네트워크 프로토콜

물리적 네트워크 문제(신호 유형 및 전압 레벨, 커넥터 핀아웃, 케이블 연결, 토폴로지 등)를 제외하고 네트워크의 여러 노드 간에 통신이 중재되는 표준화된 방법이 필요합니다. 2-노드, 점대점 시스템으로. 노드가 네트워크에서 "대화"할 때 높고 낮은 DC 전압 레벨, 변조된 AC 반송파 신호 또는 광섬유의 빛 펄스와 같은 네트워크 배선에서 신호를 생성합니다. "듣는" 노드는 단순히 네트워크에 적용된 신호(전송 노드에서)를 측정하고 수동적으로 모니터링합니다. 그러나 두 개 이상의 노드가 동시에 "대화"하면 출력 신호가 충돌하여(버스의 단일 라인에 반대 신호 전압을 적용하려는 두 논리 게이트를 상상해 보십시오!) 전송된 데이터가 손상될 수 있습니다.

노드가 버스 또는 네트워크 배선으로 전송할 수 있도록 하는 표준화된 방법을 프로토콜이라고 합니다. 여러 노드 간에 공통 네트워크 사용을 중재하기 위한 다양한 프로토콜이 있으며 여기서는 몇 가지만 다루겠습니다. 그러나 이러한 몇 가지를 알고 있고 일부가 다른 것보다 특정 목적에 더 잘 작동하는 이유를 이해하는 것이 좋습니다. 일반적으로 특정 프로토콜은 표준화된 유형의 네트워크와 연결됩니다. 이것은 다양한 네트워크의 제목으로 지정된 일련의 표준에 대한 또 다른 "계층"일 뿐입니다.

개방형 시스템 상호 연결 계층(OSI 계층)

ISO(International Standards Organization)는 DIS7498 모델에서 네트워크 사양의 일반 아키텍처를 지정했습니다(대부분의 디지털 네트워크에 적용 가능). 7개의 "계층"으로 구성된 이 개요는 디지털 데이터를 전달하는 데 필요한 모든 수준의 추상화를 분류하려고 시도합니다.

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레벨 1:물리적
전선 유형, 커넥터 설계, 신호 유형 및 레벨과 같은 통신의 전기 및 기계 세부 사항을 지정합니다.

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레벨 2:데이터 링크
메시지 형식, 데이터 처리 방법, 오류 감지/수정 기술을 정의합니다.

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레벨 3:네트워크
전송 및 수신을 위해 데이터를 "패킷"으로 캡슐화하는 절차를 설정합니다.

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레벨 4:운송
무엇보다도 전송 계층은 네트워크를 통해 완전한 데이터 파일을 처리하는 방법을 정의합니다.

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레벨 5:세션
특정 전송의 시작과 끝을 기준으로 데이터 전송을 구성합니다. 멀티태스킹 컴퓨터 운영 체제의 작업 제어와 유사합니다.

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레벨 6:프레젠테이션
통신 장치 간에 추상 데이터를 쉽게 인코딩 및 디코딩할 수 있도록 문자 집합, 터미널 제어 및 그래픽 명령에 대한 정의를 포함합니다.

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레벨 7:신청
통신 데이터를 최종 형식으로 생성 및/또는 해석하기 위한 최종 사용자 표준입니다. 즉, 실제 컴퓨터는 통신된 데이터를 사용하여 프로그램합니다.

일부 확립된 네트워크 프로토콜은 DIS7498 레벨 중 하나 또는 몇 개만 커버합니다. 예를 들어 널리 사용되는 RS-232C 직렬 통신 프로토콜은 실제로 이 7계층 모델의 첫 번째("물리적") 계층만 처리합니다. 분산 그래픽 사용자 인터페이스 컴퓨터 시스템을 위해 MIT에서 개발된 X-windows 그래픽 클라이언트/서버 시스템과 같은 다른 프로토콜은 7개 계층을 모두 포함합니다.

