Моделирование протокола передачи данных HDLC

Размещено на http://www.allbest.ru/

УЗБЕКСКОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

на тему МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОТОКОЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ HDLC

Выпускник Абдуллаев А.Н.

Руководитель Нурматова С.Б.

Ташкент 2012

Оглавление

информационный сеть имитационный моделирование

Введение

1. Сети и каналы передачи информации

1.1 Характеристики и классификация информационных сетей

1.2 Многоуровневая архитектура информационных сетей

1.3 Разновидности каналов связи

Выводы

2. Обзор протокола HDLC

2.1 Понятие протокола канального уровня

2.2 Типы, логические состояния и режимы работы станций

2.3 Управление потоком

2.4 Формат кадра HDLC

2.5 Управляющее поле HDLC

2.6 Процессы передачи в протоколе HDLC

2.7 Подмножества HDLC

Выводы

3. Имитационное моделирование протокола HDLC

3.1 Выбор языка программирования

3.2. Описание команд и ответов

3.3 Описание алгоритма

3.4 Системные параметры Т1, N2, N1, K и рекомендации по их установке

3.5 Листинг программы

Выводы

4. Безопасность жизнедеятельности

4.1 Гиподинамия и их влияние на организм человека

4.2. Пожарная безопасность на предприятиях

Заключение

Использованная литература

Введение

Повсеместная разработка и внедрение новых информационных и инновационных технологий во все сферы и отрасли жизнедеятельности и рост потребностей в комплексной автоматизации организаций, предприятии и фирм обуславливает резкое возрастание объемов работ по созданию и внедрению систем обработки данных к качеству и эффективности которых предъявляются все более высокие требования. Разработка формализованных моделей и методов оптимального синтеза программного и информационного обеспечения модульных систем обработки данных, автоматизация технического проектирования оптимальных по заданным критериям систем обработки данных значительно повышает эффективность и качество создаваемых систем.

В качестве стандарта для протоколов канального уровня организацией ISO рекомендуется протокол HDLC (High Level Data Link Control). Он получил в мире телекоммуникаций чрезвычайно широкое распространение. На основе протокола HDLC разработано множество других, являющихся по своей сути некоторой адаптацией и упрощением ряда его возможностей по отношению к конкретной области применения. К такому подмножеству HDLC относятся часто используемые протоколы SDLC (Synchronous Data Link Control), LAP (Link Access Procedure), LAPB (Link Access Procedure Balanced), LAPD (Link Access Procedure D-channel), LAPM (Link Access Procedure for Modems), LLC (Logical Link Network), LAPX (Link Access Procedure eXtention) и ряд других. Например, протоколы LAPB и LAPD применяются в цифровых сетях ISDN (Integrated Services Digital Network), LAPM является базовым для стандарта коррекции ошибок V.42, LAPX является полудуплексным вариантом HDLC и используется в терминальных сетях и системах, работающих в стандарте Teletex, а протокол LLC (Link Logic Control) реализован практически во всех сетях с множественным доступом (например, в беспроводных локальных сетях).

1. Сети и каналы передачи информации

1.1 Характеристики и классификация информационных сетей

Современные телекоммуникационные технологии основаны на использовании информационных сетей.

Коммуникационная cеть - система, состоящая из объектов, осуществляющих функции генерации, преобразования, хранения и потребления продукта, называемых пунктами (узлами) сети и линий передачи (связей, коммуникаций, соединений), осуществляющих передачу продукта между пунктами.

Отличительная особенность коммуникационной сети - большие расстояния между пунктами по сравнению с геометрическими размерами участков пространства, занимаемых пунктами. При функциональном проектировании сетей решаются задачи синтеза топологии, распределения информации по узлам сети, а при конструкторском проектировании выполняются размещение пунктов в пространстве и проведение (трассировка) соединений.

Информационная сеть - коммуникационная сеть, в которой продуктом генерирования, переработки, хранения и использования является информация.

Вычислительная сеть - информационная сеть, в состав которой входит вычислительное оборудование. Компонентами вычислительной сети могут быть ЭВМ и периферийные устройства, являющиеся источниками и приемниками данных, передаваемых по сети. Эти компоненты составляют оконечное оборудование данных (ООД или DTE - Data Terminal Equipment). В качестве ООД могут выступать ЭВМ, принтеры, плоттеры и другое вычислительное, измерительное и исполнительное оборудование автоматических и автоматизированных систем. Собственно пересылка данных происходит с помощью сред и средств, объединяемых под названием среда передачи данных.

Подготовка данных, передаваемых или получаемых ООД от среды передачи данных, осуществляется функциональным блоком, называемым аппаратурой окончания канала данных (АКД или DCE -Data Circuit-Terminating Equipment). АКД может быть конструктивно отдельным или встроенным в ООД блоком. ООД и АКД вместе представляют собой станцию данных, которую часто называют узлом сети. Примером АКД может служить модем. Вычислительные сети классифицируются по ряду признаков.

В зависимости от расстояний между связываемыми узлами различают вычислительные сети:

-территориальные - охватывающие значительное географическое пространство; среди территориальных сетей можно выделить сети региональные и глобальные, имеющие соответственно региональные или глобальные масштабы; региональные сети иногда называют сетями MAN (Metropolitan Area Network), а общее англоязычное название для территориальных сетей - WAN (Wide Area Network); -локальные (ЛВС) - охватывающие ограниченную территорию (обычно в пределах удаленности станций не более чем на несколько десятков или сотен метров друг от друга, реже на 1...2 км); локальные сети обозначают LAN (Local Area Network);

-корпоративные (масштаба предприятия) - совокупность связанных между собой ЛВС, охватывающих территорию, на которой размещено одно предприятие или учреждение в одном или нескольких близко расположенных зданиях. Локальные и корпоративные вычислительные сети - основной вид вычислительных сетей, используемых в системах автоматизированного проектирования (САПР).

