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LA CAPA DE ENLACE DE DATOS - Coggle Diagram

- - - - La capa de enlace de datos puede diseñarse para ofrecer varios servicios. Los servicios reales ofrecidos varían de un protocolo a otro.
        Tres posibilidades razonables que normalmente se proporcionan son:
        
        Servicio sin conexión ni confirmación de recepción.
        
        Servicio sin conexión con confirmación de recepción.
        
        Servicio orientado a conexión con confirmación de recepción.
        
        El servicio sin conexión ni confirmación de recepción consiste en hacer que la máquina de origen envíe tramas independientes a la máquina de destino sin que ésta confirme la recepción. Ethernet es un buen ejemplo de una capa de enlace de datos que provee esta clase de servicio.
        
        El siguiente paso en términos de confiabilidad es el servicio sin conexión con confirmación de recepción. Cuando se ofrece este servicio tampoco se utilizan conexiones lógicas, pero se confirma de manera individual la recepción de cada trama enviada. De esta manera, el emisor sabe si la trama llegó bien o se perdió.
        
        Recapitulando el servicio más sofisticado que puede proveer la capa de enlace de datos a la capa de red es el servicio orientado a conexión. Con este servicio, las máquinas de origen y de destino establecen una conexión antes de transferir datos. Cada trama enviada a través de la conexión está numerada, y la capa de enlace de datos garantiza que cada trama enviada llegará a su destino. Es más, garantiza que cada trama se recibirá exactamente una vez y que todas las tramas se recibirán en el orden correcto.
    - - Una vez resuelto el problema de marcar el inicio y el fin de cada trama, llegamos al siguiente dilema: cómo asegurar que todas las tramas realmente se entreguen en el orden apropiado a la capa de red del destino.
        
        Para un servicio sin conexión ni confirmación de recepción sería ideal si el emisor siguiera enviando tramas sin importarle si llegan en forma adecuada. Pero para un servicio confiable orientado a conexión no sería nada bueno.
        
        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. Si el emisor recibe una confirmación de recepción positiva de una trama, sabe que la trama llegó de manera correcta. Por otra parte, una confirmación de recepción negativa significa que algo falló y que se debe transmitir la trama otra vez.
    - - Otro tema de diseño importante que se presenta en la capa de enlace de datos es qué hacer con un emisor que quiere transmitir tramas de manera sistemática y a mayor velocidad que aquella con que puede aceptarlos el receptor.
        
        Por lo general, se utilizan dos métodos. En el primero, el control de flujo basado en retroalimentación, el receptor regresa información al emisor para autorizarle que envíe más datos o por lo menos indicarle su estado. En el segundo, el control de flujo basado en tasa, el protocolo tiene un mecanismo integrado que limita la tasa a la que el emisor puede transmitir los datos, sin recurrir a la retroalimentación por parte del receptor.
    - - Lo que hace la capa física es aceptar un flujo de bits puros y tratar de entregarlo al destino. Si el canal es ruidoso, como en la mayoría de los enlaces inalámbricos y en algunos alámbricos, la capa física agregará cierta redundancia a sus señales para reducir la tasa de error de bits a un nivel tolerable. Sin embargo, no se garantiza que el flujo de bits recibido por la capa de enlace de datos esté libre de errores. Algunos bits pueden tener distintos valores y la cantidad de bits recibidos puede ser menor, igual o mayor que la cantidad de bits transmitidos. Es responsabilidad de la capa de enlace de datos detectar y, de ser necesario, corregir los errores.
        
        El método común es que la capa de enlace de datos divida el flujo de bits en tramas discretas, calcule un token corto conocido como suma de verificación para cada trama, e incluya esa suma de verificación en la trama al momento de transmitirla.
        
        Cuando una trama llega al destino, se recalcula la suma de verificación. Si la nueva suma de verificación calculada es distinta de la contenida en la trama, la capa de enlace de datos sabe que ha ocurrido un error y toma las medidas necesarias para manejarlo
        
        Es más difícil dividir el flujo de bits en tramas de lo que parece a simple vista. Un buen diseño debe facilitar a un receptor el proceso de encontrar el inicio de las nuevas tramas al tiempo que utiliza una pequeña parte del ancho de banda del canal. En esta sección veremos cuatro métodos:
        
        Conteo de bytes.
        
        Bytes bandera con relleno de bytes.
        
        Bits bandera con relleno de bits.
        
        Violaciones de codificación de la capa física.
  - - - Sin los códigos de corrección de errores sería difícil hacer pasar cualquier cosa. Sin embargo, a través de la fibra óptica o del cable de cobre de alta calidad, la tasa de error es mucho más baja, por lo que la detección de errores y la retransmisión por lo general son más eficientes para manejar un error ocasional. En esta sección examinaremos tres códigos de detección de errores distintos. Todos son códigos de bloques sistemáticos lineales:
        
        Paridad.
        
        Sumas de verificación.
        
        Pruebas de Redundancia Cíclica (CRC).
        
        El primer código de detección de errores en el que se adjunta un solo bit de paridad a los datos.
        El bit de paridad se elige de manera que el número de bits 1 en la palabra codificada sea par (o impar). Hacer esto es equivalente a calcular el bit de paridad (par) como la suma módulo 2 o el resultado de un XOR en los bits de datos.
        Para detectar un solo bloque con 1 bit de error, basta con un bit de paridad por bloque. Por cada 1000 bloques se encontrará un bloque con error y se tendrá que transmitir un bloque extra (1001 bits) para reparar ese error. La sobrecarga total del método de detección de errores y retransmisión es de sólo 2001 bits por megabit de datos, en comparación con los 10 000 bits en un código de Hamming.
        
