Pila de protocolos UniPro

Las versiones 1.0 y 1.1 de UniPro utilizan la tecnología D-PHY de MIPI para la capa física externa. Esta capa permite la comunicación entre chips. Las velocidades de datos de la D-PHY son variables, pero oscilan entre 500 y 1000  Mbit/s (se admiten velocidades inferiores, pero con menor eficiencia energética). La D-PHY recibe su nombre del número romano 500 ("D").

El D-PHY ^{[ 3 ]} utiliza señalización diferencial para transmitir símbolos PHY a través de cableado microstripline. Un segundo par de señales diferenciales se utiliza para transmitir la señal de reloj asociada desde el origen al destino. La tecnología D-PHY utiliza, por lo tanto, un total de 2 cables de reloj por dirección, más 2 cables de señal por carril y por dirección. Por ejemplo, un D-PHY podría usar 2 cables para el reloj y 4 cables (2 carriles) para los datos en la dirección de avance, pero 2 cables para el reloj y 6 cables (3 carriles) para los datos en la dirección de retroceso. El tráfico de datos en las direcciones de avance y retroceso es totalmente independiente en este nivel de la pila de protocolos.

En UniPro, el D-PHY se utiliza en un modo (denominado codificación "8b9b") que transmite bytes de 8 bits como símbolos de 9 bits. El protocolo UniPro utiliza esto para representar símbolos de control especiales (además de los valores habituales de 0 a 255). El propio PHY utiliza esto para representar ciertos símbolos especiales que tienen significado para el PHY (por ejemplo, símbolos IDLE). Cabe destacar que la relación 8:9 puede generar cierta confusión al especificar la velocidad de datos del D-PHY: una implementación de PHY que funciona con una frecuencia de reloj de 450 MHz suele clasificarse como un PHY de 900 Mbit/s, mientras que solo 800 Mbit/s están disponibles para la pila UniPro.   

El D-PHY también admite un modo de transmisión de datos de baja potencia (LPDT) y otros modos de baja potencia para usar cuando no es necesario enviar datos.

Las versiones 1.4 y posteriores de UniPro admiten tanto la tecnología D-PHY como la M-PHY ^{[ 4 ]} . La tecnología M-PHY aún se encuentra en fase de borrador, pero admite velocidades de datos de alta velocidad a partir de aproximadamente 1000  Mbit/s (el nombre M-PHY proviene del número romano 1000). Además de velocidades más altas, la tecnología M-PHY utilizará menos cables de señal porque la señal de reloj está integrada con los datos mediante el uso de la codificación 8b10b estándar de la industria . Nuevamente, un PHY capaz de transmitir datos de usuario a 1000  Mbit/s generalmente se especifica como en  modo de 1250 Mbit/s debido a la codificación 8b10b.

Se prevé que las tecnologías D-PHY y M-PHY coexistan durante varios años. D-PHY es una tecnología menos compleja, M-PHY proporciona mayor ancho de banda con menos cables de señal y C-PHY ofrece bajo consumo de energía.

Cabe destacar que UniPro admite los modos de comunicación de baja velocidad y bajo consumo energético que ofrecen tanto el D-PHY (10  Mbit/s) como el M-PHY (de 3  Mbit/s a 500  Mbit/s). En estos modos, el consumo de energía se ajusta aproximadamente a la cantidad de datos transmitidos. Además, ambas tecnologías PHY ofrecen modos adicionales de ahorro de energía, ya que se optimizaron para su uso en dispositivos alimentados por batería.

La capa 1.5 tiene su propia codificación de símbolos (conceptual) compuesta por símbolos de 17 bits. Estos símbolos de 17 bits nunca se muestran en los cables, ya que la capa 1.5 los convierte primero en un par de símbolos PHY. El bit de control adicional (el decimoséptimo) indica símbolos de control especiales que utiliza el propio protocolo (capa 1.5 y capa 2). En las figuras, los bits de control se muestran en rojo (L1.5) para recordar que están definidos y utilizados por la capa 1.5 del protocolo.

La principal característica que ofrece L1.5 es la posibilidad de aumentar el ancho de banda de un enlace UniPro mediante el uso de 2, 3 o 4 carriles cuando un solo carril no proporciona suficiente ancho de banda. Para el usuario, este enlace multicarril se percibe simplemente como una capa física más rápida, ya que los símbolos se envían a través de 2, 3 o 4 carriles. Las aplicaciones que requieren mayor ancho de banda en una dirección, pero menor en la dirección opuesta, pueden tener un número diferente de carriles por dirección.

