Netwerkprotocollen

Afgezien van de problemen van het fysieke netwerk (signaaltypes en spanningsniveaus, connectorpin-outs, bekabeling, topologie, enz.), moet er een gestandaardiseerde manier zijn waarop communicatie tussen meerdere knooppunten in een netwerk wordt geregeld, zelfs als het zo eenvoudig is als een point-to-point systeem met twee knooppunten. Wanneer een knooppunt op het netwerk "praat", genereert het een signaal op de netwerkbedrading, of het nu hoge of lage gelijkspanningsniveaus zijn, een soort gemoduleerd AC-draaggolfsignaal of zelfs lichtpulsen in een vezel. Knooppunten die "luisteren" meten eenvoudig dat toegepaste signaal op het netwerk (van het verzendende knooppunt) en bewaken het passief. Als twee of meer knooppunten echter tegelijkertijd "praten", kunnen hun uitgangssignalen botsen (stel je twee logische poorten voor die proberen om tegengestelde signaalspanningen toe te passen op een enkele lijn op een bus!), waardoor de verzonden gegevens worden beschadigd.

De gestandaardiseerde methode waarmee knooppunten naar de bus- of netwerkbedrading mogen verzenden, wordt een protocol genoemd. Er zijn veel verschillende protocollen om het gebruik van een gemeenschappelijk netwerk tussen meerdere knooppunten te bemiddelen, en ik zal er hier slechts een paar behandelen. Het is echter goed om u bewust te zijn van deze weinige, en te begrijpen waarom sommige beter werken voor sommige doeleinden dan andere. Gewoonlijk wordt een specifiek protocol geassocieerd met een gestandaardiseerd type netwerk. Dit is slechts een nieuwe "laag" op de reeks standaarden die zijn gespecificeerd onder de titels van verschillende netwerken.

Interconnectielaag voor open systemen (OSI-laag)

De International Standards Organization (ISO) heeft een algemene architectuur van netwerkspecificaties gespecificeerd in hun DIS7498-model (van toepassing op vrijwel elk digitaal netwerk). Dit overzicht, dat uit zeven 'lagen' bestaat, probeert alle abstractieniveaus te categoriseren die nodig zijn om digitale gegevens te communiceren.

• Niveau 1:fysiek
  Specificeert elektrische en mechanische details van communicatie:draadtype, connectorontwerp, signaaltypes en niveaus.

• Niveau 2:Datalink
  Definieert indelingen van berichten, hoe gegevens moeten worden geadresseerd en technieken voor foutdetectie/-correctie.

• Niveau 3:Netwerk
  Zet procedures op voor het inkapselen van gegevens in "pakketten" voor verzending en ontvangst.

• Niveau 4:Transport
  De transportlaag definieert onder andere hoe volledige gegevensbestanden over een netwerk moeten worden afgehandeld.

• Niveau 5:Sessie
  Organiseert de gegevensoverdracht in termen van begin en einde van een specifieke verzending. Analoog aan taakbeheer op een multitasking computerbesturingssysteem.

• Niveau 6:Presentatie
  Omvat definities voor tekensets, terminalbesturing en grafische opdrachten, zodat abstracte gegevens gemakkelijk kunnen worden gecodeerd en gedecodeerd tussen communicerende apparaten.

• Niveau 7:Toepassing
  De eindgebruikersstandaarden voor het genereren en/of interpreteren van gecommuniceerde data in zijn definitieve vorm. Met andere woorden, de eigenlijke computerprogramma's gebruiken de gecommuniceerde gegevens.

Sommige gevestigde netwerkprotocollen dekken slechts een of enkele van de DIS7498-niveaus. Het veelgebruikte seriële communicatieprotocol RS-232C richt zich bijvoorbeeld alleen op de eerste (“fysieke”) laag van dit zevenlaagse model. Andere protocollen, zoals het X-windows grafische client/server-systeem dat is ontwikkeld aan het MIT voor computersystemen met gedistribueerde grafische gebruikersinterfaces, dekken alle zeven lagen.