Особо выделяют единственную в своем роде глобальную сеть Internet (реализованная в ней информационная служба World Wide Web (WWW) переводится на русский язык как всемирная паутина); это сеть сетей со своей технологией. В Internet существует понятие интрасетей (Intranet) - корпоративных сетей в рамках Internet.

Различают интегрированные сети, не интегрированные сети и подсети. Интегрированная вычислительная сеть (интерсеть) представляет собой взаимосвязанную совокупность многих вычислительных сетей, которые в интерсети называются подсетями.

В автоматизированных системах крупных предприятий подсети включают вычислительные средства отдельных проектных подразделений. Интерсети нужны для объединения таких подсетей, а также для объединения технических средств автоматизированных систем проектирования и производства в единую систему комплексной автоматизации (CIM - Computer Integrated Manufacturing). Обычно интерсети приспособлены для различных видов связи: телефонии, электронной почты, передачи видеоинформации, цифровых данных и т.п., и в этом случае они называются сетями интегрального обслуживания. Развитие интерсетей заключается в разработке средств сопряжения разнородных подсетей и стандартов для построения подсетей, изначально приспособленных к сопряжению. Подсети в интерсетях объединяются в соответствии с выбранной топологией с помощью блоков взаимодействия.

1.2 Многоуровневая архитектура информационных сетей

Первые информационные сети были телефонные. Но с изобретением компьютера в телефонах стали использовать элементы ЭВМ (память, компьютерный интеллект), а в вычислительной технике поняли важность построения сетей, давно применявшихся для телефонной связи. Конечная цель всех этих нововведений - доставка информации любому корреспонденту по требуемому адресу и в надлежащее время.

В течение длительного периода процесс развития связи ЭВМ шел по пути создания и применения систем передачи данных по телефонным сетям общего пользования. Лишь когда обмен цифровой информацией достиг внушительных размеров, экономически целесообразным оказалось сооружение специализированных сетей передачи данных с коммутацией каналов и коммутацией пакетов.

В настоящее время по всему миру развернуты тысячи таких сетей, предоставляющие своим пользователям возможности связываться друг с другом. Размеры таких сетей простираются от небольших систем, соединяющих терминалы передачи данных в пределах отдельного здания или комплекса (например, промышленное предприятие), до больших географически распределенных сетей, охватывающих целые страны и даже весь земной шар.

В некоторых сетях применяется техника коммутации пакетов. В таких сетях от источника к получателю передаются блоки данных, называемые пакетами. Источниками и получателями могут быть терминалы пользователей, компьютеры, принтеры или любые другие устройства передачи и/или обработки данных. При таком способе передачи одни и те же средства передачи информации разделяются между пакетами многих пользователей.

В сетях другого типа применяется техника коммутации каналов (цепей). Это широко распространённые и привычные нам телефонные сети. В таких сетях устанавливается отдельный путь передачи, который удерживается столько времени, сколько требуется для передачи. В настоящее время развертываются интегральные сети, объединяющие в себе как технику коммутации пакетов, так и технику коммутации каналов. В общем случае для функционирования сетей ЭВМ необходимо решить две проблемы:

передать данные по назначению в правильном виде и своевременно;

поступившие по назначению данные пользователю должны быть распознаваемы и иметь надлежащую форму для их правильного использования.

Первая проблема связана с задачами маршрутизации и обеспечивается сетевыми протоколами (протоколами низкого уровня). Вторая проблема вызвана использованием в сетях разных типов ЭВМ, с разными кодами и синтаксисом языка. Эта часть проблемы решается путем введения протоколов высокого уровня. Таким образом, полная архитектура, ориентированная на оконечного пользователя, включает в себя оба протокола. В качестве примера на рис. 1.1 приведена схема связи между пользователями A и B. К промежуточному узлу связи могут быть подключены оконечные пользователи, и его задачей протоколов является предоставление оконечным пользователям соответствующих услуг. В свою очередь, это две группы протоколов: протоколы, предоставляющие сетевые услуги, и протоколы высокого уровня обычно подразделяются дальше на отдельные уровни. Каждый уровень используется для предоставления определенной услуги в смысле только что перечисленных задач: правильная и своевременная доставка данных в распознаваемой форме.

Рис. 1.1 Схема связи

Разработанная эталонная модель взаимодействия открытых систем (ВОС) поддерживает концепцию, при которой каждый уровень предоставляет услуги вышестоящему уровню и базируется на основе нижележащего уровня и использует его услуги. Каждый уровень выполняет определенную функцию по передачи данных. Хотя они должны работать в строгой очередности, но каждый из уровней допускает несколько вариантов. Рассмотрим эталонную модель. Она состоит из 7 уровней и имеет вид, представленный на рис. 1.2.

Большинство производителей стараются придерживаться модели OSI, но до сих пор пока нет изделий полностью ей удовлетворяющих. Большинство производителей применяют 3 или 4 уровня протоколов. Взаимосвязь уровней друг с другом осуществляются хорошо определенными интерфейсами.

Выбор 7 уровней был продиктован обычными соображениями инженерного компромисса, требующего одновременно создать семейство надёжных протоколов и приемлемой стоимости. При этом требовалось, во-первых, иметь достаточно количество уровней, чтобы каждый из них был не слишком сложный с точки зрения разработки подробных протоколов с правильными и выполнимыми спецификациями, и во-вторых, желательно иметь не много уровней, чтобы их интеграция и описание не стали слишком сложными.

Эталонная модель как раз и представляет из себя многоуровневую архитектуру, которая описывается стандартными протоколами и процедурами. Три нижних уровня предоставляют сетевые услуги. Протоколы, реализующие эти уровни, должны быть предусмотрены в каждом узле сети. Четыре верхних уровня предоставляют услуги самим оконечным пользователям и таким образом, связаны с ними, а не с сетью.