A partir de UniPro v1.4, L1.5 incorpora un protocolo llamado PACP (PA Control Protocol) que le permite comunicarse con su entidad L1.5 correspondiente en el otro extremo de un enlace basado en M-PHY. Su principal función es proporcionar una forma sencilla y fiable para que un controlador en un extremo del enlace cambie los modos de potencia tanto en sentido directo como inverso. Esto significa que un controlador situado en un extremo del enlace puede cambiar el modo de potencia de ambas direcciones en una única operación atómica. Los complejos pasos necesarios para realizar esta operación de forma totalmente fiable se gestionan de forma transparente dentro de L1.5.

Además de la gestión de energía del enlace L1.5 , el PACP también se utiliza para acceder a los parámetros de control y estado del dispositivo UniPro remoto.

Los mecanismos de L1.5 garantizan lo siguiente a los protocolos de capa superior:

• Tras el reinicio, cada transmisor L1.5 esperará hasta que se confirme que el receptor L1.5 conectado está activo (lo cual se realiza mediante un protocolo de enlace).
• Si se utiliza más de un carril, se conserva el orden del flujo de símbolos original (a pesar del uso de múltiples carriles y la libertad en la forma de interconectarlos).
• Los cambios de modo de energía se ejecutan de forma fiable (incluso en presencia de errores de bits).

La capa L2 agrupa símbolos UniPro L1.5 de 17 bits en tramas de datos similares a paquetes (el término paquete está reservado para la capa L3). Estas tramas de datos comienzan con un símbolo de control de inicio de trama de 17 bits, seguido de hasta 288 bytes de datos (144 símbolos de datos) y, finalmente, un símbolo de control de fin de trama y una suma de verificación.

Cabe destacar que dos o más de los 288 bytes son utilizados por capas superiores del protocolo UniPro. El tamaño máximo de trama de 288 bytes de carga útil por trama se eligió para garantizar que toda la pila de protocolos pudiera transmitir fácilmente 256 bytes de datos de la aplicación en un solo bloque. Las cargas útiles con un número impar de bytes se admiten rellenando la trama hasta alcanzar un número par de bytes e insertando una bandera correspondiente en el final.

Además de las tramas de datos que contienen datos de usuario, la capa 2 también transmite y recibe tramas de control. Las tramas de control se pueden distinguir de las tramas de datos por tres bits en el primer símbolo. Hay dos tipos de tramas de control:

• Un tipo ("AFC - Reconocimiento y control de flujo L2", 3 símbolos) sirve para confirmar la recepción exitosa de los marcos de datos.
• El otro tipo ("NAC", 2 símbolos) notifica al transmisor correspondiente que se ha recibido una trama incorrecta.

Tenga en cuenta que este tipo de tramas de control L2 se envían de forma autónoma por L2.

La comunicación de alta velocidad con bajos niveles de potencia puede provocar errores ocasionales en los datos recibidos. La capa de enlace de datos (DL) contiene un protocolo para confirmar automáticamente la recepción correcta de las tramas de datos (mediante tramas de control AFC) y para señalar activamente los errores que se detectan en la capa 2 (mediante tramas de control NAC). La causa más probable de un error en la capa 2 es la corrupción de una trama de datos a nivel eléctrico (ruido, EMI). Esto genera una suma de comprobación incorrecta de la trama de datos o de control en el receptor y conlleva su retransmisión automática. Cabe destacar que las tramas de datos se confirman (AFC) o se rechazan (NAC). Las tramas de control corruptas se detectan mediante temporizadores que monitorizan las respuestas esperadas o requeridas.

Un ancho de banda de 1  Gbit/s y una tasa de error de bits de 10⁻¹² ^a una velocidad de 1 gigabit/s implicarían un error cada 1000 segundos o una vez cada 1000 Gbit transmitidos. Por lo tanto, la capa 2 corrige automáticamente estos errores a costa de una pérdida marginal de ancho de banda y del espacio de búfer necesario en la capa 2 para almacenar copias de las tramas de datos transmitidas para una posible retransmisión o "reproducción".

