Capa de Enlace Conceptos
INTRODUCCIÓN
La capa de enlace, que se sitúa inmediatamente encima de la capa física, se ocupa de suministrar un transporte de bits, normalmente fiable, a la capa de red. La capa de enlace solo se ocupa de equipos física y directamente conectados, sin tener conocimiento o ‘conciencia’ de la red en su conjunto. Esto no quiere decir que no pueda haber ningún dispositivo en el cable que conecta los dos equipos, puede haber amplificadores o repetidores; los amplificadores son dispositivos que amplifican la señal desde el punto de vista analógico, los repetidores interpretan bit a bit la información digital contenida en la señal y la regeneran de nuevo. Los amplificadores distorsionan ligeramente la señal, por lo que si se conectan muchos en serie la deformación puede llegar a ser excesiva (algo parecido a hacer una fotocopia de fotocopia muchas veces). En cambio los repetidores, al regenerar la señal digital original no introducen ninguna distorsión y por tanto por este lado se pueden encadenar en serie sin restricciones; sin embargo consideraciones del retardo introducido en la propagación de la señal también imponen un número máximo en este caso. En cualquier caso tanto los amplificadores como los repetidores son dispositivos que funcionan a nivel físico puesto que se limitan a reproducir la señal bit a bit sin alterarla ni interpretar su significado.
Un ejemplo de nivel de enlace podría ser una línea E3 que interconecta dos ordenadores y que transcurre por un sistema SDH. La línea atravesará típicamente una serie de repetidores, ADMs y probablemente cross-connect SDH; sin embargo desde el punto de vista de esos dos ordenadores todo será equivalente a una conexión E3 PDH tradicional.
Una característica importante de la capa de enlace es que los bits han de llegar a su destino en el mismo orden en que han salido; en algunos casos puede haber errores o pérdida de bits, pero nunca debe producirse una reordenación en el camino.
Las principales funciones que desarrolla la capa de enlace son las siguientes:
Agrupar los bits en grupos discretos denominados tramas. Esto permite desarrollar de forma más eficiente el resto de funciones. o Realizar la comprobación de errores mediante el código elegido, que puede ser corrector o simplemente detector. En el caso de código corrector se procede a corregir los errores, en el de un código detector la trama errónea se descarta y opcionalmente se pide retransmisión al emisor. o Efectuar control de flujo, es decir pedir al emisor que baje el ritmo o deje momentáneamente de transmitir porque el receptor no es capaz de asimilarla información enviada.
No todas las funciones se implementan en todos los protocolos de enlace. La retransmisión de tramas erróneas y el control de flujo a menudo se implementan en las superiores (capa de red, de transporte, o incluso en la de aplicación).
La mayoría de las funciones del nivel de enlace se implementan en el hardware de los equipos. Esto hace que los protocolos de nivel de enlace se modifiquen poco con el tiempo.
Los tipos de servicio que la capa de enlace puede suministrar a la capa de red son normalmente los siguientes:
o Servicio no orientado a conexión y sin acuse de recibo o Servicio no orientado a conexión con acuse de recibo o Servicio orientado a conexión con acuse de recibo
En el primer caso el envío se hace ‘a la buena de dios’ sin esperar ninguna indicación del receptor sobre el éxito o fracaso de la operación. Este tipo de servicio es apropiado cuando la tasa de error es muy baja (redes locales o fibra óptica) y se deja la misión de comprobar la corrección de los datos transmitidos a las capas superiores (normalmente el nivel de transporte); se considera en estos casos que la probabilidad de error es tan baja que se pierde más tiempo haciendo comprobaciones inútiles que dejando esta tarea a las capas superiores. También se usa este tipo servicio cuando se quiere transmitir información en tiempo real (por ejemplo en una videoconferencia) y no se quiere sufrir el retraso que impondría un servicio más sofisticado en la capa de enlace (se supone que en este caso preferimos la pequeña tasa de error del medio físico a cambio de minimizar el retardo, o dicho de otro modo si se hiciera reenvío en caso de error sería peor el remedio que la enfermedad).
En el segundo tipo de servicio se produce un acuse de recibo para cada trama enviada. De esta manera el emisor puede estar seguro de que ha llegado. Suele utilizarse en redes con más tasa de error, por ejemplo redes inalámbricas.
El tercer servicio es el más seguro y sofisticado. El emisor y el receptor establecen una conexión explícita de antemano, las tramas a enviar se numeran y se aseguran ambos de que son recibidas todas correctamente en su destino y transmitidas a la capa de red una vez y sólo una.
En el servicio orientado a conexión se pueden distinguir tres fases: establecimiento de la conexión, envío de los datos, y terminación de la conexión. En la primera se establecen los contadores y buffers necesarios para la transmisión, en la segunda se envían los datos con las retransmisiones que sea preciso, y en la tercera se liberan los buffers y variables utilizadas.
