Capa de enlace

1. Introducción

1.1. La capa de enlace

• Es la capa 2 de la arquitectura OSI.
• Se encarga de conseguir que la comunicación de datos se produzca correctamente a través de un medio físico de transmisión.
• Para lograr que dos dispositivos adyacentes se comuniquen, se necesita un control del intercambio de datos: el control del enlace.
• La capa de enlace proporciona a la capa de Red un servicio de transporte de bits fiable (asegura que los bit se trasmiten correctamente por el medio físico).
• El bloque de datos transmitido se denomina TRAMA.

1.2. Funciones de la capa de enlace

• Sincronización a nivel de trama.
• Control de flujo: las estaciones deben ponerse de acuerdo en el ritmo de trasmisión de datos.
• Control de errores: los enlaces no son perfectos. Hay que controlar que no haya errores en la transmisión.
• Direccionamiento: si hay varios posibles destinos, es necesario identificar a quien va dirigida la trama.
• Gestión del enlace:
  • Inicio de la transmisión
  • Mantenimiento de la transmisión
  • Finalización de la transmisión

1.3. MAC y LLC

• En la arquitectura IEEE 802, el nivel de enlace se divide en dos subcapas:
  • LLC: se encarga de las funciones comunes de la capa independientemente del medio físico usado
    • Control de errores
    • Direccionamiento
    • Sus funciones han sido definidas por el subgrupo 802.2.
  • MAC: se encarga del acceso al medio (gestión del enlace)

2. Tramas

• Una trama es un bloque de bits agrupados que son enviados por la línea.
• El tamaño de la trama depende del tipo de red.
• Agrupar los bits en tramas facilita:
  • la detección y corrección de errores
  • la compartición del medio.
• Una trama se compone de tres partes
  • Información sobre la trama
  • Datos.
  • Redundancia.

3. Control de flujo

• Veremos el control de flujo cuando estudiemos TCP
• Algunos protocolos de nivel 2 lo soportan. No es el caso de Ethernet.

4. Acceso al medio

4.1. Clasificación general

• Medio repartido
  • FDM: multiplexación en frecuencias
    • Cada vez menos usado: se puede infrautilizar el ancho de banda
  • TDM: multiplexación en tiempo
• Medio compartido
  • Sin colisiones
    • Sondeo
    • Paso de testigo (Token Bus)
  • Con colisiones
    • CSMA/CD (Ethernet)
    • CSMA/CA (Wifi)

4.2. FDM

• Se multiplexa el canal por frecuencia
• Cada canal se asigna a un nodo de la red
• Usado en:
  • Red telefónica (analógica)
  • Radio FM/AM
  • DSL

4.3. TDM

• Se multiplexa el canal por tiempo (a la Round Robin)
• Cada canal se asigna a un nodo de la red
• Más común en transmisiones digitales
  • GSM
  • SONET

4.4. Paso de testigo

• Cada nodo debe esperar a tener el turno de emisión
• El turno se utiliza, y se cede al siguiente por un testigo
  • Un mensaje especial que indica que no se quiere emitir más
  • Y señala el siguiente equipo que emitirá
• Ejemplos:
  • Token Bus

4.5. CSMA/CD

• Carrier-sense multiple access with collision detection
• Multiple access: Cualquiera puede emitir usando el mismo medio
• Carrier-sense: Antes de emitir, se comprueba que nadie más esté emitiendo
• Collision detection:
  • Durante la transmisión, detecto si otro también emite
  • Si se produce una colisión, dejo de emitir
  • Y espero un tiempo aleatorio para volver a intentarlo

4.6. CSMA/CA

• Carrier-sense multiple access with collision avoidance
• Similar a CSMA/CD
• Collision avoidance para evitar los nodos ocultos:
  • Antes de emitir los datos se envía un RTS (request to send)
    • Es un mensaje pequeño, con poca probalibilidad de colisión
  • Un nodo central recibe los RTS y determina quién recibe un CTS (clear to send)
  • El que recibe el CTS puede enviar sus datos sin problemas

5. Control de errores

• Consiste en enviar algunos bits añadidos a los datos con información que permita detectar o corregir los errores.
• El porcentaje de redundancia se calcula como \[\frac{bitsdecontrol}{bitstotales}\times 100\]
• Los errores pueden
  • Detectarse
  • Adicionalmente, corregirse

5.1. Errores

• Un único bit
  • Más comunes en transmisión en paralelo
• Ráfagas de bits
  • Una interferencia actúa sobre los medios de transmisión
  • Perturban varios bits seguidos
  • Afectan más a comunicaciones en serie

5.2. Detección de errores

• ECO
  • El receptor envía una copia exacta de la información recibida al emisor.
  • El emisor confirma con otra trama que la información es correcta
• Paridad lineal. Se añade un bit extra, indicando si el número de bits con valor a 1 es par o impar.
  • 100100, con paridad par, se envía como 100100 0
  • 100100, con paridad impar, se envía como 100100 1
  • Problema: ¿Qué pasa si cambia un número par de bits?

