Consistent overhead byte stuffing

Consistent overhead byte stuffing^[a] (COBS) – algorytm kodowania ciągu liczb (zwykle bajtów) w postaci ciągu, w którym nie występuje jeden wyróżniony symbol (zwykle zero). Jego pomysłodawcą i autorem jest Stuart David Cheshire(inne języki). Podstawową zaletą algorytmu jest znikomy narzut zwiększający rozmiar zakodowanych danych. Głównym zastosowaniem algorytmu jest wspomaganie pakietyzacji strumienia danych w transmisji szeregowej.

Historia

Prezentacja algorytmu miała miejsce na konferencji SIGCOMM poświęconej zagadnieniom komunikacyjnym^[1] jak również został on zgłoszony jako propozycja do wykorzystania w protokole PPP^[2]. Algorytm kodowania był tematem pracy doktorskiej, którą Stuart David Cheshire(inne języki) przedłożył na Uniwersytecie Stanforda w 1998^[3]. Rok później artykuł z opisem algorytmu został opublikowany czasopiśmie organizacji IEEE^[4]. W 2020 zaadaptowano wykorzystanie algorytmu dla półbajtów^[5]. W 2022 roku zauważono, że w sprzyjających okolicznościach działanie algorytmu można przeprowadzić równolegle na fragmentach danych co znacznie skraca czas przetwarzania zwłaszcza w realizacji sprzętowej^[6].

Motywacja

W transmisji danych z wykorzystaniem łącza szeregowego w warstwie fizycznej warstwa łącza danych tworzy ramki, które kapsułkują dane z wyższej warstwy^[7.1]. Każda ramka zawiera znaczniki, które jednoznacznie pozwalają określić jej początek i koniec^[7.1]^[8.1]. W systemach opartych na transmisji danych w postaci ciągów tekstowych znacznik startu to jeden ze znaków, który nie jest używany w kodowaniu danych^[b]^[8.2]. W przypadku, gdy łącze danych ma przesyłać dowolne dane binarne, może się zdarzyć, że wśród nich pojawią się takie, które będą przyjmowały wartości tożsame z używanymi do rozpoznawania początku i końca ramki. Aby uniknąć takich kolizji stosowane są metody pozwalające na ich eliminację ze strumienia danych. Za przykład można wskazać SLIP lub PPP^[1.1]. Polegają one głównie na podmianie każdego bajtu mającego specjalne znaczenie przez odpowiednie zastąpienie sekwencją dwóch bajtów^[1.2]. Jeśli nastąpi próba wysłania danych składających się z samych „zarezerwowanych” wartości, to w takim przypadku długość danych do przesłania w warstwie fizycznej ulegnie podwojeniu^[1.3].

W proponowanym algorytmie narzut związany z eliminacją wartości zarezerwowanych nie przekracza 1 bajta na każde 254 bajty danych^[1.4].

Opis

W wersji podstawowej algorytm skupia się na sposobie zapisu ciągu liczb z pełnego zakresu liczb ośmiobitowych od 0 do 255 na odpowiadający mu ciąg liczb z zakresu od 1 do 255. Jeśli zachodzi konieczność eliminacji wartości innej niż zero, to można wszystkie bajty wyniku zamienić wykonując na nich funkcję XOR z wartością do usunięcia^[1.5].

Kody

Do reprezentacji wartości oryginalnego ciągu COBS używa następujących kodów^[1.5]:

Kod (hex)	Znaczenie	Opis
01	00	bajt o wartości zero
02 XX	XX 00	dowolny niezerowy bajt danych + bajt o wartości zero
03 XX XX	XX XX 00	dowolne dwa niezerowe bajty danych + bajt o wartości zero
nn XX … XX	XX … XX 00	(nn-1) niezerowych bajtów danych + bajt o wartości zero
FE XX … XX	XX … XX 00	253 niezerowe bajty danych + bajt o wartości zero
FF XX … XX	XX … XX	254 niezerowe bajty danych, po których nie ma bajtu o wartości zero

W powyższym zestawieniu kodów nie istnieje wartość 00, która jest niedozwolona^[1.5].

