Сетевые протоколы

Помимо проблем, связанных с физической сетью (типы сигналов и уровни напряжения, распиновка разъемов, кабели, топология и т. Д.), Необходим стандартизованный способ арбитража связи между несколькими узлами в сети, даже если это так просто. как двухузловая двухточечная система. Когда узел «разговаривает» по сети, он генерирует сигнал по сетевой проводке, будь то высокий и низкий уровни постоянного напряжения, какой-то модулированный сигнал несущей переменного тока или даже световые импульсы в оптоволокне. Узлы, которые «слушают», просто измеряют этот приложенный сигнал в сети (от передающего узла) и пассивно контролируют его. Однако, если два или более узла «разговаривают» одновременно, их выходные сигналы могут конфликтовать (представьте, что два логических элемента пытаются подать противоположные сигнальные напряжения на одну линию на шине!), Искажая передаваемые данные.

Стандартизованный метод, с помощью которого узлам разрешается передавать данные на шину или сетевую проводку, называется протоколом. Существует множество различных протоколов для арбитража использования общей сети между несколькими узлами, и здесь я остановлюсь только на некоторых. Однако хорошо знать об этих немногих и понимать, почему одни работают для одних целей лучше, чем другие. Обычно определенный протокол связан со стандартизированным типом сети. Это просто еще один «уровень» набора стандартов, которые указаны в названиях различных сетей.

Уровень взаимодействия открытых систем (уровень OSI)

Международная организация по стандартизации (ISO) определила общую архитектуру сетевых спецификаций в своей модели DIS7498 (применимой к большинству любых цифровых сетей). Этот план, состоящий из семи «слоев», пытается классифицировать все уровни абстракции, необходимые для передачи цифровых данных.

• Уровень 1:физический
  Определяет электрические и механические детали связи:тип провода, конструкцию разъема, типы и уровни сигналов.

• Уровень 2. Связь с данными
  Определяет форматы сообщений, способы обработки данных и методы обнаружения / исправления ошибок.

• Уровень 3:Сеть
  Устанавливает процедуры инкапсуляции данных в «пакеты» для передачи и приема.

• Уровень 4:Транспорт
  Помимо прочего, транспортный уровень определяет, как полные файлы данных должны обрабатываться по сети.

• Уровень 5:сеанс
  Организует передачу данных с точки зрения начала и конца конкретной передачи. Аналогично управлению заданиями в многозадачной компьютерной операционной системе.

• Уровень 6:презентация
  Включает определения для наборов символов, управления терминалом и графических команд, чтобы абстрактные данные можно было легко кодировать и декодировать между взаимодействующими устройствами.

• Уровень 7. Применение
  Стандарты конечных пользователей для генерации и / или интерпретации передаваемых данных в их окончательной форме. Другими словами, настоящие компьютерные программы, использующие переданные данные.

Некоторые установленные сетевые протоколы охватывают только один или несколько уровней DIS7498. Например, широко используемый протокол последовательной связи RS-232C в действительности обращается только к первому («физическому») уровню этой семиуровневой модели. Другие протоколы, такие как графическая система клиент / сервер X-windows, разработанная в Массачусетском технологическом институте для распределенных компьютерных систем с графическим пользовательским интерфейсом, охватывают все семь уровней.

Различные протоколы могут использовать один и тот же стандарт физического уровня. Примером этого являются протоколы RS-422A и RS-485, оба из которых используют одну и ту же схему передатчика и приемника дифференциального напряжения, используя одинаковые уровни напряжения для обозначения двоичных единиц и нулей. На физическом уровне эти два протокола связи идентичны. Однако на более абстрактном уровне протоколы различаются:RS-422A только точка-точка, а RS-485 поддерживает топологию шины «многоточечный» . до 32 адресуемых узлов.

Возможно, самый простой тип протокола - это протокол, в котором есть только один передатчик, а все остальные узлы являются просто приемниками. Так обстоит дело с BogusBus, где один передатчик генерирует сигналы напряжения, воздействующие на сетевую проводку, и один или несколько приемников (с 5 лампами в каждом) загораются в соответствии с выходным сигналом передатчика. Так всегда бывает в симплексной сети:говорящий только один, а все остальные слушают!

Множественный доступ с контролем несущей (CSMA)

Когда у нас есть несколько передающих узлов, мы должны организовать их передачи таким образом, чтобы они не конфликтовали друг с другом. Узлам нельзя разрешать разговаривать, когда другой узел говорит, поэтому мы даем каждому узлу возможность «слушать» и воздерживаться от разговора, пока сеть не перестанет молчать. Этот базовый подход называется Множественный доступ с контролем оператора связи . (CSMA) , и на эту тему существует несколько вариаций. Обратите внимание, что CSMA сам по себе не является стандартизированным протоколом, а скорее является методологией, которой следуют определенные протоколы.

Обнаружение столкновений

Один из вариантов - просто позволить любому узлу начать разговор, как только сеть замолчит. Это похоже на группу людей, собирающихся за круглым столом:любой может начать говорить, если только он никого не перебивает. Как только последний человек перестанет говорить, начнется следующий, ожидающий разговора. Итак, что происходит, когда два или более человека начинают говорить одновременно? В сети одновременная передача двух или более узлов называется коллизией . . С CSMA / CD ( CSMA / обнаружение конфликтов ), узлы, которые сталкиваются, просто сбрасываются с помощью схемы таймера случайной задержки, и первый из них, закончивший свою временную задержку, пытается снова разговаривать. Это основной протокол для популярной сети Ethernet.