Verschillende protocollen kunnen dezelfde fysieke laagstandaard gebruiken. Een voorbeeld hiervan zijn de RS-422A- en RS-485-protocollen, die beide dezelfde differentiële spanningszender- en ontvangercircuits gebruiken, waarbij dezelfde spanningsniveaus worden gebruikt om binaire enen en nullen aan te duiden. Op fysiek niveau zijn deze twee communicatieprotocollen identiek. Op een meer abstract niveau zijn de protocollen echter anders:RS-422A is alleen point-to-point, terwijl RS-485 een bustopologie ondersteunt “multidrop” met maximaal 32 adresseerbare nodes.

Misschien is het eenvoudigste type protocol dat waarbij er slechts één zender is en alle andere knooppunten slechts ontvangers zijn. Dit is het geval voor BogusBus, waar een enkele zender de spanningssignalen genereert die op de netwerkbedrading worden gedrukt, en een of meer ontvangers (met elk 5 lampen) oplichten in overeenstemming met de output van de zender. Dit is altijd het geval bij een simplex-netwerk:er is maar één spreker en alle anderen luisteren!

Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

Als we meerdere zendknooppunten hebben, moeten we hun transmissies zo orkestreren dat ze niet met elkaar in conflict komen. Nodes zouden niet mogen praten wanneer een ander knooppunt aan het praten is, dus we geven elk knooppunt de mogelijkheid om te "luisteren" en niet te praten totdat het netwerk stil is. Deze basisbenadering heet Carrier Sense Multiple Access (CSMA) , en er bestaan ​​een paar variaties op dit thema. Houd er rekening mee dat CSMA op zich geen gestandaardiseerd protocol is, maar eerder een methodologie die bepaalde protocollen volgen.

Collision Detection

Een variatie is om gewoon een knooppunt te laten praten zodra het netwerk stil is. Dit is analoog aan een groep mensen die bijeenkomt aan een ronde tafel:iedereen heeft het vermogen om te beginnen met praten, zolang ze niemand anders storen. Zodra de laatste persoon stopt met praten, begint de volgende persoon die wacht om te praten. Dus, wat gebeurt er als twee of meer mensen tegelijk beginnen te praten? In een netwerk wordt de gelijktijdige verzending van twee of meer knooppunten een botsing genoemd. . Met CSMA/CD (CSMA/Collision Detection ), de knooppunten die botsen, resetten zichzelf eenvoudig met een willekeurige vertragingstimerschakeling, en de eerste die de tijdvertraging beëindigt, probeert opnieuw te praten. Dit is het basisprotocol voor het populaire Ethernet-netwerk.

Bitsgewijze arbitrage

Een andere variant van CSMA is CSMA/BA (CSMA/Bitwise Arbitration ), waarbij botsende knooppunten verwijzen naar vooraf ingestelde prioriteitsnummers die bepalen welke als eerste mag spreken. Met andere woorden, elk knooppunt heeft een "rang" die elk geschil beslecht over wie als eerste mag praten na een botsing, net zoals een groep mensen waar hoogwaardigheidsbekleders en gewone burgers gemengd zijn. Als er een aanrijding plaatsvindt, mag de hoogwaardigheidsbekleder over het algemeen eerst spreken en wacht de gewone persoon daarna.

In elk van de twee bovenstaande voorbeelden (CSMA/CD en CSMA/BA) gingen we ervan uit dat elk knooppunt een gesprek kon starten zolang het netwerk stil was. Dit wordt de "ongevraagde" manier van communiceren genoemd. Er is een variant die de "gevraagde" modus wordt genoemd voor CSMA/CD of CSMA/BA, waarbij de eerste verzending alleen mag plaatsvinden wanneer een aangewezen masterknooppunt om een ​​antwoord verzoekt (verzoekt). Botsingsdetectie (CD) of bitsgewijze arbitrage (BA) is alleen van toepassing op arbitrage na een botsing, aangezien meerdere knooppunten reageren op het verzoek van het masterapparaat.

Meester/Slaaf

Een geheel andere strategie voor knooppuntcommunicatie is de Master/Slave protocol, waarbij een enkel masterapparaat tijdslots toewijst voor alle andere knooppunten op het netwerk om te verzenden, en deze tijdvakken plant zodat meerdere knooppunten niet kunnen botsen. Het masterapparaat adresseert elk knooppunt bij naam, één voor één, en laat dat knooppunt een bepaalde tijd praten. Als het klaar is, adresseert de master het volgende knooppunt, enzovoort, enzovoort.

