IV Enlace de Datos
Control de Enlace de Datos
La capa de Enlace de datos provee la transmisión física de
los datos y maneja la notificación de errores, la topología de red y el control
de flujo. Es decir, que la capa de enlace de datos asegura que los mensajes son
entregados al dispositivo correcto en la red.
Propósito
Para que los paquetes de capa de red sean transportados
desde el host origen al host destino deben recorrer diferentes redes físicas.
Estas redes físicas pueden componerse de diferentes tipos de medios físicos,
tales como alambres de cobre, microondas, fibras ópticas y enlaces satelitales.
La función de la capa de enlace de datos de OSI es preparar
los paquetes de la capa de red para ser transmitidos y controlar el acceso a
los medios físicos.
La capa de enlace de datos proporciona un medio para
intercambiar datos a través de medios locales comunes y realiza dos servicios
básicos:
- Permite
a las capas superiores acceder a los medios usando técnicas, como tramas.
- Controla cómo los datos se ubican en los medios y son
recibidos desde los medios usando técnicas como control de acceso a los medios
y detección de errores.
Términos
Trama: es la PDU en la capa de enlace de datos
Nodo: es un dispositivo en una red
Medios: son la forma física usadas para transportar señales
de datos
Red: se compone de dos o más dispositivos conectados a un medio
común
Transmisión
En cada salto a lo largo de la ruta, un dispositivo
intermediario, acepta las tramas de un medio, desencapsula la trama y luego
envía el paquete a una nueva trama apropiada para los medios de tal segmento de
la red física.
El intercambio de paquetes entre dos hosts requiere una
diversidad de protocolos que debe existir en la capa de enlace de datos. Cada
transición a un router puede requerir un protocolo de capa de enlace de datos
diferente para el transporte a un medio nuevo.
Se puede observar en la imagen que cada enlace entre
dispositivos utiliza un medio diferente.
- Entre la PC y el router puede haber un enlace Ethernet.
- Los routers están conectados a través de un enlace satelital.
- Y la computadora portátil está conectada a través de un enlace inalámbrico al último router.
- Entre la PC y el router puede haber un enlace Ethernet.
- Los routers están conectados a través de un enlace satelital.
- Y la computadora portátil está conectada a través de un enlace inalámbrico al último router.
También se observa como un paquete IP viaja desde la PC
hasta la computadora portátil, será encapsulado en la trama Ethernet,
desencapsulado, procesado y luego encapsulado en una nueva trama de enlace de
datos para cruzar el enlace satelital. Para el enlace final, el paquete
utilizará una trama de enlace de datos inalámbrica desde el router a la
computadora portátil.
La capa de enlace de datos aísla de manera efectiva los procesos de
comunicación en las capas superiores desde las transiciones de medios que
pueden producirse de extremo a extremo. Un paquete se recibe de un protocolo de
capa superior y se dirige a éste, en este caso Ipv4 o Ipv6, que no necesita
saber qué medio de comunicación utilizará.
Trama
La descripción de una trama es un elemento clave de cada
protocolo de capa de enlace de datos. Los protocolos de capa de enlace de datos
requieren información de control para permitir que los protocolos funcionen.
La información de control puede indicar:
- ¿Qué nodos están en comunicación con otros?
- ¿Cuándo comienza y cuándo termina la comunicación entre nodos individuales?
- ¿Qué errores se producen mientras los nodos se comunican?
- ¿Qué nodos se comunicarán luego?
La capa de enlace de datos prepara un paquete para
transportar a través de los medios locales encapsulándolo con un encabezado y
un tráiler para crear una trama.
La trama de la capa de enlace de datos incluye:
- Datos: el paquete desde la Capa de red.
- Encabezado: contiene información de control como direccionamiento y está ubicado al comienzo del PDU.
- Tráiler: contiene información de control agregada al final del PDU.
- ¿Qué nodos están en comunicación con otros?
- ¿Cuándo comienza y cuándo termina la comunicación entre nodos individuales?
- ¿Qué errores se producen mientras los nodos se comunican?
- ¿Qué nodos se comunicarán luego?
