне отправителя A и на один пакет на стороне получателя B. Вспомним только, что каждый из пунктов может выступать в роли как отправителя, так и получателя данных.
Можно заметить также, что протокол с остановкой и ожиданием похож на протокол с возвратом на 1 шаг назад, т.е. является частным вырожденным случаем рассматриваемого протокола, но с другой формой подтверждения верности (ACK и NAK).
Теперь отметим, что требуемый номер (как пакета, так и подтверждения) при работе с окном из n пакетов может принадлежать ограниченному множеству чисел {0, 1, 2… (n_1)}. На языке математики это может быть охарактеризовано как нумерация по mod m, причем m>n. Минимальный допустимый модуль равен n+1.
3.1.3 ARQ с выборочным повтором (SR - Selective Repeat)
Протокол ARQ с выборочным повтором также использует метод непрерывной передачи с окном на n кадров, но обработка ошибочной передачи происходит по стратегии (б) (см. выше).
Протокол ориентирован на дэйтаграммный режим, который не гарантирует поступления пакетов на приемный пункт в той же последовательности, в которой они отправлены передающим модулем. В этих условиях протокол с выборочным повтором избегает излишних повторных передач, но в этом протоколе не могут применяться нумерованные подтверждения в виде НЗ, т. к. номер запроса служит групповым подтверждением для пакетов с номерами, меньшими текущего НЗ. В протоколе же с выборочным повтором каждое подтверждение должно быть строго индивидуально сопоставлено своему пакету. Пакеты должны нумероваться по модулю, но модуль m должен здесь выбираться, исходя из условия m>2n.
Для работы протокола как на передающей, так и на приемной стороне необходима буферная память не менее, чем на n пакетов. Буфер на приемной стороне необходим, т. к. пакеты, которые поступают к ней в случайной последовательности, могут быть предъявлены получателю (как нечто цельное) не раньше, чем будут приняты безошибочными все пакеты из n (включая и повторно присланные) и все пакеты будут упорядочены в памяти приемного пункта. Такая сортировка пакетов необходима, т. к. в общем случае набор пакетов составляет единое целое, и предъявление данных получателю с переставленными пакетами недопустимо.

3.2 Канальные протоколы ИОС

3.2.1 «Эхо» с ретрансляцией по обратному каналу всего кадра (Эхо1)

Пусть при передаче пакетов из пункта А в пункт B к структуре кадра не предъявлено никаких требований в отношении обнаружения или исправления ошибок (нет избыточных бит). При отправлении пакета данных в прямой канал копия пакета остается в буфере передатчика А. Принимающий модуль В помещает пакет в буфер приемника (без какого-либо анализа) и тут же транслирует его по обратному каналу в сторону отправителя А. Трансляция пакета по обратному каналу может начинаться (если позволяют технические средства) не дожидаясь завершения приема кадра по прямому каналу, т.е. не дожидаясь прихода последнего бита. Если кадры имеют достаточно большую длину, это может ощутимо уменьшить потери времени в протокольном цикле. Сторона_отправитель A производит сравнение пакета, хранимого в буфере передачи, с пакетом, поступившим по обратному каналу. Если сопоставление не выявило расхождений, то считается, что в памяти приемного пункта В находится неискаженный пакет данных и можно передавать следующий пакет. Если же сопоставление выявило расхождение, то считается, что пакет в пункте B ошибочный, и передача такого пакета дублируется.

Протокол «ошибается» (пропускает ошибку) только тогда, когда оба кадра, прямой и обратный, искажаются ошибкой одинаковой конфигурации. Во всех других случаях ошибка будет обнаружена.

3.2.2 «Эхо» с ретрансляцией контрольных бит CRC (Эхо2)

Чаще используется другая разновидность этого протокола: оправляемые в прямой канал пакеты данных в передающем модуле кодируются помехоустойчивым циклическим кодом, контрольные биты CRC сохраняются в буфере, а в канал отправляются только биты данных. На приемной стороне пакет данных сохраняется в буфере и тоже кодируется. Сформированные биты CRC отправляются по обратному каналу передающему модулю А. Производится сравнение контрольных бит. На основании этого сравнения делается вывод о верности пакета в буфере приемника пункта B.

Простейшим вариантом работы модуля-отправителя является отправление пакета по прямому каналу и ожидание, пока по обратному каналу не придут его контрольные биты (аналогично алгоритму ARQ с остановкой и ожиданием). Однако может использоваться, так же, как в протоколах с РОС, и метод непрерывной передачи пакетов с сопутствующей нумерацией, механизмом «окна» и всеми вытекающими протокольными действиями. Это же относится и к предыдущему протоколу с ретрансляцией всего кадра данных.