Otra característica de la capa 2 es la capacidad del transmisor para saber si hay espacio en el búfer para la trama de datos en el receptor. Esto se basa en las tramas de control de capa 2 (AFC), que permiten al receptor informar al transmisor del par sobre la cantidad de espacio disponible en el búfer. Esto permite al receptor pausar el transmisor si es necesario, evitando así el desbordamiento del búfer de recepción . Las tramas de control no se ven afectadas por el control de flujo de capa 2: pueden enviarse en cualquier momento y se espera que el receptor las procese a la velocidad a la que llegan.

UniPro actualmente admite dos niveles de prioridad para tramas de datos: Clase de Tráfico 0 (TC0) y Clase de Tráfico 1 (TC1). TC1 tiene mayor prioridad que TC0. Esto significa que si un transmisor L2 tiene una combinación de tramas de datos TC0 y TC1 para enviar, las tramas TC1 se enviarán primero. Suponiendo que la mayor parte del tráfico de datos utiliza TC0 y que la red está congestionada, esto ayuda a garantizar que las tramas TC1 lleguen a su destino más rápido que las tramas TC0 (de forma similar a los vehículos de emergencia y el tráfico normal). Además, L2 puede incluso interrumpir o "preemptionar" una trama TC0 saliente para transmitir una trama TC1. Se aplican reglas de arbitraje adicionales a las tramas de control: en esencia, estas reciben mayor prioridad que las tramas de datos porque son pequeñas y esenciales para mantener el flujo de tráfico.

En una red de múltiples saltos, la asignación de prioridades se realiza dentro de cada transmisor de capa 2 en cada salto. La clase de tráfico asignada a los datos normalmente no cambia a medida que estos avanzan por la red. Corresponde a las aplicaciones decidir cómo utilizar el sistema de prioridades.

En UniPro versión 1.1, se introdujo una opción que permite a los dispositivos de punto final simples implementar solo una de las dos clases de tráfico, si así lo desean. Esto puede ser útil cuando los diseñadores de dispositivos priorizan el costo de implementación sobre el control de la arbitraje de tramas. El dispositivo par L2 conectado detecta dichos dispositivos durante la fase de inicialización del enlace y puede evitar usar la clase de tráfico faltante.

Los distintos mecanismos L2 proporcionan una serie de garantías a los protocolos de capas superiores:

• Un marco de datos recibido contendrá la carga útil correcta (verificada mediante una suma de comprobación).
• Una trama de datos transmitida llegará al receptor del otro extremo (después de posibles retransmisiones).
• Habrá espacio para acomodar los marcos de datos recibidos (control de flujo L2).
• El contenido de un marco de datos solo se pasará una vez a la capa de protocolo superior (los marcos de datos duplicados se descartan).
• Los marcos de datos dentro de la misma clase de tráfico se recibirán y se pasarán a las capas de protocolo superiores en orden.

De este modo, los enlaces individuales proporcionan de forma autónoma una transferencia de datos fiable . Esto difiere, por ejemplo, del protocolo TCP, ampliamente utilizado , que detecta errores en los extremos y recurre a la retransmisión de extremo a extremo en caso de datos dañados o incompletos.

Aunque la función de la dirección L3 es la misma que la de la dirección IP en los paquetes de Internet, una dirección UniPro DeviceID solo tiene 7 bits. Por lo tanto, una red puede tener hasta 128 dispositivos UniPro diferentes. Cabe destacar que, para UniPro, todos los dispositivos UniPro son iguales: a diferencia de PCI Express o USB, cualquier dispositivo puede comunicarse con cualquier otro. Esto convierte a UniPro en una verdadera red, en lugar de un bus con un único maestro.

El diagrama muestra un ejemplo de un paquete L3 que comienza en el primer byte de carga útil L2 de una trama L2 y termina en el último byte de carga útil L2 de una trama L2. Para simplificar y optimizar el rendimiento, una trama L2 solo puede contener un único paquete L3. Esto implica que, en UniPro, los conceptos de trama L2, paquete L3 y segmento L4 (véase más abajo) están tan estrechamente relacionados que son prácticamente sinónimos. Sin embargo, se mantiene la distinción (y la asignación de colores) para garantizar que la especificación pueda describirse de forma rigurosamente estructurada.

Los paquetes UniPro de encabezado corto utilizan un único byte de encabezado para la información L3. Este incluye la dirección de destino L3 de 7 bits. El bit restante indica el formato del paquete de encabezado corto. En los paquetes de encabezado corto, la dirección de origen L3 no se incluye en el encabezado, ya que se asume que los dos dispositivos que se comunican han intercambiado dicha información previamente ( comunicación orientada a la conexión ).