Рис. 1.2 Эталонная модель OSI

Физический уровень

В этой части модели определяются физические, механические и электрические характеристики линий связи, составляющих ЛВС (кабелей, разъемов, оптоволоконных линий и т.п.). Можно считать, что этот уровень отвечает за аппаратное обеспечение. Хотя функции других уровней могут быть реализованы в соответствующих микросхемах, но все же они относятся к ПО. Функции физического уровня заключаются в гарантии того, что символы, поступающие в физическую среду передачи на одном конце канала, достигнут другого конца. При использовании этой нижестоящей услуги по транспортировке символов задача протокола канала состоит в обеспечении надежной (безошибочной) передаче блоков данных по каналу.

Такие блоки часто называют циклами, или кадрами. Процедура обычно требует: синхронизации по первому символу в кадре, распознавания конца кадра, обнаружения ошибочных символов, если таковые возникнут, и исправления таких символов каким-либо способом (обычно это делается путем запроса на повторную передачу кадра, в котором обнаружены один или несколько ошибочных символов).

Уровень канала

Уровень канала передачи данных и находящийся под ним физический уровень обеспечивают канал безошибочной передачи между двумя узлами в сети. На этом уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети. Электрическое представление данных в ЛВС (биты данных, методы кодирования данных и маркеры) распознаются на этом и только на этом уровне. Здесь обнаруживаются (распознаются) и исправляются ошибки путем требований повторной передачи данных. Ввиду своей сложности, канальный уровень подразделяется на 2 подуровня МАС и LLC. Подуровень МАС (Media Access Control) связан с доступом к сети (передача маркера или обнаружение коллизий или столкновений) и ее управлением. Подуровень LLC находится выше уровня МАС и связан с передачей и приемом использованных сообщений.

Сетевой уровень

Функция сетевого уровня состоит в том, чтобы установить маршрут для передачи данных по сети или при необходимости через несколько сетей от узла передачи до узла назначения. Этот уровень предусматривает также управление потоком или перегрузками с целью предотвращения переполнения сетевых ресурсов (накопителей в узлах и каналов передачи), которое может привести к прекращению работы. При выполнении этих функций на сетевом уровне используется услуга нижестоящего уровня - канала передачи данных, обеспечивающего безошибочное поступление по сетевому маршруту блока данных, введенного в канал на противоположном конце. В сети с коммутацией пакетов блоками данных, передаваемых по сетевому маршруту от одного конца к другому, как говорилось выше, являются пакеты. Блоки или кадры данных, передаваемые по каналу связи через сеть, состоят из пакетов плюс управляющей информации в виде заголовков и окончаний, добавляемых к пакету непосредственно перед его отправлением из узла. Эта управляющая информация дает возможность принимающему узлу на другом конце канала выполнить требуемую синхронизацию и обнаружение ошибок. В каждом принимающем узле управляющая информация отделяется от остальной части пакета, а затем вновь добавляется, когда этот узел в свою очередь передает пакет по каналу в следующий соседний узел. Описанный принцип добавления управляющей информации к данным в архитектуре ВОС расширен и в нём включена возможность добавления управляющей информации на каждом уровне архитектуры (рис. 1.3 многоуровневую архитектуру) может быть легко изменена. В результате получается прозрачность для вышестоящего уровня при условии, что сигналы сопряжения, проходящие между уровнями, поддерживаются неизменными (оконечные пользователи могут ощущать изменение характеристик вследствие того, что характеристики передачи, задержек и блокировок могут зависеть от конкретной реализации архитектуры).

Таким образом, пакетная передача через сеть от одного оконечного пользователя к другому в общем случае состоит в передаче фактической (полезной) информации, плюс управляющей информации, добавляемой на различных уровнях и подлежащей удалению, когда пакет поступает по назначению и начинает восстанавливаться на своем пути через эти уровни.

Оконечному пользователю сеть представляется как “прозрачный трубопровод”, основная задача которого, - передать по маршруту блоки данных от источника к получателю, доставив их своевременно в желаемый конец. Тогда задача верхних уровней - фактическая доставка данных в правильном виде и распознаваемой форме. Эти верхние уровни не знают о существовании сети. Они обеспечивают только требующуюся от них услугу.

Транспортный уровень

Нижний из верхних уровней ВОС, транспортный уровень, обеспечивает надежный, последовательный обмен данными между двумя оконечными пользователями. Для этой цели на транспортном уровне используется услуга сетевого уровня.

Он управляет также потоком, чтобы гарантировать правильный прием блоков данных. Вследствие различия оконечных устройств, данные в системе могут передаваться с разными скоростями, поэтому, если не действует управление потоками, более медленные системы могут быть переполнены быстродействующими. Когда в процессе обработки находится больше одного пакета, транспортный уровень контролирует очередность прохождения компонент сообщения. Если приходит дубликат принятого ранее сообщения, то данный уровень опознает это и игнорирует сообщение.

Уровень сеанса

Функции этого уровня состоят в координации связи между двумя прикладными программами, работающих на разных рабочих станциях. Он также предоставляет услуги вышестоящему уровню представления. Это происходит в виде хорошо структурированного диалога. В число этих функций входит создание сеанса, управление передачей и приемом пакетов сообщений в течении сеанса и завершение сеанса. Этот уровень при необходимости также управляет переговорами, чтобы гарантировать правильный обмен данными.

Рис. 1.3 Многоуровневая архитектура

В случае уровня канала может быть добавлено также окончание, но принцип последовательного добавления к пакету данных управляющей информации сохраняется. На каждом уровне блок данных принимается от вышестоящего уровня, к данным добавляется управляющая информация, и блок данных передается нижестоящему уровню. На приемном конце соответствующего уровня архитектуры используется только заголовок (управляющая информация). При этом подходе данный уровень не “просматривает” блок данных, который он получает от вышестоящего уровня, следовательно, уровни самостоятельны и изолированы друг от друга.