Kodowanie

Ciąg wejściowy o dowolnej długości dzielony jest na fragmenty nie dłuższe niż 254 bajty, w których bajt o wartości zero występuje dokładnie na końcu. Jest on zastępowany w ciągu wyjściowym odpowiadającym mu kodem z domyślnym zerem. Jeśli taki podciąg nie istnieje to w jego miejsce jest wstawiany wyjątek zaczynający się kodem 255, który pozwala na kodowanie długich bezzerowych ciągów danych^[1.5]. Wyjątek stanowi również ostatni fragment nie dłuższy niż 253 bajty, który domyślnie zakłada istnienie wirtualnego zera tuż za ostatnim bajtem pakietu^[1.5]. Po zakodowaniu w wyjściowym strumieniu danych nie ma wartości zero, które można jednoznacznie wykorzystać do wskazania granic między pakietami^[1.5].

Przykłady

Pusta kratka na końcu to wirtualne zero. Pogrubiona czcionka oznacza pierwszy bajt kodu. Wielokropek to ciąg niezerowych wartości.

Oryginalny przykład ze specyfikacji^[1.6]
dane	45	00	00	2C	4C	79	00	00	40	06	4F	37
kod	02	45	01	04	2C	4C	79	01	05	40	06	4F	37

Ciąg z sekwencją niezerowych bajtów od pozycji 9 do 264^[6.1]
pozycja	1	2	3	4	5	6	7	8	…	263	264	265	266
dane	44	69	6C	65	00	00	74	00	…	54	61		—
kod	05	44	69	6C	65	01	02	74	FF	…	03	54	61

Ciąg z sekwencją 254 niezerowych bajtów na końcu^[6.1]
pozycja	1	2	3	4	5	6	7	…	258	259	260
dane	F0	9F	8D	86	00	F0	9F	…	92	A6	—
kod	05	F0	9F	8D	86	FF	F0	9F	…	92	A6

Pusty pakiet^[9]
dane
kod	01

Bajt zero
dane	00
kod	01	01

Własności

Bardzo mały narzut na rozmiar danych po kodowaniu^[10.1].
Bardzo prosta synchronizacja^[10.1].
Kodowanie wymaga bufora o rozmiarze 254 bajtów^[10.2]
Trywialna implementacja w każdym języku programowania^[11]

Obserwacje

Strumień danych zakodowanych algorytmem COBS dzielony jest na pakiety w miejscu napotkania wartości specjalnej 0x00. Zachowanie na okoliczność występowania sekwencji zer w takim ciągu nie jest zdefiniowane. Jednym z rozwiązań jest przyjęcie, że oznacza ona brak pakietu^[9].
Ciąg zerowych bajtów może być więc wykorzystany jako wypełnienie jeżeli brakuje danych do transmisji^[10.3].
Protokół MS/TP, używany jako warstwa łącza danych w transmisji po RS-485 w protokole BACnet, stosuje algorytm COBS do eliminacji wartości specjalnej 0x55 z bloku danych i sumy kontrolnej. Sekwencja bajtów 0x55 0xFF oznacza w nim początek nowej ramki^[12].
Algorytm COBS może być dobrym wyborem w przypadku implementacji pakietyzacji przy połączeniach z wykorzystaniem protokołu TCP^[13].
Algorytm nie jest powszechnie stosowany w praktyce^[10.2]. Jednym z powodów może być brak oficjalnego wsparcia w ramach standardu PPP^[14].
Algorytm operuje na buforach danych, wobec czego nie może być stosowany w przypadku gdy oczekiwane jest natychmiastowe generowanie danych wyjściowych w przetwarzaniu potokowym^[15].
W przypadku obsługi pakietów o niewielkich rozmiarach, stały jednobajtowy narzut może być odbierany jako znaczny^[16]. Dla pakietów jednobajtowych narzut stanowi 100%, a dla czterobajtowych 25% oryginalnej wiadomości^[6.2].

