Data Communications. Gazi Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü. 11. Data Link Control

Transkript

1 Veri İletişimi Data Communications Suat ÖZDEMİR Gazi Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü 11. Data Link Control

2 Konular Giriş Framing Akış kontrolü Hata kontrolü Protokoller 2

3 Giriş Data link layer (veri bağı katmanı) nın iki ana görevi vardır Data link kontrolü Ortam erişim kontrolü Data link kontrolü: iki komşu düğüm arasındaki iletişim için tasarım ve prosedür oluşturur Ortamerişim kontrolü: linkin (ortamın) nasıl paylaşılacağı belirlenir (12. Bölüm) 3

4 Framing Fiziksel katmanda veri bitler halinde kaynaktan hedefe gönderilir. Bit seviyesinde senkronizasyon Data link layer bitleri frame lere böler. Frameler birbirinden ayrılabilir. Posta gönderme örneğinde mektubun zarfa konulması framing olarak düşünülebilir Framing sayesinde bir kaynaktan hedefe giden ya da farklı kaynaklardan başka hedeflere giden mesajlar ayrıştırılır. 4

5 Framing Her mesaj tek bir frame olabilir. Çok büyük bir frame oluşurş Hata ve akış kontrolü zor olur Oluşacak tek bir bit hatası tüm mesajı etkiler Genelde bu her mesaj birden çok frame e bölünür. Oluşacaktek bir bit hatası sadece bir frame i etkiler 5

6 Framing Fixed size framing Frame ler için ayıraçlar kullanmaya gerek yok. Frame boyutu yeterli. Örnek: ATM Variable size framing Bu bölümün ana konusu Frame in başlangıç ve bitiş noktalarını belirlemek için ayıraçlar kullanılmalıdır İki ana yaklaşım vardır. Karakter temelli yaklaşım ve bit temelli yaklaşım. 6

7 Karakter Temelli Framing Veri karakterler olarak taşınır (ASCII 8 bit) Header (Başlık) kaynak ve hedef adreslerini içerir, trailer (kuyruk) hata kontrol bilgisini içerir. Hepsinin boyutu 8 bit ve katlarıdır Frameleri birbirinden ayırmak için frame in başına ve sonuna 8 bitlik flag ler ler eklenir Flaglerin içeriği protokole göre değişir 7

8 Karakter Temelli Framing Karakter temelli framing sadece metin türü ü verinin transfer edildiği dönemde popülerdi Flag text içinde kullanılmayan herhangi bir karakter olarak seçilirdi Günümüzdediğer diğer veri türleri de gönderilmektedir Her karakter verinin içinde bulunabilir Alıcı frame in sonuna gelidiğini idüşünebilirü Önlemek için byte stuffing (byte doldurma) yaklaşımı karakter temelliframing ilebirlikte kullanılır 8

9 Byte/Karakter Stuffing Flagkarakteri veri içerisinde geçecekse ondanönce özel bir karakter eklenir Veri bloğu extra bir byte ile doldurulmuş olur Eklenen karakter genelde "escape character (ESC)" olarak adlandırılır Alıcı ESC karakteri aldığında, yok sayar ve bir sonraki bytedan okumaya devam eder ESC karakteri metin içerisinde geçiyorsa ne olur? Bunu önlemek için metin içerisinde geçmesi gereken ESC karakterinden önce bir ESC karakteri daha kullanılır. Günümüzde Unicode kodlama sistemleri (16 ya da 32 bit karakter) yaygınlaşmaktadır Bu nedenle bit temelli protokoller daha çok kullanılmaya başlamıştır 9

10 Karakter Temelli Framing 10

11 Bit Temelli Framing Bir çok protokolde 8 bitlik flag i frame in başlangıcını ve sonunu belirtmek için kullanılır Karakter temelli yaklaşımda karşılaşılan problemler görülebilir Burada stuffing 1 karakter yerine sadece 1 bit ile yapılabilir Bu strateji bit stuffing olarak bilinir Veri bloğunda 0'ı takip eden 5 tane 1 varsa (bir sonraki bitin değerine bakılmaksızın) mutlaka extra bir 0 eklenir Bu sayede flag in veri içinde i oluşmasına izin i verilmez Alıcı extra 0 ları temizler 11