- Datos: el paquete desde la Capa de red.
- Encabezado: contiene información de control como direccionamiento y está ubicado al comienzo del PDU.
- Tráiler: contiene información de control agregada al final del PDU.
La capa de enlace de datos existe como una capa de conexión
entre los procesos de software de las capas por encima de ella y la capa física
debajo de ella. Como tal, prepara los paquetes de capa de red para la
transmisión a través de alguna forma de medio, ya sea cobre, fibra o entornos o
medios inalámbricos.
En muchos casos, la capa de enlace de datos está incorporada
en una entidad física como tarjeta de interfaz de red (NIC) de Ethernet.
Subcapas
La capa de enlace de datos se divide en dos subcapas: Control de enlace lógico (LLC; logical link control) y Control de acceso al medio (MAC, media access control).
Control de enlace lógico: se trata de la subcapa superior, que define los procesos de software que proporcionan servicios a los protocolos de capa de red.
Control de acceso al medio: se trata de la subcapa inferior, que define los procesos de acceso al medio que realiza el hardware.
Control de Flujo
Un problema de asignación que ocurre en todas las capas es
cómo evitar que un emisor rápido inunde de datos a un receptor lento. Con
frecuencia se utiliza retroalimentación del receptor al emisor. A este tema se
le denomina control de flujo.
Métodos
Para evitar esta situación, por lo general, se utilizan dos métodos: Control de flujo basado en retroalimentación y Control de flujo basado en tasa.
En el control basado en retroalimentación, después de que el receptor recibe la primera trama, informa al remitente y le permite enviar más información y también informa sobre el estado del receptor. Hay dos protocolos de control de flujo basado en retroalimentación, protocolo de ventana deslizante y protocolo de parada y espera.
En el control de flujo basado en la velocidad, cuando un remitente transmite los datos a una velocidad más rápida al receptor y el receptor no puede recibir los datos a esa velocidad, entonces el mecanismo integrado en el protocolo limitará la velocidad de transmisión a la que el el remitente está transmitiendo datos sin ninguna respuesta del receptor.
Multiplexación y otros conceptos
Detección de Errores
Los protocolos de la capa de enlace de datos agregan un tráiler en el extremo de cada trama. El tráiler se utiliza para determinar si la trama llegó sin errores. Este proceso se denomina detección de errores. Es diferente de la corrección de errores. La detección de errores se logra colocando un resumen lógico o matemático de los bits que comprenden la trama en el tráiler.
Campos de las Tramas para Detectar Errores
El campo secuencia de verificación de trama (FCS, Frame Check Sequence) se utiliza para determinar si ocurrieron errores de transmisión y recepción de la trama.
Para asegurase de que el contenido de la trama recibida en el destino combine con la trama que salió del nodo origen, un nodo de transmisión crea un resumen lógico del contenido de la trama. A esto se lo conoce como valor de comprobación de redundancia cíclica (CRC, Cyclic Redundancy Check). Este valor se coloca en el campo secuencia de verificación de la trama (FCS) para representar el contenido de la trama.
Cuando la trama llega al nodo de destino, el nodo receptor calcula su propio resumen lógico, o CRC, de la trama. El nodo receptor compara los dos valores CRC. Si los dos valores son iguales, se considera que la trama llegó como se transmitió. Si el valor CRC en el FCS difiere del CRC calculado en el nodo receptor, la trama se descarta.
Los diseñadores de redes han desarrollado dos estrategias básicas para manejar los errores.
Ambas añaden información redundante a los datos que se envían:
- Una es incluir suficiente información redundante para que el receptor pueda deducir cuáles debieron ser los datos transmitidos.
- La otra estrategia es incluir sólo suficiente redundancia para permitir que el receptor sepa que ha ocurrido un error (pero no qué error) y entonces solicite una retransmisión.
La primera estrategia utiliza códigos de corrección de errores; la segunda usa códigos de detección de errores.
El uso de códigos de corrección de errores se le conoce como FEC (Corrección de Errores hacia Adelante, del inglés Forward Error Correction). Cada una de estas técnicas ocupa un nicho ecológico diferente.