Uwagi

↑ Literalnie Niesprzeczne^[17] nagłówkowe^[18] dopełnianie bajtowe^[19].
↑ Na przykład w systemie Modbus jest to dwukropek^[8.2].

Przypisy

↑ StuartS. Cheshire StuartS., MaryM. Baker MaryM., Consistent Overhead Byte Stuffing, „ACM SIGCOMM '97”, Cannes 1997, DOI: 10.1145/263105.263168 (ang.).
1. ↑ s. 1
2. ↑ s. 3
3. ↑ s. 7
4. ↑ s. 2
5. 1 2 3 4 5 6 s. 4
6. ↑ s. 5
↑ J.J. Carlson J.J., S.S. Cheshire S.S., M.M. Baker M.M., PPP Consistent Overhead Byte Stuffing (COBS) [online], Internet Draft, ietf.org, listopad 1997 [dostęp 2024-04-28] (ang.).
↑ Stuart DavidS.D. Cheshire Stuart DavidS.D., Consistent Overhead Byte Stuffing, marzec 1998, OCLC 82593294 [dostęp 2024-04-28] (ang.).
↑ StuartS. Cheshire StuartS., MaryM. Baker MaryM., Consistent Overhead Byte Stuffing, „IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING”, 7 (2), IEEE, 1999, s. 159-172, DOI: 10.1109/90.769765 (ang.).
↑ AdewaleA. Adetomi AdewaleA., GodwinG. Enemali GodwinG., TughrulT. Arslan TughrulT., Enabling Dynamic Communication for Runtime Circuit Relocation, „IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems”, 28 (1), 2020, s. 142-155, DOI: 10.1109/TVLSI.2019.2934927, Cytat: Adopting a similar technique to map the hex number set [0, F] to [1, F], we reserve the number zero to be used as the delimiter (ang.).
↑ EnricoE. Ronconi EnricoE. i inni, Multi-COBS: A Novel Algorithm for Byte Stuffing at High Throughput, „IEEE Access”, 2022, s. 78848-78859, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3194265 (ang.).
1. 1 2 s. 78850 (3/12)
2. ↑ s. 78855 (8/12)
E.A.E.A. Jakubajtis E.A.E.A., Lokalne sieci komputerowe, Warszawa: WNT, 1989, ISBN 83-204-1079-7 .
1. 1 2 s. 112
WojciechW. Mielczarek WojciechW., Szeregowe interfejsy cyfrowe, Warszawa: Helion, 1993, ISBN 83-85701-23-0 .
1. ↑ s. 70-71, 81-82
2. ↑ s. 71
1 2 Unexpected test result for test encoding of empty input #16, [w:] cobs.rs [online], github.com, 12 lipca 2022 [dostęp 2024-04-28] (ang.).
VladimirV. Oksman VladimirV., Overview of different encapsulation technologies, IEEE, lipiec 2002 [dostęp 2024-04-28] (ang.).
1. 1 2 slajdy 6 i 17
2. 1 2 slajd 17
3. ↑ slajd 6
↑ KeeratK. Singth KeeratK., Implementing COBS ZPE in C#, „Proceedings of IRAJ International Conference”, Chennai, 26 października 2013, s. 6, ISBN 978-93-82702-34-4 [dostęp 2024-04-28] (ang.).
↑ RolandoR. Herrero RolandoR., Fundamentals of IoT Communication Technologies, Springer, 2021, s. 50, ISBN 978-3-030-70080-5 (ang.).
↑ MikeM. Ash MikeM., The Complete Friday Q&A, t. III, Lulu.com, 2017, s. 264 (ang.).
↑ PravinP. Bhagwat PravinP., ChatschikCh. Bisdikian ChatschikCh., IbrahimI. Korpeoglu IbrahimI., MahmoudM. Naghshineh MahmoudM., Statish K.S.K. Tripathi Statish K.S.K., Cordless Dialup Networking for Palmtop Computers [online], luty 1999, s. 8, IBM RC 21404(96651) .
↑ MunM. Wai Yuen MunM., Ethernet encapsulation and emulation for DVB/MPEG multimedia wireless systems: base station and subscriber interface VHDL designs, wrzesień 2005, s. 87, ISBN 978-1-369-31445-8 (ang.).
↑ Jaime S.J.S. Cardoso Jaime S.J.S., Bandwidth-efficient byte stuffing, „IEEE International Conference on Communications”, 2007, s. 1 .
consistent, [w:] RobertR. Szymula RobertR., PODRĘCZNY SŁOWNIK (ANGIELSKO-POLSKO-ROSYJSKI) TERMINÓW INFORMATYCZNYCH, RomanR. Hajczuk (red. nauk.), Białystok: Uniwersytet w Białymstoku, 2002, s. 57, ISBN 83-89031-29-9 [dostęp 2024-04-28] .
overhead, [w:] Informatyczny Słownik Angielsko-Polski [online], ComputerWorld [dostęp 2024-04-28] [zarchiwizowane 2024-04-28] (pol.).
byte stuffing, [w:] Informatyczny Słownik Angielsko-Polski [online], ComputerWorld [dostęp 2024-04-28] [zarchiwizowane 2024-04-28] (pol.).