12 Bit Temelli Framing 12

13 Akış Kontrolü Akış kontrolü lüdt data link layer ın en önemli görevidir Gönderilen veri için acknowledgement alınmadan ne kadar veri gönderilebileceğini koordine eder Veri akışı alıcıyı boğmamalıdır Her alıcının belirli bir veri işleme süresi ve bu veriyi saklamak içinsınırlı bir hafızası vardır Alıcı bu kaynaklar limite ulaşmadan göndericiyi uyarabilmeli ve veri iletimini yavaşlatmalı ya da durdurabilmelidir 13

14 Akış Kontrolü Gelen veri kullanılmadan l önce kontrol edilmeli li ve işlenilmelidir Bu işlemler genelde veri iletim hızından daha yavaştır ş Her alıcı buffer denen bir hafız bloğuna sahiptir Gelen veri işlenene kadar bufferda tutulur Buffer dolmaya başladığında alıcı göndericiyi uyararak iletişimi durdurabilir 14

15 Hata Kontrolü Ht Hata kontrolü lühem ht hata bulmayı hem de ht hata düzeltmeyi içerir Alıcının hatalı yada kayıp frameler konusunda göndericiyi uyarmasını ve bu framelerin yeniden gönderilmesini sağlar. Data link layer da hata kontrolü "hata bulunması ve yeniden gönderilmesi"ni ni içerir Hata bulunduğunda hatalı frame yeniden gönderilir Bu işlem automatic repeat request (ARQ) olarak bilinir 15

16 Protokoller Gürültülü ü ü (hataya atayaaç açık) ve gürültüsüz ü (hatasız) kanallar için çeşitli protokoller vardır. Gürültüsüz ültü ü (hatasız) kanallar olan protokoller gerçek hayatta kullanılmazlar 16

17 Protokoller Kolaylık lk açısından, derste öğreneceğimiz ğ ği i data link layer protokolleri tek yönlüdür: Bir gönderici ve birde alıcı düğüm Sadece acknowledgment (ACK) ve negative acknowledgment (NAK) paketleri diğer yönde gönderilebilir (alıcıdan gönderici düğüme) ğ Gerçek hayattaki data link layer protokolleri ise çift yönlüdür. ACK ve NAKlar piggybacking denen teknikle gönderilir 17

18 Gürültüsüz kanallar Hiç bir frame in kaybolmadığı, tekrarlanmadığı veya bozulmadığı ğ ideal bir kanal İki protokol Simplest Protocol akış yada hata ht kontrolü yok Stop and Wait Protocol hata kontrolü yok 18

19 Simplest Protocol Akış ve hata kontrolü yoktur Alıcı her paketi anında işleyebilir (işlem zamanı ihmal edilir) Alıcı hiçbir zaman gelen paketlerden boğulmazğ Alıcı ve gönderici taraflardaki algoritmalar sürekli çalışır Şekilde protokol lözetlenmiştir ti 19

20 Simplest Protocol 20

21 Gönderici taraftaki algoritma 21

22 Alıcı taraftaki algoritma 22

23 Simplest Protocol Örnek Frame tamamen karşıya ulaştıktan sonra diğer frame hemen gönderilir (no ACK). 23

24 Stop and Wait Protocol Frameler alıcıya işleyebileceğinden dh daha hızı gelmeye başlarsa, kullanılana kadar bir yerde bekletilmeleri/saklanmaları gerekir Alıcı genelde bir çok kaynaktan gelen frameleri saklayacak kadar büyük buffer a sahip değildir Budurumda frameler red edilir Alıcı göndericiyi uyararak veri göndermesini yavaşlatmak / durdurmak zorundadır Stop And Wait protokolünde gönderici bir frame gönderir ve alıcıdan onay (ACK) alana kadar başka frame göndermez ACK frameleri alıcı taraftan göndericiye i doğru ğ gidebilir half duplex link e ihtiyaç vardır Şekilde protokol gösterilmektedir 24