En los canales que son altamente confiables, como los de fibra, es más económico utilizar un código de detección de errores y sólo retransmitir los bloques defectuosos que surgen ocasionalmente. Sin embargo, en los canales que causan muchos errores, como los enlaces inalámbricos, es mejor agregar la redundancia suficiente a cada bloque para que el receptor pueda descubrir cuál era el bloque original que se transmitió.
La FEC se utiliza en canales ruidosos.
Una consideración clave para estos códigos es el tipo de errores que pueden llegar a ocurrir. Ni los códigos de corrección de errores ni los de detección de errores pueden manejar todos los posibles errores.
Para el canal todos son sólo bits. Esto significa que, para evitar errores no detectados, el código debe ser lo bastante robusto como para manejar los errores esperados.
Control de Errores
Una vez resuelto el problema de marcar el inicio y el fin de cada trama, el siguiente dilema es: cómo asegurar que todas las tramas realmente se entreguen en el orden apropiado a la capa de red del destino.
La manera normal de asegurar la entrega confiable de datos es proporcionar retroalimentación al emisor sobre lo que está ocurriendo en el otro lado de la línea.
Por lo general, el protocolo exige que el receptor devuelva tramas de control especiales que contengan confirmaciones de recepción positivas o negativas de las tramas que llegan.
Una complicación adicional surge de la posibilidad de que los problemas de hardware causen la desaparición de una trama completa (por ejemplo, por una ráfaga de ruido). En este caso, para manejar esta posibilidad, se introducen temporizadores en la capa de enlace de datos.
No obstante, si la trama o la confirmación de recepción se pierde, el temporizador expirará, alertando al emisor sobre un problema potencial. La solución obvia es simplemente transmitir de nuevo la trama. Sin embargo, aunque éstas pueden transmitirse muchas veces, existe el peligro de que el receptor acepte la misma trama en dos o más ocasiones y que la pase a la capa de red más de una vez. Para evitar que esto ocurra, generalmente es necesario asignar números de secuencia a las tramas de salida, con el fin de que el receptor pueda distinguir las retransmisiones de las originales.
La administración de temporizadores y el números de secuencia para asegurar que cada trama llegue finalmente a la capa de red en el destino una sola vez, ni más ni menos, es una parte importante de las tareas de la capa de enlace de datos (y de las capas superiores).
Control de Enlace de Datos de Alto Nivel
HDLC es un grupo de protocolos de enlace de datos (capa 2) utilizados para transmitir paquetes de datos sincrónicos entre nodos punto a punto. Los datos se organizan en marcos direccionables. Este formato se ha utilizado para otros protocolos multipunto a multipunto, e inspiró el protocolo de encuadre similar a HDLC descrito en RFC 1662.
HDLC utiliza un proceso de inserción / eliminación cero (relleno de bits) para garantizar el patrón de bits del delimitador. La trama HDLC es síncrona y, por lo tanto, depende de la capa física (Capa 1) para sincronizar la transmisión y recepción de tramas.
HDLC es un protocolo desarrollado por la Organización Internacional de Normalización (ISO). Cumple con las normas ISO 3309 e ISO 4335. Se ha encontrado que se utiliza en todo el mundo. Se ha implementado ampliamente porque admite líneas de comunicación semidúplex y dúplex completo, redes punto a punto (punto a punto) y multipunto.
HDLC especifica los siguientes tres tipos de estaciones para el control de enlace de datos:
Estación primaria: se como la estación de control en el enlace. Tiene la responsabilidad de controlar todas las otras estaciones en el enlace (generalmente estaciones secundarias). A pesar de este importante aspecto de estar en el enlace, la estación principal también es responsable de la organización del flujo de datos en el enlace. También se ocupa de la recuperación de errores en el nivel de enlace de datos (capa 2 del modelo OSI). El marco o trama emitida se llama Comando.
Estación secundaria: La estación secundaria está bajo el control de la estación primaria. No tiene capacidad ni responsabilidad directa para controlar el enlace. Solo se activa cuando lo solicita la estación principal. Solo responde a la estación primaria. Las tramas de la estación secundaria se denominan respuestas. Solo puede enviar tramas de respuesta cuando lo solicita la estación principal.