Побитовый арбитраж

Другой вариант CSMA - CSMA / BA ( CSMA / побитовый арбитраж ), где конфликтующие узлы относятся к заранее установленным номерам приоритетов, которые определяют, какой из них имеет право говорить первым. Другими словами, у каждого узла есть «ранг», который разрешает любой спор о том, кто начинает говорить первым после столкновения, во многом как группа людей, в которой смешаны высокопоставленные лица и простые граждане. Если происходит столкновение, сановник обычно имеет право говорить первым, а обычный человек ждет после.

В любом из двух приведенных выше примеров (CSMA / CD и CSMA / BA) мы предполагали, что любой узел может инициировать диалог, пока сеть молчит. Это называется «незапрашиваемым» режимом связи. Существует вариант, называемый «запрашиваемым» режимом для CSMA / CD или CSMA / BA, где начальная передача разрешена только тогда, когда назначенный главный узел запрашивает (запрашивает) ответ. Обнаружение коллизий (CD) или побитовый арбитраж (BA) применяется только к арбитражу после коллизий, поскольку несколько узлов отвечают на запрос главного устройства.

Главный / подчиненный

Совершенно другая стратегия для связи между узлами - это главный / подчиненный протокол, в котором одно главное устройство выделяет временные интервалы для всех других узлов в сети для передачи и планирует эти временные интервалы так, чтобы несколько узлов не могли столкнуться. Главное устройство обращается к каждому узлу по имени, по одному, позволяя этому узлу разговаривать в течение определенного времени. Когда он закончится, мастер обращается к следующему узлу и так далее, и так далее.

Передача токена

Еще одна стратегия - передача токена протокол, в котором каждый узел получает возможность говорить (по одному), а затем предоставляет разрешение на разговор следующему узлу, когда это будет сделано. Разрешение на разговор передается от узла к узлу, когда каждый передает «токен» следующему в последовательном порядке. Сам по себе токен не является физическим предметом:это серия двоичных единиц и нулей, передаваемых по сети, несущих конкретный адрес следующего узла, которому разрешено разговаривать. Хотя протокол передачи токенов часто ассоциируется с сетями с кольцевой топологией, он не ограничивается какой-либо конкретной топологией. И когда этот протокол реализуется в кольцевой сети, последовательность передачи токенов не обязательно должна соответствовать последовательности физического соединения кольца.

Как и в случае с топологиями, несколько протоколов могут быть объединены в разные сегменты гетерогенной сети для получения максимальной выгоды. Например, выделенная сеть Master / Slave, соединяющая инструменты на производственном предприятии, может быть связана через устройство шлюза с сетью Ethernet, которая связывает вместе несколько рабочих станций настольных компьютеров, причем одна из этих компьютерных рабочих станций действует как шлюз для связи данных с оптоволоконную сеть FDDI обратно в главный компьютер завода. Каждый тип сети, топология и протокол лучше всего подходят для разных нужд и приложений, но через шлюзовые устройства все они могут совместно использовать одни и те же данные.

Также возможно объединить несколько стратегий протокола в новый гибрид в пределах одного типа сети. Так обстоит дело с Foundation Fieldbus, которая сочетает в себе ведущий / ведомый с одной из форм передачи токенов. Устройство Link Active Scheduler (LAS) отправляет запланированные команды «Compel Data» (CD) для запроса ведомых устройств на полевой шине о критичной по времени информации. В этом отношении Fieldbus является протоколом «ведущий / ведомый». Однако, когда между запросами CD есть время, LAS отправляет «токены» каждому из других устройств на полевой шине, по одному, давая им возможность передавать любые незапланированные данные. Когда эти устройства завершают передачу своей информации, они возвращают токен обратно в LAS.

LAS также проверяет наличие новых устройств на полевой шине с помощью сообщения «Probe Node» (PN), которое, как ожидается, вернет в LAS «Probe Response» (PR). Ответы устройств на LAS, будь то сообщение PR или возвращенный токен, определяют их положение в базе данных «Live List», которую поддерживает LAS. Правильная работа устройства LAS абсолютно критична для функционирования Fieldbus, поэтому существуют положения для резервной работы LAS путем присвоения статуса «Link Master» некоторым узлам, что дает им возможность стать альтернативными Link Active Schedulers, если работающий LAS выходит из строя. .

Существуют и другие протоколы передачи данных, но они наиболее популярны. У меня была возможность поработать над старой (примерно 1975 г.) системой управления производством, созданной Honeywell, где было мастер-устройство под названием Highway Traffic Director , или HTD, осуществлял арбитраж всех сетевых коммуникаций. Что сделало эту сеть интересной, так это то, что сигнал, отправленный с HTD на все подчиненные устройства для разрешения передачи, был не передается по самой сетевой проводке, а скорее по набору отдельных кабелей витой пары, соединяющих HTD с каждым ведомым устройством. Затем устройства в сети были разделены на две категории:те узлы, подключенные к HTD, которым было разрешено инициировать передачу, и те узлы, которые не были подключены к HTD, которые могли передавать только в ответ на запрос, отправленный одним из бывших узлов. Примитивный и медленно являются единственными подходящими прилагательными для этой схемы коммуникационной сети, но она функционировала адекватно для своего времени.