Linki zewnętrzne

Consistent Overhead Byte Stuffing (COBS) Encoder/Decoder [online], crccalc.com [dostęp 2024-04-28] , [kalkulator].

[dosłownie-1] Literalnie Niesprzeczne^[17] nagłówkowe^[18] dopełnianie bajtowe^[19].

[modbus-12] Na przykład w systemie Modbus jest to dwukropek^[8.2].

[CheshireBaker1997-2] StuartS. Cheshire StuartS., MaryM. Baker MaryM., Consistent Overhead Byte Stuffing, „ACM SIGCOMM '97”, Cannes 1997, DOI: 10.1145/263105.263168 (ang.).
↑ s. 1

↑ s. 3

↑ s. 7

↑ s. 2

1 2 3 4 5 6 s. 4

↑ s. 5

[14] s. 1

[15] s. 3

[16] s. 7

[17] s. 2

[18] 1 2 3 4 5 6 s. 4

[19] s. 5

[3] J.J. Carlson J.J., S.S. Cheshire S.S., M.M. Baker M.M., PPP Consistent Overhead Byte Stuffing (COBS) [online], Internet Draft, ietf.org, listopad 1997 [dostęp 2024-04-28] (ang.).

[Cheshire1998-4] Stuart DavidS.D. Cheshire Stuart DavidS.D., Consistent Overhead Byte Stuffing, marzec 1998, OCLC 82593294 [dostęp 2024-04-28] (ang.).

[CheshireBaker1999-5] StuartS. Cheshire StuartS., MaryM. Baker MaryM., Consistent Overhead Byte Stuffing, „IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING”, 7 (2), IEEE, 1999, s. 159-172, DOI: 10.1109/90.769765 (ang.).

[6] AdewaleA. Adetomi AdewaleA., GodwinG. Enemali GodwinG., TughrulT. Arslan TughrulT., Enabling Dynamic Communication for Runtime Circuit Relocation, „IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems”, 28 (1), 2020, s. 142-155, DOI: 10.1109/TVLSI.2019.2934927, Cytat: Adopting a similar technique to map the hex number set [0, F] to [1, F], we reserve the number zero to be used as the delimiter (ang.).