Los paquetes con encabezado largo se introducirán en una versión futura de la especificación UniPro, por lo que su formato no está definido (salvo un bit) en la especificación UniPro v1.4 actual. Sin embargo, UniPro v1.4 define un mecanismo que permite recibir o transmitir paquetes con encabezado largo mediante un dispositivo compatible con UniPro v1.4, siempre que este pueda actualizarse mediante software. El mecanismo de "trampa de encabezado largo" de UniPro v1.4 simplemente pasa la carga útil de una trama de datos L2 recibida (el paquete L3 con su encabezado y carga útil) a la extensión L3 (por ejemplo, software) para su procesamiento. El mecanismo también puede aceptar la carga útil de la trama L2 de la extensión L3 para su transmisión. Este mecanismo tiene como objetivo permitir que los dispositivos UniPro v1.4 se puedan actualizar para admitir protocolos que requieren los paquetes con encabezado largo aún no definidos.

Aunque los detalles de los conmutadores aún están fuera del alcance de la especificación UniPro v1.4, la capa 3 permite que los dispositivos UniPro v1.0/v1.1/v1.4 funcionen como puntos finales en una red. Por lo tanto, garantiza una serie de propiedades a los protocolos de capa superior:

• que los paquetes se entregarán al dispositivo de destino indicado (y los paquetes dirigidos a dispositivos inexistentes se descartan).
• que la carga útil enviada por una fuente L3 a un único destino L3 como una serie de uno o más paquetes de encabezado corto dentro de una única clase de tráfico llegará en orden y con la carga útil correcta (fiabilidad).

La capa de transporte de UniPro puede considerarse como un nivel adicional de direccionamiento dentro de un dispositivo UniPro.

• Permite que un dispositivo UniPro se comunique con otro dispositivo UniPro utilizando múltiples flujos de datos lógicos (por ejemplo: enviar audio, vídeo e información de control por separado).
• Permite que un dispositivo UniPro se conecte simultáneamente a otros dispositivos (esto requiere conmutadores, que serán compatibles con una versión futura de UniPro ) utilizando múltiples flujos de datos lógicos.
• Proporciona mecanismos para reducir el riesgo de congestión en la red.
• Proporciona un mecanismo para estructurar una secuencia de bytes como una secuencia de mensajes.

Estos puntos se explican con más detalle a continuación.

Un segmento L4 es, esencialmente, la carga útil de un paquete L3. La cabecera L4, en su versión corta, consta de un solo byte. El campo principal de la cabecera L4 corta es un identificador "CPort" de 5 bits, que puede considerarse una subdirección dentro de un dispositivo UniPro y es similar a los números de puerto utilizados en TCP o UDP . Por lo tanto, cada segmento (con una cabecera corta) está dirigido a un CPort específico de un dispositivo UniPro específico.

Un único bit en la cabecera del segmento permite definir segmentos con cabeceras largas. UniPro v1.4 no define la estructura de dichos formatos de segmento (excepto por este bit). Los segmentos con cabecera larga pueden generarse mediante la trampa de cabecera larga descrita en la sección L3.

UniPro denomina "Conexión" a un par de puertos C que se comunican entre sí (de ahí la "C" en CPort). Al establecer una conexión, se inicializa un puerto C para crear segmentos dirigidos a un puerto C L4 específico de un ID de dispositivo L3 determinado, utilizando una clase de tráfico L2 específica. Dado que las conexiones UniPro son bidireccionales, el puerto C de destino también se configura para permitir el envío de datos de vuelta al puerto C de origen.

En UniPro 1.0/1.1, la configuración de la conexión depende de la implementación.

En UniPro v1.4, la configuración de la conexión se considera relativamente estática: los parámetros de los puertos C emparejados se configuran estableciendo los atributos de conexión correspondientes en los dispositivos locales y remotos mediante el DME. Esto se complementará con un protocolo de gestión de conexiones dinámicas en una futura versión de UniPro.

Los CPorts también contienen variables de estado que permiten controlar el espacio de búfer disponible en el CPort remoto o conectado. Esto evita que un CPort envíe segmentos a otro con espacio de búfer insuficiente para almacenar los datos, lo que provocaría la interrupción del tráfico. Si no se resuelve rápidamente, este atasco en el destino puede convertirse rápidamente en un bloqueo generalizado de la red. Esto es muy indeseable, ya que puede afectar gravemente el rendimiento de la red para todos los usuarios o, peor aún, provocar situaciones de interbloqueo. El mecanismo L4 descrito se conoce como control de flujo de extremo a extremo (E2E FC) porque involucra los extremos de una conexión.