5.2.1. Paridad de bloque

• Paridad de bloque. Se distribuyen los datos en una tabla y se calcula paridad por cada línea y columna.
  • Mensaje: 1100101 0110110 1011010 1001111 0111001 1100111 1010000, con paridad par
  • Se envía 1100101 0 0110110 0 1011010 0 1001111 1 0111001 0 1100111 1 1010000 0 1001000 0

• Conclusión:
  • Si falla un bit, puedo arreglarlo
  • Si fallan dos bits, lo detecto
  • Si fallan más,
    • Puedo no enterarme
    • Puede parecer que ha fallado solo uno
    • Puedo detectar el error

5.3. Actividad

• Calcular la paridad bidimensional del siguiente mensaje:
  • 1001101, 1111010, 1100110, 1110001, 1101001, 1110111, 0010111

5.4. Distancia de Hamming

• Cuando se produce un error, cambian algunos bits
• Según la codificación utilizada, no todas las combinaciones de 0s y 1s son posibles
  • Ejemplo: 4B/5B
• La distancia de Hamming de un código es la cantidad de bits que hay que cambiar en una combinación válida para llegar a otra combinación válida
• Cuanto mayor sea la distancia, más robusto es el código frente a errores
  • Si la distancia es \(d\), se pueden detectar errores de hasta \(d-1\) bits.
  • Si la distancia es \(d\), se pueden corregir errores de hasta \(\lfloor(d-1)/2\rfloor\) bits.
• ¿Cuál es la distancia de Hamming de una transmisión con paridad?

5.5. CRC

• Al principio de la comunicación, emisor y receptor acuerdan un Polinomio Generador.
• Al iniciar la transmisión se añaden un número predeterminado de ceros a la información a enviar y se divide utilizando el polinomio generador.
• El receptor realiza nuevamente una división sobre los datos recibidos y si el resto es 0 indica que la trama se ha recibido sin errores.
• Finalmente se descartan los bits añadidos en el transmisor para quedarnos con el mensaje original.

5.5.1. ¿Por qué CRC?

• Hay versiones de CRC para diferentes longitudes de polinomio: CRC16, CRC32,…
• Los errores se producen típicamente a ráfagas
• Para un CRC de \(n\) bits
  • Se detectan todos los errores de ráfagas de menos de \(n\) bits incorrectos
  • Se detecta una fracción de las ráfagas más largas (\(1 - 2^{-n}\))

6. Corrección de errores

• La detección de errores es el primer paso
• Una vez detectado:
  • Se puede ignorar (las capas más altas deben arreglar el error)
  • Se puede corregir
• Ethernet no corrige errores, pero veremos algunas técnicas que pueden usar otras capas 2

6.1. Retransmisión

• Es el método de corrección más sencillo.
• Se detecta el error y se pide al emisor que vuelva a enviar la trama.
• Se tienen que memorizar las tramas enviadas hasta la recepción de un ACK que confirme que el envío de información fue exitosa.

6.2. Corrección: Código Hamming

• Codificación que permite la detección y la corrección de un bit
  • Tienen distancia 3
• Se inluyen bits de paridad de la siguiente forma:
  • Los bits de las posiciones \(s=2^{p-1}\) son de paridad: 1, 2, 4, 8…
  • El resto son de datos
  • El bit de la posición \(s\) se incluye en el bit de paridad \(p\) si la expresión de \(s\) en binario tiene a 1 el bit \(p\)

6.2.1. Clasificación de códigos de Hamming

• La tabla anterior se puede hacer para cualquier longitud
• El ejemplo tiene 11 bits en total, 7 son de datos: Hamming(11,7)
• También es común el Hamming(7,4)

6.2.2. Ejemplo Hamming(11,7)

• Para transmitir 0110101

  	p1	p2	d1	p3	d2	d3	d4	p4	d5	d6	d7
  	s1	s2	s3	s4	s5	s6	s7	s8	s9	s10	s11
  Datos			0		1	1	0		1	0	1
  p1			0		1		0		1		1
  p2			0			1	0			0	1
  p3					1	1	0
  p4									1	0	1

• Para transmitir 0110101

• Se transmite 10001100101

  	p1	p2	d1	p3	d2	d3	d4	p4	d5	d6	d7
  	s1	s2	s3	s4	s5	s6	s7	s8	s9	s10	s11
  Datos			0		1	1	0		1	0	1
  p1	1		0		1		0		1		1
  p2		0	0			1	0			0	1
  p3				0	1	1	0
  p4								0	1	0	1
  Datos (con paridad):	1	0	0	0	1	1	0	0	1	0	1

6.2.3. Detección de un error con Hamming

• Se recibe 11001100101

• Hay un error, y se localiza en la posición 0010: s2 (p2)

6.2.4. Ejercicio

• Decide si las siguientes palabras de código Hamming son correctas. Si no son correctas, corrígelas.
  • 10001100101
  • 00100110010
  • 01110111001

6.2.5. ¿Y si hay más de 1 error?

• Su distancia de Hamming es 3, así que no se puede corregir
• En Hamming extendido se añade un bit de paridad adicional
  • Permite detectar errores de tres bits, pero no corregirlos

6.3. Ejercicio

• Calcula el porcentaje de redundancia de:
  • Tramas de 1000 bytes, con crc32 incluido en los 1000 bytes
  • Tramas de 100 bytes, con crc16 añadido a los 100 bytes
  • Hamming (7,4)
  • Hamming (11,7)
  • Hamming (11,7) extendido
  • Paridad lineal: un bit de paridad cada 7 de datos
  • Paridad de bloque: un bit de paridad lineal cada 7 de datos, bloques de 49 bits de datos

6.4. Códigos Reed Solomon

• En la actualidad, Hamming tiene una utilidad didáctica más que práctica
• En la actualidad se utiliza Reed-Solomon
  • CD, DVD, BlueRay
  • QR
  • Raid 6
  • DVB, WiMax, transmisiones aeroespaciales

7. Ejemplo: RS232

• Conocido como puerto serie
• Utiliza codificación de canal NRZ
• Siempre hay un bit de inicio de palabra, a nivel alto
• Parámetros:
  • baudios
  • bits de datos: generalmente 8
  • bit de paridad: sin paridad, paridad par o paridad impar
  • bits de parada: 1 o 2, nivel bajo

8. Referencias

• Formatos:
  • Transparencias
  • PDF
  • Página web
  • EPUB
• Creado con:
  • Emacs
  • org-re-reveal
  • Latex
• Alojado en Github