25 Stop and Wait Protocol 25

26 Gönderici taraftaki algoritma ACK alana kadar yeni ağ katmanından paket kabul etmez 26

27 Alıcı taraftaki algoritma 27

28 Stop and Wait Protocol Örnek 28

29 Gürütülü kanallar Gürültüsüz kanal gerçek hayatta bulunmaz Daha önceki protokolleri kullanabilmek için Hatalar yok sayılabilir Hata kontrol mekanizması eklenebilir 29

30 Stop and Wait Automatic Repeat Request Stop and Wait Automatic Repeat Request (Stop and Wait ARQ) protokolü Stop and Wait Protokolüne basit bir hata kontrol mekanizması ekler. Bozulmuş frameleri bulmak için ektra bitler eklememiz gerekir (10. Bölüm) Alıcı hatalı frame i bulursa hiçbirşey yapmaz. Alıcının sessizliği hata olduğu anlamına gelir Kayıp framelerin bulunması dh daha zordur 30

31 Stop and Wait Automatic Repeat Request Stop and Wait WitProtokolü lüf frame in doğru, ğ sırasında olmayan ya da tekrar gönderilmiş olduğunu anlamaz Çözüm frame lere sıra numarası eklemektir Alıcı sıra numarası doğru olmayan bir frame aldığında kayıp yada tekrarlı frameler olduğunu anlar Kayıp ve hatalı frame ler tekrar gönderilmelidir lidi Alıcı gönderdiği frame in bir kopyasını saklar ve bir timer başlatır Timer dolduğunda gönderilen frame için ACK alınmamışsa, frame yeniden gönderilir (kopya hala saklanır ve timer yeniden başlatılır). ltl ACK lar da kaybolabileceği ve bozulabileceği için ACK ların da extra bitlere ve sıra numaralarına ihtiyacı vardır Bozuk veya sırasız gelen ACK lar dikkate alınmaz 31

32 Stop and Wait Automatic Repeat Request Sıra numaralarının alabileceği lbil en yüksek k değer ğ önemlidir Frame boyutun olabildiğince küçük olması gerektiğinden, karışıklığa yol açmayacak en küçük sıra numarası aralığı seçilmelidir Sıra numaraları kendini tekrarlayabilir m bituzunluğundabir bir sıra numarası ayrılırsa 0 dan 2 m 1 e kadar sıra numarası elde edilir Ancak bu numaralara yerine modulo 2 aritmetiğine göre sadece 0 ve 1 kullanarak sıra numaraları takip edilebilir. 32

33 Stop and Wait Automatic Repeat Request Sıra numarası olarak x kullanılmış l olsun. Sıradaki dkinumara x+1 olacaktır x+2 ye hiçbir zaman ihtiyaç duyulmayacaktır. x sıra numaralı frame gönderildikten sonra 3 durum oluşabilir: 1. Frame sorunsuz şekilde alınır ve ACK gönderilir. Gönderici ACK alır ve x+1 numaralı frame gönderilir. 2. Frame sorunsuz şekilde alınır ve ACK gönderilir. ACK bozulur yada kaybolur. Gönderici frame i x sıra numarası ile tekrar göndermek zorunda kalır. 3. Frame bozuk bir şekilde alınır yada kaybolur ve alınmaz. Gönderici frame i x sıra numarası ile tekrar göndermek zorunda kalır. Sadece x ve x+1 e ihtiyaç vardır. x = 0 and x + 1=1olarak kullanılabilir. 33

34 Stop and Wait Automatic Repeat Request 34

35 35

36 36

37 37

38 Örnek Bir sonraki slaytda Stop and Wait WitARQ protokolüne ait örnek vardır Frame0 gönderilmiş ve onaylanmıştır. Frame 1 kaybolmuş ve tekrar gönderilmiştir Yeniden gönderilen Frame 1 onaylanmış ve timer durdurulmuştur Frame 0 gönderilmiş ve onaylanmıştır ancak gönderilen ACK kaybolmuştur. Gönderici frame yada ACK dan hangisinin kaybolduğunu anlayamaz ve timer bitince Frame 0 yeniden gönderilir. 38

39 39

40 Örnek 1 Stop and Wait ARQ sistemde kanalın bantgenişliği ş ğ 1Mbps ve1bitiçin round trip zamanı 20 ms olsun. Bandwidth delay product nedir? Eğer her frame 1000 bit uzunluğunda ise, kanalın kullanım verimliliği (utilization percentage) nedir. Bandwidth delay product 40