El control de flujo L4 complementa al control de flujo L2. Ambos funcionan haciendo que el transmisor espere hasta que el receptor tenga suficiente espacio en el búfer. Sin embargo, el control de flujo L4 opera entre un par de puertos C (que pueden estar separados por varios saltos) y busca aislar las conexiones entre sí (analogía de "cable virtual"). En cambio, el control de flujo L2 opera por salto y evita la pérdida de datos por falta de espacio en el búfer del receptor.

La conectividad de extremo a extremo (E2E FC) solo es posible para la comunicación orientada a la conexión, pero actualmente la capa 4 de UniPro no admite opciones alternativas. La E2E FC está habilitada por defecto, pero puede deshabilitarse. No obstante, no se recomienda hacerlo.

UniPro proporciona mecanismos de seguridad que garantizan que un puerto C absorba todos los datos que recibe sin interrupciones. Si se detecta una interrupción, el dispositivo descarta los datos entrantes para mantener el flujo de datos en la red. Esto puede considerarse una forma de degradación controlada a nivel del sistema: si una conexión de la red no puede seguir el ritmo de los datos recibidos, los demás dispositivos y conexiones no se ven afectados.

UniPro L4 permite que una conexión entre dos puertos C transmita un flujo de mensajes (cada uno compuesto por una serie de bytes) en lugar de un único flujo de bytes. Los límites de los mensajes se activan mediante el protocolo de nivel de aplicación que utiliza UniPro y se señalan mediante un bit en la cabecera del segmento. Este bit de fin de mensaje indica que el último byte del segmento L4 es el último byte del mensaje de nivel de aplicación.

La aplicación debe indicar a UniPro dónde y cuándo insertar los límites de los mensajes en el flujo de bytes. Estos límites no tienen un significado especial para UniPro y se proporcionan como un servicio para construir protocolos de capa superior sobre UniPro. Los mensajes pueden utilizarse para indicar a la aplicación (por ejemplo, mediante una interrupción) que una unidad de datos está completa y, por lo tanto, puede procesarse. Los mensajes también pueden ser útiles como un mecanismo robusto y eficiente para implementar puntos de resincronización en algunas aplicaciones.

UniPro v1.4 introduce el concepto de fragmento de mensaje, que es una porción de un mensaje que se transmite entre la aplicación y el puerto C. Esta opción puede ser útil al especificar aplicaciones sobre UniPro que necesitan interrumpir la creación del mensaje en función de la información de la pila de UniPro, por ejemplo, mensajes entrantes o contrapresión.

Los mecanismos de la capa L4 proporcionan una serie de garantías a los protocolos de la capa superior:

• Un puerto CPort no puede bloquearse, en el sentido de que siempre seguirá aceptando datos tan rápido como el enlace o la red puedan entregarlos.
• Si una aplicación vinculada al puerto CPort de una conexión se bloquea y, por lo tanto, no logra absorber datos (durante períodos breves o más prolongados), otras conexiones al mismo dispositivo o a dispositivos diferentes no se verán afectadas.
• Un flujo de datos enviado de un puerto C a otro siempre llegará intacto, en orden y con la información correcta sobre los límites del mensaje si el puerto C es capaz de seguir el ritmo del flujo de datos entrante.
• En caso de que el puerto C no pueda procesar el flujo de datos entrante, uno o más mensajes pueden resultar dañados (debido a la falta de datos) y se notifica al receptor sobre esta condición de error.
• Es seguro que un protocolo de nivel de aplicación espere la respuesta de un par (por ejemplo, una respuesta o confirmación) a un mensaje L4 enviado (por ejemplo, una pregunta o un comando). Sin embargo, no es seguro que un protocolo de nivel de aplicación espere la respuesta de un par a un mensaje parcial enviado.
• El contenido de los paquetes/segmentos de encabezado corto recibidos siempre será correcto. Si bien la entrega en la interfaz de trampa de encabezado largo no está garantizada, una futura extensión del protocolo planea hacer que la entrega de dichos paquetes sea confiable. Esta extensión del protocolo podría implementarse mediante software sobre la trampa de encabezado largo.