Указанная особенность приводит к ценному свойству концепции многоуровневой архитектуры - уровни могут удаляться и заменяться новыми. Реализация (программные продукты, воплощающие пользователем сеансовой услуги (т.е. сторонами уровня представления и вышестоящим уровнем) может состоять из нормального или ускоренного обмена данными. Он может быть дуплексным, т.е. одновременной двусторонней передачей, когда каждая сторона имеет возможность независимо вести передачу, или полудуплексной, т.е. с одновременной передачей только в одну сторону. В последнем случае для передачи управления с одной стороны к другой применяются специальные метки.

Уровень сеанса предоставляет услугу синхронизации для преодоления любых обнаруженных ошибок. При этой услуге метки синхронизации должны вставляться в поток данных пользователями услуги сеанса. Если будет обнаружена ошибка, то сеансовое соединение должно быть возвращено в определённое состояние, пользователи должны вернуться в установленную точку диалогового потока, сбросить часть переданных данных и затем восстановит передачу, начиная с этой точки.

Уровень сеанса предусматривает также при желании функцию управления активностью. При осуществлении этой функции диалог может быть разбит на отрезки активности, каждый из которых может быть прерван и продолжен в любой момент, начиная со следующего отрезка активности.

Уровень представления

Наконец, уровень, представления управляет и преобразует синтаксис блоков данных, которыми обмениваются оконечные пользователи. Такая ситуация может возникать в неоднотипных ПК (IBM PC, Macintosh, DEC, Next, Burrogh), которым необходимо обмениваться данными. Назначение - преобразование синтаксических блоков данных.

Прикладной уровень

Протоколы прикладного уровня придают соответствующую семантику или смысл обмениваемой информации. Этот уровень является пограничным между ПП и процессами модели OSI. Сообщение, предназначенное для передачи через компьютерную сеть, попадает в модель OSI в данной точке, проходит через уровень 1 (физический), пересылается на другой PC, и проходит от уровня 1 в обратном порядке до достижения ПП на другом PC через ее прикладной уровень. Таким образом, прикладной уровень обеспечивает взаимопонимание двух прикладных программ на разных компьютерах.

1.3 Разновидности каналов связи

Среда передачи данных - совокупность линий передачи данных и блоков взаимодействия (т.е. сетевого оборудования, не входящего в станции данных), предназначенных для передачи данных между станциями данных. Среды передачи данных могут быть общего пользования или выделенными для конкретного пользователя.

Линия передачи данных - средства, которые используются в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении. Примерами линий передачи данных являются коаксиальный кабель, витая пара проводов, световод.

Характеристиками линий передачи данных являются зависимости затухания сигнала от частоты и расстояния. Затухание принято оценивать в децибеллах, 1 дБ = 10*lg(Pl/P2), где Р1 и Р2 - мощности сигнала на входе и выходе линии соответственно.

При заданной длине можно говорить о полосе пропускания (полосе частот) линии. Полоса пропускания связана со скоростью передачи информации. Различают бодовую (модуляционную) и информационную скорости. Бодовая скорость измеряется в бодах, т.е. числом изменений дискретного сигнала в единицу времени, а информационная - числом битов информации, переданных в единицу времени. Именно бодовая скорость определяется полосой пропускания линии.

Если на бодовом интервале (между соседними изменениями сигнала) передается N бит, то число градаций модулируемого параметра несущей равно 2^N. Например, при числе градаций 16 и скорости 1200 бод одному боду соответствует 4 бит/с и информационная скорость составит 4800 бит/с.

Максимально возможная информационная скорость V связана с полосой пропускания F канала связи формулой Хартли-Шеннона (предполагается, что одно изменение величины сигнала приходится на log₂k бит, где к - число возможных дискретных значений сигнала) V = 2-F-log₂k бит/с, так как V = log₂k/t, где t - длительность переходных процессов, приблизительно равная ЗТ_В а Т_В = 1/(2-р -F), здесь к / 1+А, А - отношение сигнал/помеха.

Канал (канал связи) - средства односторонней передачи данных. Примером канала может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами. Существуют два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплексирование (иначе разделение по времени или TDM), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM - Frequency Division Method), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.

Канал передачи данных - средства двустороннего обмена данными, включающие АКД и линию передачи данных.

По природе физической среды передачи данных (ПД) различают каналы передачи данных на оптических линиях связи, проводных (медных) линиях связи и беспроводные. В свою очередь, медные каналы могут быть представлены коаксиальными кабелями и витыми парами, а беспроводные - радио- и инфракрасными каналами.

В зависимости от способа представления информации электрическими сигналами различают аналоговые и цифровые каналы передачи данных. В аналоговых каналах для согласования параметров среды и сигналов применяют амплитудную, частотную, фазовую и квадратурно-амплитудную модуляции. В цифровых каналах для передачи данных используют самосинхронизирующиеся коды, а для передачи аналоговых сигналов - кодово-импульсную модуляцию.

Первые сети ПД были аналоговыми, поскольку использовали распространенные телефонные технологии. Но в дальнейшем устойчиво растет доля цифровых коммуникаций (это каналы типа Е1/Т1, ISDN, сети Frame Relay, выделенные цифровые линии и др.).

В зависимости от направления передачи различают каналы симплексные (односторонняя передача), дуплексные (возможность одновременной передачи в обоих направлениях) и полудуплексные (возможность попеременной передачи в двух направлениях).

В зависимости от числа каналов связи в аппаратуре ПД различают одно- и многоканальные средства ПД. В локальных вычислительных сетях и в цифровых каналах передачи данных обычно используют временное мультиплексирование, в аналоговых каналах - частотное разделение.

Если канал ПД монопольно используется одной организацией, то такой канал называют выделенным, в противном случае канал является разделяемым или виртуальным (общего пользования). К передаче информации имеют прямое отношение телефонные сети, вычислительные сети передачи данных, спутниковые системы связи, системы сотовой радиосвязи.