Token doorgeven

Nog een andere strategie is de Token-Passing protocol, waarbij elk knooppunt aan de beurt is om te praten (een voor een), en vervolgens toestemming geeft aan het volgende knooppunt om te praten wanneer het klaar is. Toestemming om te praten wordt van knooppunt naar knooppunt doorgegeven, terwijl iedereen het "token" in sequentiële volgorde doorgeeft aan de volgende. Het token zelf is niet iets fysieks:het is een reeks binaire enen en nullen die op het netwerk worden uitgezonden, met een specifiek adres van het volgende knooppunt dat mag praten. Hoewel het token-passing-protocol vaak wordt geassocieerd met ringtopologienetwerken, is het niet beperkt tot een bepaalde topologie. En wanneer dit protocol wordt geïmplementeerd in een ringnetwerk, hoeft de volgorde van het doorgeven van tokens niet de fysieke verbindingsvolgorde van de ring te volgen.

Net als bij topologieën kunnen meerdere protocollen worden samengevoegd over verschillende segmenten van een heterogeen netwerk, voor maximaal voordeel. Een speciaal master/slave-netwerk dat instrumenten op de fabrieksvloer met elkaar verbindt, kan bijvoorbeeld via een gateway-apparaat worden gekoppeld aan een Ethernet-netwerk dat meerdere desktopcomputerwerkstations met elkaar verbindt, waarbij een van die computerwerkstations fungeert als een gateway om de gegevens te koppelen aan een FDDI-glasvezelnetwerk terug naar de mainframecomputer van de fabriek. Elk netwerktype, elke topologie en elk protocol voldoet het beste aan verschillende behoeften en toepassingen, maar via gateway-apparaten kunnen ze allemaal dezelfde gegevens delen.

Het is ook mogelijk om meerdere protocolstrategieën te combineren tot een nieuwe hybride binnen een enkel netwerktype. Dat is het geval voor Foundation Fieldbus, die Master/Slave combineert met een vorm van token-passing. Een Link Active Scheduler (LAS)-apparaat verzendt geplande "Compel Data" (CD)-opdrachten om slave-apparaten op de veldbus te vragen naar tijdkritische informatie. In dit opzicht is Fieldbus een Master/Slave-protocol. Als er echter tijd is tussen cd-query's, stuurt de LAS "tokens" één voor één naar elk van de andere apparaten op de veldbus, waardoor ze ongeplande gegevens kunnen verzenden. Wanneer die apparaten klaar zijn met het verzenden van hun informatie, sturen ze het token terug naar het LAS.

Het LAS zoekt ook naar nieuwe apparaten op de veldbus met een "Probe Node" (PN) -bericht, dat naar verwachting een "Probe Response" (PR) terug naar het LAS zal produceren. De reacties van apparaten op het LAS, hetzij via een PR-bericht of een geretourneerd token, dicteren hun positie op een "Live List" -database die het LAS bijhoudt. Een goede werking van het LAS-apparaat is absoluut cruciaal voor het functioneren van de veldbus, dus er zijn voorzieningen voor redundante LAS-werking door de status "Link Master" toe te wijzen aan sommige van de knooppunten, waardoor ze alternatieve Link Active Schedulers kunnen worden als de werkende LAS faalt .

Er bestaan ​​andere datacommunicatieprotocollen, maar deze zijn het populairst. Ik kreeg de kans om te werken aan een oud (circa 1975) industrieel besturingssysteem gemaakt door Honeywell, waar een hoofdapparaat genaamd de Highway Traffic Director , of HTD, arbitreerde alle netwerkcommunicatie. Wat dit netwerk interessant maakte, is dat het signaal dat van de HTD naar alle slave-apparaten werd gestuurd om transmissie toe te staan ​​niet was. gecommuniceerd op de netwerkbedrading zelf, maar eerder op sets van individuele twisted-pair kabels die de HTD verbinden met elk slave-apparaat. Apparaten op het netwerk werden vervolgens verdeeld in twee categorieën:de knooppunten die waren aangesloten op de HTD en die de verzending mochten starten, en de knooppunten die niet waren aangesloten op de HTD en die alleen konden zenden als reactie op een vraag die werd verzonden door een van de voormalige knooppunten. Primitief en langzaam zijn de enige passende bijvoeglijke naamwoorden voor dit communicatienetwerkschema, maar het functioneerde adequaat voor zijn tijd.