Estación combinada: Una estación combinada es una combinación de una estación primaria y una secundaria. En el enlace, todas las estaciones combinadas pueden enviar y recibir comandos y respuestas sin ningún permiso de ninguna otra estación en el enlace. Cada estación combinada tiene el control total de sí misma y no depende de ninguna otra estación en el enlace. Ninguna otra estación puede controlar una estación combinada.
Árbol de Protocolos de Capa 2
Examinaremos los protocolos de enlace de datos que se encuentran en las líneas de punto a punto en Internet, en dos situaciones comunes:
La primera situación es cuando los paquetes se envían a través de enlaces de fibra óptica SONET (Synchronous Optical NETwork, Red óptica síncrona) en redes de área amplia.
La segunda situación para los enlaces de ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line, Línea de Abonado Digital Asimétrica) que operan en el lazo local de la red telefónica, en un extremo de Internet. Estos enlaces conectan a millones de individuos y negocios a Internet. Internet necesita enlaces de punto a punto para estos usos, así como módems de marcación telefónica, líneas rentadas y módems de cable, etc.
Un protocolo estándar llamado PPP (Protocolo Punto a Punto) se utiliza para enviar paquetes a través de estos enlaces. PPP se define en el RFC 1661 y se ha desarrollado más en RFC 1662 y otros RFC (Simpson, 1994a, 1994b). Los enlaces SONET y ADSL aplican PPP.
SONET
Es el protocolo de capa física que se utiliza con más frecuencia sobre los enlaces de fibra óptica de área amplia que constituyen la espina dorsal de las redes de comunicaciones, incluyendo el sistema telefónico. Provee un flujo de bits que opera a una tasa de transmisión bien definida. El flujo de bits está organizado en forma de cargas útiles de bytes de tamaño fijo, haya o no datos de usuario para enviar.
Para transportar paquetes a través de estos enlaces, se necesita cierto mecanismo de entramado para diferenciar los paquetes ocasionales del flujo de bits continuo en el que se transportan. PPP se ejecuta en enrutadores IP para proveer este mecanismo.
ADSL
Es un protocolo que conecta a millones de suscriptores desde su hogar a Internet, a tasas de transmisión de varios megabits/ seg sobre el mismo lazo local telefónico que se utiliza para el servicio telefónico tradicional.
Un dispositivo conocido como módem DSL se agrega en una sección del hogar. Este dispositivo envía bits sobre el lazo local a un dispositivo llamado DSLAM (Multiplexor de Acceso a la ADSL, del inglés DSL Access Multiplexer), el cual se encuentra en la oficina local de la compañía telefónica. Dentro del hogar, una computadora como una PC envía paquetes IP al módem DSL mediante el uso de una capa de enlace como Ethernet. Después, el módem DSL envía los paquetes IP sobre el lazo local al DSLAM. En el DSLAM (o en un enrutador conectado a éste, dependiendo de la implementación) se extraen los paquetes IP y se introducen en una red de proveedor de internet para llegar a cualquier destino en Internet.
Protocolo Sincrónico
Los protocolos sincrónicos son protocolos más eficientes que los asíncronos. A su vez pueden ser orientados a carácter u orientados a bits. Actualmente casi todos los protocolos en el nivel de enlace utilizados en las principales arquitecturas y tecnologías de red son orientados a bits, fundamentalmente por una razón: la eficiencia.
Comunicación Síncrona Binaria
BSC (Binary Synchronuos Communication, comunicación síncrona binaria), protocolo orientado a carácter (es el protocolo más importente). Este protocolo se puede utilizar tanto en comunicaciones punto a punto como en multipunto, y utiliza la técnica de parada y espera con ARQ para el control de flujo y errores. La mayor parte de los protocolos utilizados en el nivel de enlace en las diferentes arquitecturas y tecnologías de red se basan en el estándar propuesto por la ISO, llamado HDLC. Originalmente se desarrollaron varias recomendaciones para completar el protocolo, pero actualmente están todos los aspectos del mismo agrupados en la recomendación ISO 13239.