TRAMAS
La capa de enlace agrupa los bits en paquetes discretos denominados tramas (frames) que son los que envía por la línea. A veces, como en el caso de SDH, el medio físico crea también sus propias tramas, que no tienen por que coincidir con las del nivel de enlace. Según el tipo de red la trama puede oscilar entre unos pocos y unos miles de bytes. La utilización de tramas simplifica el proceso de detección y eventual corrección de errores. Una buena parte de las tareas de la capa de enlace tiene que ver con la construcción e identificación de las tramas.
Para identificar el principio y final de una trama la capa de enlace puede usar varias técnicas; las más normales son:
Contador de caracteres o Caracteres indicadores de inicio y final con caracteres de relleno o Bits indicadores de inicio y final, con bits de relleno o Violaciones de código a nivel físico
En el primer método se utiliza un campo en la cabecera de la trama para indicar el número de caracteres de ésta. Parece lo más sencillo e intuitivo, pero tiene un serio problema: si un error afecta precisamente a la parte de la trama que indica la longitud, o si por un error en la línea se envían bits de más o de menos, todas las tramas posteriores serán mal interpretadas.
El segundo método utiliza una secuencia especial de caracteres para marcar el inicio y final de cada trama, normalmente los caracteres ASCII DLE STX para el inicio y DLE ETX para el final (DLE es Data Link Escape, STX es Start of Text y ETX End of Text). De esta forma si ocurre un error o incidente grave el receptor sólo tiene que esperar a la siguiente secuencia DLE STX o DLE ETX para saber en que punto se encuentra.
Cuando se usa este sistema para transmitir ficheros binarios es posible que por puro azar aparezcan en el fichero secuencias DLE STX o DLE ETX, lo cual provocaría la interpretación incorrecta de un principio o final de trama por parte del receptor. Para evitar esto se utiliza una técnica conocida como relleno de caracteres (‘character stuffing’ en inglés): el emisor cuando ve que ha de transmitir un carácter DLE proveniente de la capa de red intercala en la trama otro carácter DLE; el receptor, cuando recibe dos DLE seguidos, ya sabe que ha de quitar un DLE y pasar el otro a la capa de red.
El principal problema que tiene el uso de DLE STX y DLE ETX es su dependencia del código de caracteres ASCII. Este método no resulta adecuado para transmitir otros códigos, especialmente cuando la longitud de carácter no es de 8 bits. Tampoco es posible enviar con este sistema tramas cuyo tamaño no sea múltiplo de ocho bits. Para evitar estos problemas se ha diseñado una técnica que podríamos considerar una generalización de la anterior, consistente en utilizar una determinada secuencia de bits para indicar el inicio de una trama. Generalmente se utiliza para este fin la secuencia de bits 01111110, que se conoce como byte indicador (‘flag byte’ o ‘flag pattern’). El receptor esta permanentemente analizando la trama que recibe buscando en ella la presencia de un flag byte, y en cuanto lo detecta sabe que ha ocurrido un inicio (o final) de trama. Aunque el flag byte tiene ocho bits el receptor no realiza el análisis byte a byte sino bit a bit, es decir la secuencia 01111110 podría suceder ‘a caballo’ entre dos bytes y el receptor la interpretaría como flag byte; esto permite el envío de tramas cuya longitud no sea múltiplo de ocho.
Queda por resolver el problema de que los datos a transmitir contengan en sí mismos la secuencia 01111110; en este caso se utiliza la técnica conocida como relleno de bits o inserción de bit cero (‘bit stuffing’ o ‘zero bit insertion’). Consiste en que el emisor, en cuanto detecta que el flujo de bits contiene cinco bits contiguos con valor 1, inserta automáticamente un bit con valor 0. El receptor por su parte realiza la función inversa: analiza el flujo de bits entrante y en cuanto detecta un 0 después de cinco unos contiguos lo suprime en la reconstrucción de la trama recibida. De esta forma la secuencia 01111110 no puede nunca aparecer como parte de los datos transmitidos mas que como delimitador de tramas. Si las cosas van mal y el receptor pierde noción de donde se encuentra bastará con que se ponga a la escucha de la secuencia 01111110 que le indicará el inicio o final de una trama.
La trama a transmitir incluye casi siempre, además de los datos, alguna información de control de errores, por ejemplo un código CRC como veremos más tarde. Es importante notar que el relleno de bits (o de bytes) debe aplicarse a la trama inmediatamente antes de transmitirla y después de haber calculado el CRC, ya que de lo contrario la trama no sería interpretada correctamente si el CRC contuviera por azar el carácter o secuencia delimitadora de trama.
El cuarto método de identificación de tramas, violaciones de código a nivel físico, se utiliza en determinados tipos de red local aprovechando el hecho de que determinadas secuencias de símbolos no están permitidas y por tanto no pueden ocurrir en los datos a transmitir. Este método está muy relacionado con las características del medio físico utilizado.