Выводы

В данной главе рассмотрены характеристики и классификации информационных сетей. Подробно изложена многоуровневая архитектура информационных сетей. Эталонная модель представляет из себя многоуровневую архитектуру, которая описывается стандартными протоколами и процедурами. Три нижних уровня предоставляют сетевые услуги. Протоколы, реализующие эти уровни, должны быть предусмотрены в каждом узле сети. Четыре верхних уровня предоставляют услуги самим оконечным пользователям и таким образом, связаны с ними, а не с сетью.

Уровень канала передачи данных и находящийся под ним физический уровень обеспечивают канал безошибочной передачи между двумя узлами в сети. На этом уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети. Электрическое представление данных в ЛВС (биты данных, методы кодирования данных и маркеры) распознаются на этом и только на этом уровне. Здесь обнаруживаются (распознаются) и исправляются ошибки путем требований повторной передачи данных.

Таким образом, пакетная передача через сеть от одного оконечного пользователя к другому в общем случае состоит в передаче фактической информации, плюс управляющей информации, добавляемой на различных уровнях и подлежащей удалению, когда пакет поступает по назначению и начинает восстанавливаться на своем пути через эти уровни.

2. Обзор протокола HDLC

2.1 Понятие протокола канального уровня

Для создания надежного механизма передачи данных между двумя станциями необходимо определить протокол, который позволит принимать и передавать различные данные по каналам связи. Протоколы представляют собой просто набор условий (правил), которые регламентируют формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими независимыми устройствами или процессами. Протокол имеет три важнейших элемента: синтаксис, семантику и синхронизацию. Синтаксис протокола определяет поля; например, может быть 16-байтовое поле для адресов, 32-байтовое поле для контрольных сумм и 512 байт на пакет. Семантика протокола придает этим полям значение: например, если адресное поле состоит из всех адресов, это «широковещательный» пакет. Синхронизация - количество битов в секунду - это скорость передачи данных. Она важна не только на самых низких уровнях протокола, но и на высших.

Протокол канального обеспечивает следующие функции:

управление передачей данных через физический канал организованный на первом уровне;

проверка информационного канала;

формирование кадра т.е. окаймление передаваемых данных служебными символами данного уровня;

контроль данных;

обеспечение прозрачности информационного канала;

управление каналом передачи данных;

Данный протокол занимает второй уровень в многоуровневой организации управления сетью.



Рисунок 2.1 Процесс обмена информации при применение протокола HDLC

2.2 Типы, логические состояния и режимы работы станций

Существует три типа станций HDLC:

Первичная станция (ведущая) управляет звеном передачи данных (каналом). Несет ответственность за организацию потоков передаваемых данных и восстановление работоспособности звена передачи данных. Эта станция передает кадры команд вторичным станциям, подключенным к каналу. В свою очередь она получает кадры ответа от этих станций. Если канал является многоточечным, главная станция отвечает за поддержку отдельного сеанса связи с каждой станцией, подключенной к каналу.

Вторичная станция (ведомая) работает как зависимая по отношению к первичной станции (ведущей). Она реагирует на команды, получаемые от первичной станции, в виде ответов. Поддерживает только один сеанс, а именно только с первичной станцией. Вторичная станция не отвечает за управление каналом.

Комбинированная станция сочетает в себе одновременно функции первичной и вторичной станции. Передает как команды, так и ответы и получает команды и ответы от другой комбинированной станции, с которой поддерживает сеанс.

Три логических состояния, в которых могут находиться станции в процессе взаимодействия друг с другом.

Состояние логического разъединения (LDS). В этом состоянии станция не может вести передачу или принимать информацию. Если вторичная станция находится в нормальном режиме разъединения (NDM - Normal Disconnection Mode), она может принять кадр только после получения явного разрешения на это от первичной станции. Если станция находится в асинхронном режиме разъединения (ADM - Asynchronous Disconnection Mode), вторичная станция может инициировать передачу без получения на это явного разрешения, но кадр должен быть единственным кадром, который указывает статус первичной станции. Условиями перехода в состояние LDS могут быть начальное или повторное (после кратковременного отключения) включение источника питания; ручное управление установлением в исходное состояние логических цепей различных устройств станции и определяется на основе принятых системных соглашений.

Состояние инициализации (IS). Это состояние используется для передачи управления на удаленную вторичную / комбинированную станцию, ее коррекции в случае необходимости, а также для обмена параметрами между удаленными станциями в звене передачи данных, используемыми в состоянии передачи информации.

Состояние передачи информации (ITS). Вторичной, первичной и комбинированным станциям разрешается вести передачу и принимать информацию пользователя. В этом состоянии станция может находится в режимах NRM, ARM и ABM, которые описаны ниже.

Три режима работы станции в состоянии передачи информации, которые могут устанавливаться и отменяться в любой момент.

Режим нормального ответа (NRM - Normal Response Mode) требует, чтобы прежде, чем начать передачу, вторичная станция получила явное разрешение от первичной. После получения разрешения вторичная станция начинает передачу ответа, который может содержать данные. Пока канал используется вторичной станцией, может передаваться один или более кадров. После последнего кадра вторичная станция должна снова ждать явного разрешения, прежде чем снова начать передачу. Как правило, этот режим используется вторичными станциями в многоточечных конфигурациях звена передачи данных.

Режим асинхронного ответа (ARM - Asynchronous Response Mode) позволяет вторичной станции инициировать передачу без получения явного разрешения от первичной станции (обычно, когда канал свободен, - в состоянии покоя). Этот режим придает большую гибкость работы вторичной станции. Могут передаваться один или несколько кадров данных или управляющая информация, отражающая изменение статуса вторичной станции. ARM может уменьшить накладные расходы, поскольку вторичная станция, чтобы передать данные, не нуждается в последовательности опроса. Как правило, такой режим используется для управления соединенными в кольцо станциями или же в многоточечных соединениях с опросом по цепочке. В обоих случаях вторичная станция может получить разрешение от другой вторичной станции и в ответ на него начать передачу. Таким образом разрешение на работу продвигается по кольцу или вдоль соединения.