41 Örnek 1 Sistem bit gönderebilecek kkapasitedir ancak frame boyutu 1000 bit olduğundan, herhangi h ibir anda sadece 1000 bitk kanal lüzerinde olabilir. Kanalın verimliliği 1000/20000 yani %5 dir denilebilir. Stop and Wait ARQ protokolünün yüksek bantgenişliği veya uzun delay e dl sahip kanallarda kullanılması kaynakların boşa harcanmasına neden olur. Pipelinening olmamasından kaynaklanır 41

42 Örnek 22 Bir önceki örnekte gönderici ACK beklemeden 15 tane frame gönderebilseydi kanalın verimliliği ne olurdu? Bandwidth delay delayproduct hala bit dir. 15 frame yada kanal üzerinde bulunacağından ğ verimlilik llk 15000/20000 yada %75 olur. 42

43 Go Back N ARQ İletişimin/kanalın verimliliğini artırmak için, ACK beklenmeden birden fazla frame gönderilmelidir (pipelinening). Go Back N Automatic Repeat Request protokolü kanal üzerinde birden fazla frame olmasını sağlar. Gönderilen frame lerin bir kopyası ACK gelene kadar göndericide tutulur Frameler sıra numaraları ile gönderilir Header da sıra numarası as için m bit tyer ayrıldığında ğ da 0 dan 2 m 1 e kadar sıra numarası kullanılır Sıra numaraları modulo 2 m aritmatiğine göre verilir m=4 ise 0 15 arası sıra numaraları oluşur 0, 1,2,3,4,5,6, 7,8,9, 10, 11, 12, 13, 14, 15,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,

44 Go Back N ARQ Sliding window (kayan pencere) gönderici ive alıcı tarafından kontrol edilen sıra numarası aralığını belirlemek için kullanılan soyut bir kavramdır Send sliding window Receive sliding window Send sliding window gönderilmiş ve gönderilebilecek olan frame lerin sıra numaralarını kapsayan hayali bir kutudur. Pencerenin maksimum uzunluğu ğ 2 m 1dir. Pencere uzunluğunun sabit olduğunu kabul edeceğiz (olmayabilirde) 44

45 Go Back N ARQ Pencere sıra numaralarını 4 e 4e böler. En soldaki bölüm ACK ları alnmış frame lerin sıra numaralarıdır. Bunların kopyaları saklanmaz. 2. Bölüm gönderilmiş and ACK ları alnımamış frame lerin sıra numaralarıdır. Outstanding/bekleyen frame lerdir. 3. Bölümde ise gönderilebilecek bl ancak henüz network layer dan alınmamış frame sıra numaralarıdır. 4. ve son bölüm ise sliding window kayana kadar kullanılmayacak olan sıra numaralarıdır. Bu 4 bölüm, 3 değişkenle ğ ş belirlenir S f f, S n n, ve S size Pencere ACK alındıktan sonra 1 yada daha çok sıra numarası kayabilir ACK lar kümülatiftir 45

46 Go Back N ARQ 46

47 Go Back N ARQ Receive window sadece alınması beklenen frame i gösterir 47

48 Go Back N ARQ Sadece göndericide id bir tane timer vardır. İlk bekleyen frame için tutulur. Alıcı frame i doğru olarakalırsaalırsa pozitif ACK gönderir. Eğer frame bozuk ya da sıra dışı ise alıcı sessiz kalır ve daha sonra gelen hiç bir frame i kabul etmez Gönderici tarafındaki timer dolar Gönderici geri ilk bekleyen frame e döner ve bekleyen tüm frameleri yeniden gönderir Örneğin frame 6 gönderilmiş olsun, frame 3 için tutulan timer dolarsa, frame 3,4,5 ve 6 tekrar gönderilir Alıcı bir kaç frame için birden kümülatif ACK gönderebilir 48

