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Protocolos de enlace de datos:
Xmodem
1.- Motivación y Objetivos.
Un protocolo de enlace de datos es un programa que permite la transferencia fiable de datos entre
dos máquinas. La utilidad de un programa de estas características es obvia, por lo que existe una
amplia colección de estos protocolos para prácticamente todo tipo de máquinas y sistemas
operativos. A pesar de esto, consideramos que es muy importante, no sólo “saber” cómo es uno de
estos protocolos, sino también “saber hacer”, poder desarrollar un protocolo de enlace que pueda
estar personalizado a las necesidades específicas de un entorno o de un nuevo equipo/dispositivo
microprocesador. Piénsese, por ejemplo, en un diseño a medida de un dispositivo sensor a
microprocesador que mida temperatura, presión, peso o cualquier otro parámetro, y que tenga que
transmitir la información de forma fiable a una central de proceso de datos. Es un ejemplo, entre
miles, en que se necesita dotar al nuevo dispositivo de un protocolo de enlace. De ahí el interés de
este capítulo, donde se explica como implementar ( y se da implementado) el, posiblemente, más
sencillo, común y veterano de los protocolos de enlace, el Xmodem.
Organización del capítulo.
El punto 2 es una introducción muy simplista, pero entendemos que clarificadora, de cuales son las
funciones de todo nivel de enlace de datos y como pueden llevarse a cabo.
El punto 3 explica como funciona Xmodem.
2.- Introducción a los protocolos de enlace de datos
La función de este nivel es corregir los errores de transmisión de los datos que puedan producirse
en el nivel físico. La manera como abordamos este problema es estableciendo un protocolo de
enlace de datos entre emisor y receptor.
¿Qué es un protocolo? Según el diccionario de la Real Academia Española es una “regla ceremonial
diplomática establecida por decreto o costumbre”. Adaptando esta definición al mundo de los
computadores diremos que es “el conjunto de acciones preestablecidas que regulan el dialogo entre
emisor y receptor”. O dicho en Román Paladino, que cuando el ordenador A transmita tal cosa, el
ordenador B deberá responder de tal y tal manera.
¿Cómo se plantea un protocolo de enlace de datos?. Imagínese que usted utiliza el correo ordinario
para mandar a un colega un libro que está escribiendo. Usted manda un capítulo tras otro a medida
que los va escribiendo. Evidentemente ningún servicio de correos es perfecto (¡el español no lo es!)
y existe la posibilidad de que se dañe (se pierda alguna hoja o quede ilegible) o extravíe una o varias
cartas.
No obstante, éste no es un problema indetectable ni tampoco insalvable. Quiere decirse que usando
unas medidas de control lógicas, como puede ser numerar los capítulos, numerar las páginas, saber
a priori que se mandará un capítulo por semana (p.e.), etc., cualquiera de los dos corresponsales
puede fácilmente darse cuenta si no llega bien un capítulo y si es necesario que se vuelva a mandar
(esperando una mejor suerte en el reenvío).
Un protocolo de enlace de datos no es muy distinto del comportamiento lógico de nuestros dos
corresponsales. Podemos razonar, paso a paso, las pautas ól gicas que debe seguir cualquier
Protocolos de enlace de datos - 1
protocolo de este estilo. Denominaremos A al computador que transmite los datos y B al que los
recibe.
Paso 1: ¿ Cómo puede saber el receptor que los datos que ha recibido están o no dañados,
alterados?
Un protocolo de enlace de datos transmite bloques de información de un tamaño máximo X al que
va asociado algún mecanismo de detección de errores. El más potente es el código redundante
cíclico (CRC) que se estudiará en capítulo aparte. En cualquier caso, utilizado el CRC u otro, todos
los métodos de detección de errores se basan en dar al bloque una propiedad conocida a priori por
ambos computadores. Si se altera el contenido del bloque en la transmisión se pierde la propiedad y
esto permite decidir al receptor que el contenido difiere del original transmitido, esto es, que el
bloque es erróneo y hay que descartarlo.