Control de Enlace de Datos de Alto Nivel
HDLC (High-level Data Link Control, control de enlace de datos de alto nivel) es un protocolo del nivel de enlace orientado a bits que se puede utilizar para comunicaciones half-dúplex o full-dúplex y en configuraciones punto a punto o multipunto.
Este protocolo tiene tres fases: Iniciación, Transferencia de datos y Desconexión.
En HDLC se usa el término para referirse a una entidad independiente de datos que se transmite de una estación a otra a través del enlace.
Existen tres tipos de tramas:
Las tramas con formato de información sirven para transmitir datos de usuario entre dos dispositivos. También pueden emplearse como aceptación de los datos de una estación transmisora. Asimismo, pueden llevar a cabo un limitado número de funciones, por ejemplo funcionar como comando de Sondeo.
Las tramas con formato de supervisión realizan funciones diversas, como aceptar o confirmar tramas, pedir que se retransmitan tramas, o solicitar una interrupción temporal de la transmisión de las mismas. El uso concreto de este tipo de tramas depende del modo de funcionamiento del enlace (repuesta normal, modo equilibrado asíncrono o modo de respuesta asíncrona).
Las tramas con formato no numerado también realizan funciones de control. Sirven para inicializar un enlace, para desconectarlo, o para otras funciones de control del canal. Incluye cinco posiciones de bits, que permiten definir hasta 32 comandos y 32 respuestas. El tipo de comando o respuesta dependerá de la clase de procedimiento HDLC de que se trate.
Protocolo Asincrónico
Los protocolos asíncronos son los primeros protocolos implementados en el nivel de enlace y se utilizaron sobre todo en las transmisiones de ficheros por módem. Su principal ventaja es que son fáciles (y, por tanto, baratos) de implementar. su principal desventaja es su lentitud. De hecho, actualmente apenas se utilizan y han sido sustituidos por protocolos síncronos, más rápidos. algunos ejemplos de los viejos protocolos asíncronos son XMODEM, YMODEM y ZMODEM.
Protocolo Punto a Punto
Este protocolo se puede considerar como una versión libre del protocolo HDLC con ciertas diferencias. PPP puede funcionar tanto de manera síncrona como asíncrona, lo que permite bastante flexibilidad a la hora de trabajar con enlaces de tipo serie, paralelo, óptico, eléctrico, etc. Habitualmente se utiliza en particular en los modem tipo ADSL, además permite una clave de acceso para establecer seguridad en la conexión.
Establecimiento de datos PPP:
1.Establecimiento de conexión: durante esta fase, una computadora contacta con la otra y negocian los parámetros relativos al enlace usando el protocolo LCP. Este protocolo es una parte fundamental de PPP y por ello está definido en el mismo RFC. Usando LCP se negocia el método de autenticación que se va a utilizar, el tamaño de los datagramas, números mágicos para usar durante la autenticación, ...
2.Autenticación: no es obligatorio. Existen dos protocolos de autenticación. El más básico e inseguro es Password Authentication Protocol (PAP), aunque no se recomienda dado que manda el nombre de usuario y la contraseña en claro. Un método más avanzado y preferido por muchos ISP es CHAP, en el cual la contraseña se manda cifrada.
3.Configuración de red: en esta fase se negocian parámetros dependientes del protocolo de red que se esté usando. PPP puede llevar muchos protocolos de red al mismo tiempo y es necesario configurar individualmente cada uno de estos protocolos. Para configurar un protocolo de red se usa el protocolo NCPcorrespondiente. Por ejemplo, si la red es IP, se usa el protocolo IPCP para asignar la dirección IP del cliente y sus servidores DNS.
4.Transmisión: durante esta fase se manda y recibe la información de red. LCP se encarga de comprobar que la línea está activa durante periodos de inactividad. Obsérvese que PPP no proporciona cifrado de datos.
5.Terminación: la conexión puede ser finalizada en cualquier momento y por cualquier motivo