49 Go Back N ARQ 49

50 Örnek Kümülatif ACK 50

51 Örnek Kayıp frame 51

52 Go Back N ARQ Gönderici pencere boyutu 2 m den küçük olmalıdır Örneğinğ m =2 olduğunda ğ pencere boyutu 3 olacaktır. Bütün ACK lar kayıp ise, frame 0 ın timer i i dolduğunda frame 0,1,2 tekrar gönderilir. Alıcı frame 3 ü beklediği için, gelen frame ler tk tekrar olarak kdeğerlendirilir. ğ di ili Eğer pencere boyutu 4 olursa, alıcı frame 0 ı bekler ve tekrar gönderilen frame 0 ı yeni bir frame olarak değerledirir ğ ve hata oluşur. ş 52

53 Go Back N ARQ 53

54 Gönderici algoritması 54

55 Gönderici algoritması 55

56 Alıcı algoritması 56

57 Go Back N ARQ ve Stop and Wait ARQ Stop and Wait ARQ protokolü aslında Go Back N ARQ protokolünün klüü özel lbir durumudurd Sadece 2 sıra numarası olan ve gönderici pencere boyutu 1 olan Go Back NARQ 57

58 Selective Repeat Automatic Repeat Request Go Back N ARQ alıcı tarafındaki dkiişlemleri l i hafifleten bir protokoldür Alıcı sadece tek bir değişkeni kontrol eder Herhangi buffer mekanizması kullanmaz Gürültülü ül ülü kanallar ii için bu protokol klverimsizdir i Bir çok frame in tekrar gönderilmesi verimli olmaz Gürültülü kanallarda sadece hatalı yada kayıp frame in gönderilmesi uygundur Bu protokol klselective Repeat ARQ olarak kbl bilinir Alıcı tarafındaki işlemler daha karmaşıktır 58

59 Selective Repeat Automatic Repeat Request Sl Selective Repeat tarq da gönderici ive alıcı pencereleri kullanır Gönderici ve alıcı pencerelerinin boyutu 2 m 1 dir m = 4 olursa sıra numaralar 0 ile 15 arasında olur ancak pencere boyutu 8 dir Pencerenin kısalması kanalın doluluk verimliliğini düşmesi anlamına gelir Ancak daha tekrar gönderme yapılması bu açığı kapatır Hatalı ve alınmayan frame ler için NACK gönderilir 59

60 Selective Repeat Automatic Repeat Gönderici penceresi Request 60

61 Selective Repeat Automatic Repeat Request Alıcı penceresi Go Back N den çok farklıdır: 2 m 1 uzunluğundadır ğ Selective Repeat protokolü alıcının pencere boyutu kadar frame i saklamasına ve sırasız gelen framelerin sıralanarak network layer a gönderilmesine olanak tanır 61

62 Selective Repeat Automatic Repeat Alıcı penceresi Request 62

63 Selective Repeat Automatic Repeat Request 63

64 Selective Repeat Automatic Repeat Request Pencere boyutu neden 2 m 1 m = 2 için pencere boyutu 2 m /2=2 olmalıdır. Eğer pencere boyutu 2 ise ve tüm ACK lar kaybolmuş ise, frame 0 ın timeri dolduğunda frame 0 tekrar gönderilir. Alıcı frame 2 yi beklediği için bu frame i dikkate almaz Eğer pencere boyutu 3 ise ve tüm ACK lar kaybolmuş ise, frame 0 ın timeri dolduğunda frame 0 tekrar gönderilir. Alıcıda frame 0 yi beklediği için bu tekrar gönderilmiş olan frame 0 hatalı bir şekilde yeni frame olarak kabul edilir 64

65 Selective Repeat Automatic Repeat Pencere boyutu Request 65

66 Gönderici algoritması 66

67 67

68 68

69 Alıcı Algoritması 69

70 70

71 Örnek Kayıp Frame 71

72 Selective Repeat Automatic Repeat Veri transferi Request 72

73 Piggybacking Öğrendiğimiz i tüm protokollerde iletişim i tek tk yönlüdür. Sadece kontrol amaçlı ACK ve NAK lar diğer yönde gönderilir Gerçekhayatta iletişimiki iki yönlüdür: A düğümü B ye B düğümü de A ya veri gönderebilir. Piggybackingiki iki yönlü iletişiminverimliliğini artıran bir tekniktir B düğümü de A ya veri gönderirken ayn anda A ya göndereceği kayıp ve hatalı framelere ait kontrol bilgisini de gönderebilir. 73

74 Piggybacking 74