En conclusión: Un protocolo de enlace debe utilizar una transmisión por bloques (a nivel de enlace
los bloques tienen nombre propio: tramas), y todas las tramas con su CRC, o método alternativo,
para poder detectar errores.
Paso 2: ¿Cómo saber si la trama que ha llegado es la primera ( o la n-ésima)?
Secuenciando las tramas. Es decir, además de transmitir datos y CRC se transmite un campo (por
ejemplo un octeto) que permita secuenciar las tramas ( cíclicamente, p.e. 0, 1, 2, ..., 254, 255, 0, 1,
...).
Paso 3: ¿Qué se debe hacer si se detecta que ha llegado correctamente el (p.e.) bloque 2 y el
primero no?
Una estrategia ampliamente utilizada es mandar al emisor de las tramas de datos (A), tramas de
“reconocimiento positivo” en caso de recepción correcta (una especie de acuse de recibo) y tramas
de “reconocimiento negativo” en caso de haber detectado un error de recepción (una especie de
reclamación por trama dañada). Los reconocimientos normalmente indican el número de secuencia
de la trama de datos a la que aluden. Es claro que si A recibe un reconocimiento negativo de un
trama, deberá retransmitirla.
Paso 4: Obsérvese que si el emisor transmite una trama de datos y se pierde completamente (un
fallo temporal en la línea de transmisión p.e.) el receptor es incapaz de detectar este tipo de error.
Lo mismo puede ocurrir para los “reconocimientos positivos y negativos” antes mencionados que se
pueden perder completamente. ¿Cómo debe actuar la máquina A en ausencia de contestación al
envió de una trama?
La estrategia conservadora es repetir las tramas de las que no reciba un reconocimiento positivo
pasado un tiempo prudencial de respuesta (tiempo que se le denomina de “Time Out”).
Simplemente siguiendo estas cuatro reglas tenemos el 90% de prácticamente cualquier protocolo
conocido de enlace de datos. Existen factores que pueden simplificar o complicar un protocolo. Por
ejemplo, una medida simplificadora es hacer que el computador emisor A no mande una nueva
trama hasta que le hayan reconocido positivamente la actual (protocolos tipo Stop & Wait). Pero
esta estrategia puede ser menos eficiente que permitir que A pueda mandar varias tramas a la vez
sin esperar los reconocimientos (protocolos tipo Pipeline).
Protocolos de enlace de datos - 2
3.- Protocolo Xmodem
Xmodem es un protocolo del tipo Stop & Wait, es decir, el transmisor transmitirá una trama de
datos y esperará un reconocimiento del receptor para mandar la siguiente trama (reconocimiento
positivo) o repetir la transmisión (reconocimiento negativo).
El formato de las tramas de datos que transmite el transmisor es:
donde:
SOH = Comienza la cabecera (Start Of Header), ASCII 1 (0x01)
BLK = Número de bloque (BLocK number), 0 a 255
BLC = Complemento a 1 de BLK (BLock Complement)
CHK = Suma módulo 256 del campo de 128 datos (CHecKsum)
El transmisor también transmite una trama de control, que es un único carácter:
donde:
EOT = Fin de transmisión (End Of Transmission), ASCII 4 (0x04)
El receptor sólo transmite tramas de control, formadas por un único carácter:
donde:
ACK = Reconocimiento positivo (ACKnowledge), ASCII 5 (0x05)
NAK = Reconocimiento negativo (Negative AcK.), ASCII 21 (0x15)
CAN = Cancelar (CANcel), ASCII 24 (0x18)
Protocolos de enlace de datos - 3
Funcionamiento.
Las tramas de datos empiezan siempre por el carácter ASCII SOH (0x01). La secuencia de las
tramas se identifica mediante el campo BLK. BLK es un octeto, luego los valores posibles son
[0..255]. La primera trama se numera con BLK=1 (no como BLK=0). BLK se incrementa en 1
módulo 256 a cada nueva trama. (Obsérvese que detrás de la trama 255 va la trama 0, no la 1).