[RonconiEtAl2022-7] EnricoE. Ronconi EnricoE. i inni, Multi-COBS: A Novel Algorithm for Byte Stuffing at High Throughput, „IEEE Access”, 2022, s. 78848-78859, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3194265 (ang.).
1 2 s. 78850 (3/12)

↑ s. 78855 (8/12)

[20] 1 2 s. 78850 (3/12)

[32] s. 78855 (8/12)

[Jakubajtis1989-8] E.A.E.A. Jakubajtis E.A.E.A., Lokalne sieci komputerowe, Warszawa: WNT, 1989, ISBN 83-204-1079-7 .
1 2 s. 112

[9] 1 2 s. 112

[Mielczarek1993-10] WojciechW. Mielczarek WojciechW., Szeregowe interfejsy cyfrowe, Warszawa: Helion, 1993, ISBN 83-85701-23-0 .
↑ s. 70-71, 81-82

↑ s. 71

[11] s. 70-71, 81-82

[13] s. 71

[empty-21] 1 2 Unexpected test result for test encoding of empty input #16, [w:] cobs.rs [online], github.com, 12 lipca 2022 [dostęp 2024-04-28] (ang.).

[Oksman2002-22] VladimirV. Oksman VladimirV., Overview of different encapsulation technologies, IEEE, lipiec 2002 [dostęp 2024-04-28] (ang.).
1 2 slajdy 6 i 17

1 2 slajd 17

↑ slajd 6

[23] 1 2 slajdy 6 i 17

[24] 1 2 slajd 17

[26] slajd 6

[25] KeeratK. Singth KeeratK., Implementing COBS ZPE in C#, „Proceedings of IRAJ International Conference”, Chennai, 26 października 2013, s. 6, ISBN 978-93-82702-34-4 [dostęp 2024-04-28] (ang.).

[27] RolandoR. Herrero RolandoR., Fundamentals of IoT Communication Technologies, Springer, 2021, s. 50, ISBN 978-3-030-70080-5 (ang.).

[28] MikeM. Ash MikeM., The Complete Friday Q&A, t. III, Lulu.com, 2017, s. 264 (ang.).

[29] PravinP. Bhagwat PravinP., ChatschikCh. Bisdikian ChatschikCh., IbrahimI. Korpeoglu IbrahimI., MahmoudM. Naghshineh MahmoudM., Statish K.S.K. Tripathi Statish K.S.K., Cordless Dialup Networking for Palmtop Computers [online], luty 1999, s. 8, IBM RC 21404(96651) .

[30] MunM. Wai Yuen MunM., Ethernet encapsulation and emulation for DVB/MPEG multimedia wireless systems: base station and subscriber interface VHDL designs, wrzesień 2005, s. 87, ISBN 978-1-369-31445-8 (ang.).

[31] Jaime S.J.S. Cardoso Jaime S.J.S., Bandwidth-efficient byte stuffing, „IEEE International Conference on Communications”, 2007, s. 1 .

[33] consistent, [w:] RobertR. Szymula RobertR., PODRĘCZNY SŁOWNIK (ANGIELSKO-POLSKO-ROSYJSKI) TERMINÓW INFORMATYCZNYCH, RomanR. Hajczuk (red. nauk.), Białystok: Uniwersytet w Białymstoku, 2002, s. 57, ISBN 83-89031-29-9 [dostęp 2024-04-28] .

[34] overhead, [w:] Informatyczny Słownik Angielsko-Polski [online], ComputerWorld [dostęp 2024-04-28] [zarchiwizowane 2024-04-28] (pol.).

[35] byte stuffing, [w:] Informatyczny Słownik Angielsko-Polski [online], ComputerWorld [dostęp 2024-04-28] [zarchiwizowane 2024-04-28] (pol.).

[14] s. 1

[15] s. 3

[16] s. 7

[17] s. 2

[18] 1 2 3 4 5 6 s. 4

[19] s. 5

[20] 1 2 s. 78850 (3/12)

[32] s. 78855 (8/12)

[9] 1 2 s. 112

[11] s. 70-71, 81-82

[13] s. 71

[23] 1 2 slajdy 6 i 17

[24] 1 2 slajd 17

[26] slajd 6

[a]

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7.1]

[8.1]

[b]

[8.2]

[1.1]

[1.2]

[1.3]

[1.4]

[1.5]

[1.6]

[6.1]

[9]

[10.1]

[10.2]

[11]

[10.3]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[6.2]

[17]

[18]

[19]