다른 프로토콜은 동일한 물리 계층 표준을 사용할 수 있습니다. 예를 들어 RS-422A 및 RS-485 프로토콜은 모두 동일한 차동 전압 송신기 및 수신기 회로를 사용하고 동일한 전압 레벨을 사용하여 바이너리 1과 0을 나타냅니다. 물리적 수준에서 이 두 통신 프로토콜은 동일합니다. 그러나 보다 추상적인 수준에서 프로토콜은 다릅니다. RS-422A는 지점 간 전용이고 RS-485는 버스 토폴로지 "멀티 드롭"을 지원합니다. 최대 32개의 주소 지정 가능한 노드가 있습니다.

아마도 가장 간단한 유형의 프로토콜은 하나의 송신기만 있고 다른 모든 노드는 수신기일 뿐입니다. 단일 송신기가 네트워크 배선에 영향을 미치는 전압 신호를 생성하고 하나 이상의 수신기 장치(각각 5개 램프 포함)가 송신기의 출력에 따라 켜지는 BogusBus의 경우가 그렇습니다. 심플렉스 네트워크의 경우 항상 그렇습니다. 화자는 한 명뿐이고 나머지는 모두 경청합니다!

캐리어 감지 다중 액세스(CSMA)

여러 전송 노드가 있는 경우 서로 충돌하지 않는 방식으로 전송을 조정해야 합니다. 노드는 다른 노드가 말할 때 대화를 허용해서는 안 되므로 각 노드에 "듣기" 기능을 부여하고 네트워크가 조용해질 때까지 대화를 자제할 수 있습니다. 이 기본 접근 방식을 이동통신사 감지 다중 액세스라고 합니다. (CSMA) , 이 테마에는 몇 가지 변형이 있습니다. CSMA는 그 자체로 표준화된 프로토콜이 아니라 특정 프로토콜이 따르는 방법론입니다.

충돌 감지

한 가지 변형은 네트워크가 조용해지자마자 모든 노드가 대화를 시작하도록 하는 것입니다. 이것은 원탁에서 한 그룹의 사람들이 만나는 것과 유사합니다. 다른 사람을 방해하지 않는 한 누구든지 대화를 시작할 수 있습니다. 마지막 사람이 말을 멈추자마자 다음 사람이 말을 기다리기 시작합니다. 그렇다면 두 명 이상의 사람들이 동시에 말하기 시작하면 어떻게 될까요? 네트워크에서 둘 이상의 노드가 동시에 전송되는 것을 충돌이라고 합니다. . CSMA/CD 사용(CSMA/충돌 감지 ), 충돌하는 노드는 단순히 임의 지연 타이머 회로로 자체를 재설정하고 시간 지연을 완료한 첫 번째 노드는 다시 대화를 시도합니다. 이것은 널리 사용되는 이더넷 네트워크의 기본 프로토콜입니다.

비트별 중재

CSMA의 또 다른 변형은 CSMA/BA(CSMA/비트별 중재 ), 여기서 충돌하는 노드는 먼저 말할 권한이 있는 노드를 지정하는 미리 설정된 우선 순위 번호를 나타냅니다. 즉, 각 노드에는 고위 인사와 일반 시민이 혼합 된 그룹과 마찬가지로 충돌 발생 후 누가 먼저 말을 시작해야하는지에 대한 모든 분쟁을 해결하는 "순위"가 있습니다. 충돌이 발생하면 일반적으로 고위 인사가 먼저 말하고 일반 사람이 나중에 대기합니다.

위의 두 가지 예(CSMA/CD 및 CSMA/BA)에서 우리는 네트워크가 침묵하는 한 모든 노드가 대화를 시작할 수 있다고 가정했습니다. 이를 "요청하지 않은" 통신 모드라고 합니다. 지정된 마스터 노드가 응답을 요청(요청)할 때만 초기 전송이 허용되는 CSMA/CD 또는 CSMA/BA에 대해 "요청" 모드라는 변형이 있습니다. 충돌 감지(CD) 또는 비트 단위 중재(BA)는 여러 노드가 마스터 장치의 요청에 응답하므로 충돌 후 중재에만 적용됩니다.