Ante la importancia de este campo, el campo BLC se manda para poder detectar errores de
transmisión que pudieran haber alterado el valor de BLK. Si el complemento a 1 del BLK recibido
no coincide con el valor de BLC se entenderá que ha habido un error de transmisión y se pedirá una
retransmisión de la trama.
El campo de datos es siempre fijo de 128 octetos. Esto implica que si el fichero a transmitir no es
de tamaño múltiplo de 128 octetos, habrá una última trama que tendrá que ser rellenada con ceros
hasta completar los 128 octetos. Una curiosidad de este protocolo es que el receptor interpretará
este relleno como parte del fichero, escribiendo en disco un fichero de tamaño múltiplo de 128. Esto
no es un problema, tanto si el fichero es de contenido ASCII (p.e. texto) como si es un fichero
binario (p.e. ejecutable), no le molestará tener un añadido de ceros al final del fichero.
El campo CHK es el checksum de los 128 octetos de datos. Se calcula como la suma módulo 256
de los 128 octetos. Emisor y receptor realizan la operación. El receptor decide que ha habido un
error de transmisión si el checksum que calcula no coincide con el transmitido en el campo CHK,
entonces solicitará una retransmisión de la trama.
Si la recepción de la trama de datos es correcta, el receptor solicita la siguiente mandando ACK. Si
ha habido algún error de recepción, el receptor manda NAK solicitando una retransmisión. Si el
error en recepción es reiterado (10 veces consecutivas la misma trama errónea) entonces el
receptor manda CAN para cancelar la transmisión del fichero.
Protocolos de enlace de datos - 4
El pseudo código (sin entrar en detalles) del emisor y del receptor es el siguiente:
EMISOR:--------------------------------------------------------------------------------------Abrir fichero a transmitir
Inicializar la rs232/modem/...el canal a utilizar
Esperar a recibir NAK
MIENTRAS (todavía hay bloques para transmitir){
REPETIR{
Mandar SOH que corresponda
Mandar BLK
Mandar BLC /* 255-BLK */
Mandar datos y calcular el checksum
Mandar CHK
Esperar respuesta con TimeOut
}HASTA (la respuesta sea ACK o 10 intentos
consecutivos)
}
Mandar EOT
Esperar por ACK
Cerrar fichero
RECEPTOR:--------------------------------------------Crear un fichero nuevo
Inicializar la RS232/modem/...
Mandar NAK para indicar al emisor empiece a transmitir
REPETIR{
Esperar por SOH, EOT o TimeOut
SI (es SOH){
Tomar el número de bloque BLK
Tomar el complemento BLC
Tomar los datos e ir calculando checksum
Tomar el CHK
SI ( no errores )
Mandar ACK
SINO
Mandar NAK
}
SI (es EOT){
Cerrar el nuevo fichero
Mandar ACK
}
SI (TimeOut) Mandar NAK
}HASTA (EOT)
Protocolos de enlace de datos - 5
A continuación se nuestra un ejemplo del flujo de datos que puede ayudar a comprender el
funcionamiento de este sencillo protocolo.
EMISOR
<SOH> 01 FE -datos- <xx>
<SOH> 02 FD -datos- <xx>
<SOH> 02 FD -datos- <xx>
<SOH> 03 FC -datos- <xx>
(no
llega,
o
llega
erroneo)
<SOH> 03 FC -datos- <xx>
<EOT>
Cierra
<----->
<----->
<----->
<----->
RECEPTOR
TimeOuts de 10 segundos
<NAK>
<ACK>
(llega dañada)
<NAK>
<ACK>
<ACK>
<----->
<----->
<---
TimeOut,
<NAK>
entonces
manda
<ACK>
<ACK>
Cierra
Protocolos de enlace de datos - 6