Асинхронный сбалансированный режим (ABM - Asynchronous Balanse Mode) используют комбинированные станции. Комбинированная станция может инициировать передачу без получения предварительного разрешения от другой комбинированной станции. Этот режим обеспечивает двусторонний обмен потоками данных между станциями и является основным (рабочим) и наиболее часто используемым на практике

Три способа конфигурирования канала для обеспечения совместимости взаимодействий между станциями, использующих основные элементы процедур HDLC и способных в процессе работы менять свой статус (первичная, вторичная, комбинированная):

Несбалансированная конфигурация (UN - Unbalanced Normal) обеспечивает работу одной первичной станции и одной или большего числа вторичных станций в конфигурации одноточечной или многоточечной, полудуплексной или полнодуплексной, с коммутируемым каналом и с некоммутируемым. Конфигурация называется несбалансированной потому, что первичная станция отвечает за управление каждой вторичной станцией и за выполнение команд установления режима.

Симметричная конфигурация (UA - Unbalanced Asynchronous) была в исходной версии стандарта HDLC и использовалась в первых сетях. Эта конфигурация обеспечивает функционирование двух независимых двухточечных несбалансированных конфигураций станций. Каждая станция обладает статусом первичной и вторичной, и, следовательно, каждая станция логически рассматривается как две станции: первичная и вторичная. Главная станция передает команды вторичной станции на другом конце канала, и наоборот. Несмотря на то, что станция может работать как в качестве первичной, так и вторичной станции, которые являются самостоятельными логическими объектами, реальные команды и ответы мультиплексируются в один физический канал. Этот подход в настоящее время используется редко.

Сбалансированная конфигурация (BA - Balanced Asynchronous) состоит из двух комбинированных станций, метод передачи - полудуплексный или дуплексный, канал - коммутируемый или некоммутируемый. Комбинированные станции имеют равный статус в канале и могут несанкционированно посылать друг другу трафик. Каждая станция несет одинаковую ответственность за управление каналом.

2.3 Управление потоком

Управление потоком в HDLC осуществляется с помощью передающих и принимающих окон. Окно устанавливается на каждом конце канала связи, чтобы обеспечить резервирование ресурсов обеих станций. Этими ресурсами могут быть ресурсы вычислителя или пространство буфера. В большинстве случаев окно обеспечивает и буферное пространство, и правила нумерации (сообщений). Окно устанавливается во время инициирования сеанса связи между станциями. Если станция А и станция В должны обменяться данными, А резервирует окно для В, а В резервирует окно для А.

Использование окон необходимо для полнодуплексных протоколов, потому что они подразумевают непрерывный поток кадров в принимающий узел без периодических подтверждений с остановкой и ожиданием.

Переменные состояния станции V(S) и V(R).Окна в принимающем и передающем узлах управляются переменными состояния, которые представляют по сути состояние счетчика. Передающий узел поддерживает переменную состояния посылки V(S). Это порядковый номер следующего по очереди I-кадра, который должен быть передан.

Принимающий узел поддерживает переменную состояния приема V(R), которая содержит номер, который, как ожидается, является порядковым номером следующего I-кадра. V(S) увеличивается на 1 при передаче каждого кадра и помещается в поле порядкового номера посылки кадра. Получив кадр, принимающий узел производит проверку наличия ошибок передачи и сравнивает порядковый номер со своим V(R).

Если кадр может быть принят, узел увеличивает V(R) на 1, помещает его в поле порядкового номера приема кадра подтверждения АСК и посылает этот кадр в узел-отправитель, завершая квитирование передачи. Если V(R) не равен порядковому номеру посылки в кадре или обнаружена ошибка, значит, что-то произошло, и после тайм-аута в узел-отправитель посылается NAK [с порядковым номером приема, содержащим значение V(R)]. В большинстве протоколов этот NAK называется Неприем (REJ) или Выборочный неприем (SREJ). Значение V(R) уведомляет передающее устройство ООД о том, что ожидается посылка нового кадра. Т. к. передатчик восстанавливает старое значение V(S) и повторяет передачу кадра, порядковый номер которого совпадает со значением V(S).

Во многих системах для V(S) и V(R) у порядковых номеров в кадре используются числа 0-7. если переменные состояния в результате последовательного увеличения достигли 7, то, начиная с 0, эти числа снова используются. Вследствие повторного использования чисел устройствам станциям не разрешено посылать кадр с порядковым номером, который не был подтвержден. Например, протокол должен дождаться подтверждения кадра с номером 6, прежде чем он опять использует V(S)=6. Этот процесс показан на рис.2.1. Здесь кадры с 6 по 4 еще не подтверждены. Если бы был послан еще один кадр с порядковым номером 6, соответствующее подтверждение АСК с номером 6 не позволило бы определить, приход какого кадра с порядковым номером 6 подтверждается. Использование номеров 0-7 позволяет семи кадрам быть в активном состоянии, прежде, чем "закроется" окно. Несмотря на то что диапазон 0-7 дает восемь порядковых номеров, V(R) содержит значение следующего ожидаемого кадра, что ограничивает число активных кадров до 7.

2.4 Формат кадра HDLC

На канальном уровне используется термин кадр для обозначения независимого объекта данных, передаваемого от одной станции к другой (рис. 2.1).

Флаг. Все кадры должны начинаться и заканчиваться полями флага «01111110». Станции, подключенные к каналу, постоянно контролируют двоичную последовательность флага. Флаги могут постоянно передаваться по каналу между кадрами HDLC. Для индексации исключительной ситуации в канале могут быть посланы семь подряд идущих единиц. Пятнадцать или большее число единиц поддерживают канал в состоянии покоя. Если принимающая станция обнаружит последовательность битов не являющихся флагом, она тем самым уведомляется о начале кадра, об исключительной (с аварийным завершением) ситуации или ситуации покоя канала. При обнаружении следующей флаговой последовательности станция будет знать, что поступил полный кадр.