        La suma de verificación, está muy relacionado con los grupos de bits de paridad. La palabra “suma de verificación” se utiliza con frecuencia para indicar un grupo de bits de verificación asociados con un mensaje, sin importar cómo se calculen. Un grupo de bits de paridad es un ejemplo de una suma de verificación. Sin embargo, hay otras sumas de verificación más poderosas basadas en la suma acumulada de los bits de datos del mensaje. Por lo general la suma de verificación se coloca al final del mensaje, como el complemento de la función de suma. De esta forma, los errores se pueden detectar al sumar toda la palabra codificada recibida, tanto los bits de datos como la suma de verificación. Si el resultado es cero, no se ha detectado ningún error. La suma de verificación de Internet es eficiente y simple, pero ofrece una protección débil en algunos casos, precisamente debido a que es una suma simple. No detecta la eliminación o adición de datos cero, ni el intercambio de partes del mensaje y ofrece una protección débil contra los empalmes de mensajes, en donde se juntan partes de dos paquetes. Estos errores pueden parecer muy poco probables de ocurrir mediante procesos aleatorios, pero son justo el tipo de errores que pueden ocurrir con hardware defectuoso.
        
        En la práctica se utiliza mucho un tercer tipo de código de detección de errores más potente en la capa de enlace: el CRC (Comprobación de Redundancia Cíclica, del inglés Cyclic Redundancy Check), también conocido como código polinomial. Los códigos polinomiales se basan en el tratamiento de cadenas de bits como representaciones de polinomios con coeficientes de 0 y 1 solamente. Cuando se emplea el método de código polinomial, el emisor y el receptor deben acordar por adelantado un polinomio generador, G(x). Tanto los bits de orden mayor y menor del generador deben ser 1. Para calcular el CRC para una trama con m bits, correspondiente al polinomio M(x), la trama debe ser más larga que el polinomio generador. La idea es incluir un CRC al final de la trama de tal manera que el polinomio representado por la trama con suma de verificación sea divisible entre G(x). Cuando el receptor recibe la trama con la suma de verificación, intenta dividirla entre G(x). Si hay un residuo, ha ocurrido un error de transmisión.
    - - Analizaremos cuatro códigos de corrección de errores:
        
        Códigos de Hamming.
        
        Códigos convolucionales binarios.
        
        Códigos de Reed-Solomon.
        
        Códigos de verificación de paridad de baja densidad.
        
        Todos estos códigos agregan redundancia a la información que se envía. Una trama consiste en m bits de datos (mensaje) y r bits redundantes (verificación). En un código de bloque, los r bits de verificación se calculan únicamente en función de los m bits de datos con los que se asocian, como si los m bits se buscaran en una gran tabla para encontrar sus correspondientes r bits de verificación. En un código sistemático, los m bits de datos se envían directamente, junto con los bits de verificación, en vez de que se codifiquen por sí mismos antes de enviarlos. En un código lineal, los r bits de verificación se calculan como una función lineal de los m bits de datos. El OR exclusivo (XOR) o la suma de módulo 2 es una elección popular. Esto significa que la codificación se puede llevar a cabo con operaciones como multiplicaciones de matrices o circuitos lógicos simples.
        
        Las distancias de Hamming son valiosas para comprender los códigos de bloque, y los códigos de Hamming se utilizan en la memoria de corrección de errores. Sin embargo, la mayoría de las redes utilizan códigos más robustos.
        
        En un código convolucional, un codificador procesa una secuencia de bits de entrada y genera una secuencia de bits de salida. No hay un tamaño de mensaje natural, o límite de codificación, como en un código de bloque. La salida depende de los bits de entrada actual y previa. Es decir, el codificador tiene memoria. El número de bits previos de los que depende la salida se denomina longitud de restricción del código. Los códigos convolucionales se especifican en términos de su tasa de transmisión y su longitud de restricción.
        
        El código de Reed-Solomon. Al igual que los códigos de Hamming, los códigos de Reed-Solomon son códigos de bloques lineales y con frecuencia también son sistemáticos. A diferencia de los códigos de Hamming, que operan sobre bits individuales, los códigos de Reed-Solomon operan sobre símbolos de m bits. Naturalmente las matemáticas son más complejas.
        
        El código LDPC (Verificación de Paridad de Baja Densidad, del inglés Low-Density Parity Check). Los códigos LDPC son códigos de bloques lineales inventados por Robert Gallagher en su tesis para doctorado (Gallagher, 1962). Al igual que la mayoría de las tesis, estos códigos pronto fueron olvidados, y no fue sino hasta 1995 que se reinventaron gracias a los avances en el poder de las computadoras, pues ya era práctico utilizarlos. En un código LDPC, cada bit de salida se forma sólo a partir de una fracción de los bits de entrada. Esto conduce a una representación matricial del código con una densidad baja de 1s, razón por la cual tiene ese nombre. Las palabras codificadas recibidas se decodifican con un algoritmo de aproximación que mejora de manera reiterativa con base en el mejor ajuste de los datos recibidos con una palabra codificada válida. Esto corrige los errores.