Незамеченные ошибки могут возникнуть в двух случаях:

- во-первых, при таком искажении кадра, которому не сопутствует изменение контрольной суммы, т.е. когда содержимое кадра исказилось, но таким образом, что вновь вычисленные контрольные биты совпадают с контрольными битами, вычисленными для прежнего (неискаженного) кадра. Это возможно, т.к. мощность множества различных двоичных последовательностей данных (пакетов) много больше мощности множества последовательностей CRC и, следовательно, одна и та же последовательность CRC может быть порождена несколькими последовательностями данных.

- во-вторых, когда кадр искажен в прямом канале, на приемной стороне получено свое значение CRC, которое при передаче по обратному каналу подверглось такому искажению, что совпало с CRC передатчика, отображающим отправленный (неискаженный) пакет.

4. Эффективность протоколов с обратной связью

Как следует из рис. 1, в отсутствие ошибок в каналах время передачи пакета данных под управлением рассматриваемого протокола равно длительности протокольного цикла Тпц. Как уже было отмечено, в этом времени цикла можно выделить долю «полезного», «чистого» времени, связанного с транспортировкой бит данных, и есть время, которое должно быть отнесено к «накладным расходам», обусловленным особенностями протокола.

Если ошибки в сигналах на физическом уровне не исключены, то передача одного пакета данных может потребовать двух протокольных циклов или трех или еще большего их числа. Следовательно, в общем случае в рассматриваемом протоколе время доставки пакета данных (без замеченных на приемной стороне ошибок) есть величина случайная.

Принимая это во внимание, эффективность протокола обычно, предлагается оценивать показателем, похожим на понятие КПД в технике, который отражает влияние различных факторов, действующих в системе передачи

Если имеется возможность наблюдать процесс передачи данных достаточно длительное время, численное значение U можно найти экспериментально:

, (1)

где Tпередачи - суммарное время, в течение которого станция_отправитель передает в канал кадры данных.

Tобщее - общее время, затраченное на передачу, включает Tпередачи плюс время, затраченное на обработку, ожидание, повторные передачи кадров и прочие накладные расходы.

4.1 Эффективность протокола ARQ-SAW

Проследим влияние на эффективность различных параметров.

Протокольный цикл в данном случае включает (см. рис. 1)

Tпц=2Tз+Tпк+TпACK+Tок+TоACK (2)

Здесь:

Tпк - время передачи кадра данных в прямой канал (пропорционально длине кадра и тактовому интервалу);

TпACK - время передачи извещения ACK или NAK (пропорционально длине извещения и тактовому интервалу в обратном канале);

Tз - задержка из-за конечного времени распространения сигнала в физической среде (считается, что она одинакова в прямом и обратном каналах);

Tок - интервал «обработки» кадра декодером прямого канала;

TоACK - интервал обработки извещения декодером обратного канала.

Из формулы и рис. 1 видно, что накладные расходы времени в пределах одного протокольного цикла могут быть весьма различными в зависимости от «игры параметров» в тех или иных конкретных условиях. Например, если с малой скоростью передаются длинные кадры данных, возможно, что исследователь сочтет возможным пренебречь величинами TпACK, Tок и TоACK. Приняв это допущение и временно предположив отсутствие ошибок в кадрах (никакой кадр не передается дважды), получим эффективность

. (3)

Если снять допущение о безошибочных кадрах (пусть вероятность ошибки в кадре равна Pк), то каждый кадр будет передаваться в среднем не 1 раз, а Nп раз (из-за повторных передач), причем

Nп=. (4)

Поэтому эффективность снизится в Nп раз:

, (5)

Одним из факторов, влияющим в данном случае на величину U является интенсивность ошибок в опознавании бит на физическом уровне. С увеличением вероятности происхождения ошибки снижается эффективность протокола, т. к. происходит больше повторных передач.

Из приведенных формул видно, что эффективность U зависит также от отношения (Tз)/Tпк. Если (Tз)/Tпк<<1 (задержка невелика по сравнению с длиной кадра, выраженной в единицах времени), то эффективность скорее всего будет близка к единице.

Вышесказанное относится к простейшему протоколу с автоматическим запросом на повторение.
4.2 Эффективность протоколов ARQ-GBn

Более сложны рассуждения для протокола с возвратом на n шагов назад. Его эффективность будет зависеть еще и от параметра n.
Допустим, ошибок в кадрах не происходит. Пусть также окно достаточно широкое, а время задержки достаточно мало:
2Tз<nTпк (6)
Допуст и т.д.................


Перейти к полному тексту работы



Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.