Рисунок 2.1 Формат кадра HDLC

Формат кадра HDLC
Флаг	Адрес	Управляющее поле	Информационное поле	CRC	Флаг
Формат управляющего поля кадра HDLC
1	2	3	4	5	6	7	8	Разряды
0	N(S)	P/F	N(R)	I-формат
1	0	S-коды	P/F	N(R)	S-формат
1	1	U-коды	P/F	U-коды	U-формат

Рис. 2.1 Формат кадра и управляющего поля HDLC

где:

N(S) - порядковый номер передаваемого кадра,

N(R) - порядковый номер принимаемого кадра,

P/F - бит опроса / окончания

Адресное поле определяет первичную или вторичную станции, участвующие в передаче конкретного кадра. Каждой станции присваивается уникальный адрес. В несбалансированной системе адресные поля в командах и ответах содержат адрес вторичной станции. В сбалансированных конфигурациях командный кадр содержит адрес получателя, а кадр ответа содержит адрес передающей станции. (табл.2.1)

Таблица 2.1

Правила адресации

Правила адресации
Первичная станция А	- Команда (Адрес В) ->	Вторичная станция В	Несбалансир. конфигурация
	< - Ответ (Адрес В) -
Комбинир. станция А	- Команда (Адрес В) ->	Комбинир. станция В	Сбалансир. конфигурация
	< - Ответ (Адрес В)-
	< - Команда (Адрес А) -
	- Ответ (Адрес А) ->

Управляющее поле задает тип команды или ответа, а так же порядковые номера, используемые для отчетности о прохождении данных в канале между первичной и вторичной станциями. Формат и содержание управляющего поля (рис. 1) определяют кадры трех типов: информационные (I), супервизорные (S) и ненумерованные (U).

Информационный формат (I - формат) используется для передачи данных конечных пользователей между двумя станциями.

Супервизорный формат (S - формат) выполняет управляющие функции: подтверждение (квитирование) кадров, запрос на повторную передачу кадров и запрос на временную задержку передачи кадров. Фактическое использование супервизорного кадра зависит от режима работы станции (режим нормального ответа, асинхронный сбалансированный режим, асинхронный режим ответа).

Ненумерованный формат (U - формат) также используется для целей управления: инициализации или разъединения, тестирования, сброса и идентификации станции и т.д. Конкретный тип команды и ответа зависит от класса процедуры HDLC.

Информационное поле содержит действительные данные пользователя. Информационное поле имеется только в кадре информационного формата. Его нет в кадре супервизорного или ненумерованного формата. [Примечание: кадры «UI - ненумерованная информация» и «FRMR - Неприем кадра» ненумерованного формата имеют информационное поле].

Поле CRC (контрольная последовательность кадра) используется для обнаружения ошибок передачи между двумя станциями. Передающая станция осуществляет вычисления над потоком данных пользователя, и результат этого вычисления включается в кадр в качестве поля CRC. В свою очередь, принимающая станция производит аналогичные вычисления и сравнивает полученный результат с полем CRC. Если имеет место совпадение, велика вероятность того, что передача произошла без ошибок. В случае несовпадения, возможно, имела место ошибка передачи, и принимающая станция посылает отрицательное подтверждение, означающее, что необходимо повторить передачу кадра. Вычисление CRC называется циклическим контролем по избыточности и использует некоторый производящий полином в соответствии с рекомендацией МККТТ V.41. Этот метод позволяет обнаруживать всевозможные кортежи ошибок длиной не более 16 разрядов, вызываемые одиночной ошибкой, а также 99,9984% всевозможных более длинных кортежей ошибок.

2.5 Управляющее поле HDLC

Управляющее поле (рис. 2.1) определяет тип кадра и используется для реализации механизма управления потоком между передающей и принимающей станциями. На табл. 2.2 представлены команды и ответы, используемые в случае сбалансированной и несбалансированной конфигураций канала. Отметим, что в каждом верхнем прямоугольнике содержатся три команды: SNRM, SARM, SABM.

Таблица 2.2

Команды и ответы

Несбалансированный (UN)	Несбалансированный (UA)	Сбалансированный (UB)
Первичная	Вторичная	Первичная	Вторичная	Первичная	Вторичная
Команда	Ответ	Команда	Ответ	Команда	Ответ
I	I	I	I	I	I
RR	RR	RR	RR	RR	RR
RNR	RNR	RNR	RNR	RNR	RNR
SNRM	UA	SARM	UA	SABM	UA
DISC	DM	DISC	DM	DISC	DM
	FRMR		FRMR		FRMR

Эти команды являются командами установки режима. HDLC требует, чтобы в одном из трех режимов была установлена сбалансированная или несбалансированная конфигурация. Действительный формат управляющего поля (информационный, супервизорный или ненумерованный) определяет то, как это поле кодируется или используется. Самым простым форматом является информационный формат. Содержимое управляющего поля для этого формата показано на рис. 2.1 Управляющее поле информационного кадра содержит два порядковых номера Номер N(S) (Порядковый номер посылки) связан с порядковым номером передаваемого кадра. N(R) (Порядковый номер приема) означает порядковый номер следующего кадра, который ожидается принимающей станцией. N(R) выступает в качестве подтверждения предыдущих кадров. Например, если поле N(R) установлено в 4, станция, получив N(R)=4, знает, что передача кадров 0, 1, 2 и 3 завершилась успешно и что станция, с которой производится обмен данными, ожидает, что следующий кадр будет иметь порядковый номер посылки N(S)=4. Поле N(R) обеспечивает включающее подтверждение (квитирование), то есть N(R)=4 включает подтверждение не только одного предшествующего сообщения. Переменные состояния посылки V(S) и состояния приема V(R), рассмотренные нами ранее, используются для формирования полей N(S) и N(R) протокола HDLC.

Пятый двоичный разряд, бит P/F или бит опроса / окончания принимается во внимание только тогда, когда он установлен в 1. Бит P/F называется битом P, когда он используется первичной станцией, и битом F, когда он используется вторичной станцией. Он используется первичной и вторичной станциями для выполнения следующих функций:

Первичная станция использует бит P для санкционирования передачи кадра статуса от вторичной станции. P также может означать опроc.

Вторичная станция отвечает на бит P кадром данных или состояния с битом F. Бит F может также означать окончание передачи вторичной станцией в режиме нормального ответа (NRM).

Только один бит P (ожидающий ответа в виде F бита) может быть активным в канале в любой момент времени. Если некоторый бит P установлен в 1, он может быть использован в качестве контрольной точки. То есть P=1 как бы говорит: ответьте мне, потому что я хочу знать ваш статус. Контрольные точки играют большую роль в реализации механизма управления трафиком. Это также способ устранения неопределенностей и отмены накопленных транзакции. Бит P/F может использоваться и интерпретироваться следующим образом:

В режиме NRM вторичная станция не может вести передачу, пока не будет получена команда с установленным в 1 битом P. Первичная станция может запросить информационные (I) кадры путем посылки кадра с установленным в 1 битом P или путем посылки некоторых супервизорных (S) кадров (RR, REJ или SREJ) с установленным в 1 битом P.

В режимах ARM и ABM информационные кадры могут передаваться без получения полномочий на передачу с помощью команды, имеющей бит P. Поэтому бит P используется в этом случае для запроса ответа с установленным в 1 битом F так быстро, насколько это возможно. Например, в случае двунаправленной одновременной (полнодуплексной) передачи, когда по получении команды с установленным в 1 битом Р передачу ведет вторичная станция, бит F устанавливается в 1 в самом первом очередном ответе. Передача кадра с установленным в 1 битом F не требует, чтобы вторичная станция прекратила передачу. Вслед за кадром с установленным в 1 битом F могут быть еще переданы кадры. В режимах ARM и ABM не следует интерпретировать бит F как окончание передачи вторичной станцией; его следует просто считать индикатором ответа на предыдущий кадр.

2.6 Процессы передачи в протоколе HDLC

На рисунках 2.2,2.3,2.4,2.5,2.6 показаны различные виды коммуникации:

· асинхронный сбалансированный режим с полудуплексным потоком данных (рис. 2.2);

· асинхронный сбалансированный режим с полнодуплексным потоком данных (рис. 2.3);

· восстановление после ошибок (исправление ошибок) по методу Возвращение-на-N (Go-Back-N) (контрольная точка) (рис.2.4);

· восстановление после ошибок по методу Возвращение-на-N (Отвергнуть) (рис. 2.5);

· восстановление после ошибок по методу Выборочного неприема (Selective Reject) (рис.2.6);

· SDLC с многоточечной полнодуплексной передачей (рис.2.7).

Условные обозначения, используемые на рисунках. Рисунки представляют собой как бы "логические снимки", сделанные в отдельные интервалы времени (t, t+1 и т.д.). Обозначения, находящиеся во временном "окне", отражают содержание кадра HDLC (или некоторого подмножества протокола, например, LAPB), передаваемого станциями А и В в конкретное время.

Весьма маловероятно, что две станции начнут передачу строго в один и тот же момент времени, но для упрощения объяснения мы будем придерживаться этого предположения. Например, временное окно станции А могло бы быть изображено более широким, чем окно станции В, что означало бы, что станцией А передается более длинный кадр, но неравные окна не оправдано усложнили бы и без того сложную тему. Если согласится с этой небольшой аномалией, принципы, которые поясняются на рисунках, остаются в силе. Кроме того, иллюстрации полнодуплексного метода показывают некоторые временные окна, относящиеся к каналу, который находится в состоянии покоя. Это может иметь место или нет в зависимости от того, как загружены станции.

Смысл обозначений такой:

А,В - Адрес станции в заголовке кадра.

I - Информационный кадр.

S=x - Порядковый номер посылки х.

R=x - Порядковый номер приема х.

RR,SNRM,SABM,REJ,SREJ - Команды и ответы.

P/F - Бит опроса/окончания установлен в 1.

Напомним, что порядковый номер приема N(R) означает включающее подтверждение всего переданного и принятого трафика. Номер в этом поле в действительности представляет собой величину, на 1 большую номера последнего подтвержденного кадра. Например, R=4 означает, что подтверждены кадры 0,1,2 и 3 и что приемник ожидает, что следующий кадр будет иметь 4 в поле порядкового номера посылки передающей станции. По ходу описания процесса будем обсуждать бит P/F там, где это необходимо.

Все рисунки сопровождаются кратким описанием событий в каждый момент времени. Можно заметить, что в иллюстрациях в качестве адреса станции используется либо А, либо В. Как отмечалось ранее, правилами протокола HDLC определено, какой адрес (передающей или принимающей станции) помещается в поле адреса: команды используют адрес принимающего одноуровневого логического объекта уровня звена данных. Таким образом в случае станции с адресом А, если принятый кадр содержит А, это команда; если принятый кадр содержит В, это ответ. Описание событий для процесса, представленного на рис.2.2:

	t	t+1	t+2	t+3	t+4	t+5	t+6	t+7	t+8
Ст. А	B, SABM P		B,I S=0 R=0	B,I,P S=1 R=0				A,RR F R=2
Ст. В		B,UA F			B,RR F R=2	A,I S=0 R=2	A,I,P S=1 R=2		B,RR F R=2

Рис. 2.2 Асинхронный сбалансированный режим с полудуплексным потоком данных (с использованием P/F для реализации "контрольной точки").

· t Станция А передает команду Установить асинхронный сбалансированный режим (SABM) с установленным битом Р.

· t+1 Станция В отвечает Ненумерованным подтверждением (UA) с установленным битом F.

...