마스터/슬레이브

노드 통신을 위한 완전히 다른 전략은 마스터/슬레이브입니다. 단일 마스터 장치가 네트워크의 다른 모든 노드가 전송할 시간 슬롯을 할당하고 여러 노드가 전송할 수 없도록 이러한 시간 슬롯을 예약하는 프로토콜 충돌하다. 마스터 장치는 한 번에 하나씩 이름으로 각 노드에 주소를 지정하여 해당 노드가 일정 시간 동안 통신할 수 있도록 합니다. 완료되면 마스터는 다음 노드에 주소를 지정하는 식으로 진행됩니다.

토큰 전달

또 다른 전략은 토큰 전달입니다. 프로토콜은 각 노드가 차례대로(한 번에 하나씩) 대화가 완료되면 다음 노드가 대화할 수 있는 권한을 부여하는 프로토콜입니다. 대화 권한은 노드에서 노드로 각각이 "토큰"을 순차적으로 다음 노드로 넘겨줄 때 전달됩니다. 토큰 자체는 물리적인 것이 아닙니다. 네트워크에서 일련의 이진 1과 0이 브로드캐스트되어 대화가 허용된 다음 노드의 특정 주소를 전달합니다. 토큰 전달 프로토콜은 종종 링 토폴로지 네트워크와 연결되지만 특정 토폴로지로 제한되지는 않습니다. 그리고 이 프로토콜이 링 네트워크에서 구현되면 토큰 전달 순서가 링의 물리적 연결 순서를 따를 필요가 없습니다.

토폴로지와 마찬가지로 최대 이점을 위해 이기종 네트워크의 서로 다른 세그먼트를 통해 여러 프로토콜을 결합할 수 있습니다. 예를 들어, 제조 공장 현장에서 계측기를 함께 연결하는 전용 마스터/슬레이브 네트워크는 게이트웨이 장치를 통해 여러 데스크탑 컴퓨터 워크스테이션을 함께 연결하는 이더넷 네트워크에 연결될 수 있습니다. 이러한 컴퓨터 워크스테이션 중 하나는 데이터를 연결하는 게이트웨이 역할을 합니다. FDDI 광섬유 네트워크를 공장의 메인프레임 컴퓨터로 다시 연결합니다. 각 네트워크 유형, 토폴로지 및 프로토콜은 서로 다른 요구 사항과 애플리케이션에 가장 적합하지만 게이트웨이 장치를 통해 모두 동일한 데이터를 공유할 수 있습니다.

단일 네트워크 유형 내에서 여러 프로토콜 전략을 새로운 하이브리드로 혼합하는 것도 가능합니다. Master/Slave와 일종의 토큰 전달을 결합한 Foundation Fieldbus의 경우가 그렇습니다. LAS(Link Active Scheduler) 장치는 예약된 "Compel Data"(CD) 명령을 전송하여 시간이 중요한 정보에 대해 Fieldbus의 슬레이브 장치를 쿼리합니다. 이와 관련하여 Fieldbus는 Master/Slave 프로토콜입니다. 그러나 CD 쿼리 사이에 시간이 있으면 LAS는 Fieldbus의 다른 각 장치에 "토큰"을 한 번에 하나씩 보내어 예약되지 않은 데이터를 전송할 수 있는 기회를 제공합니다. 해당 장치가 정보 전송을 완료하면 토큰을 LAS로 다시 반환합니다.

LAS는 또한 "Probe Node"(PN) 메시지를 사용하여 Fieldbus의 새 장치를 검색합니다. 이 메시지는 LAS에 "Probe Response"(PR)를 다시 생성할 것으로 예상됩니다. PR 메시지 또는 반환된 토큰에 의해 LAS에 대한 장치의 응답은 LAS가 유지 관리하는 "라이브 목록" 데이터베이스에서 장치의 위치를 ​​나타냅니다. LAS 장치의 적절한 작동은 Fieldbus의 기능에 절대적으로 중요하므로 일부 노드에 "Link Master" 상태를 할당하여 작동 LAS가 실패할 경우 대체 링크 활성 스케줄러가 되도록 권한을 부여하여 중복 LAS 작동을 위한 규정이 있습니다. .

다른 데이터 통신 프로토콜이 있지만 가장 많이 사용되는 프로토콜입니다. 나는 Highway Traffic Director라는 마스터 장치가 있는 Honeywell에서 만든 오래된(1975년경) 산업 제어 시스템에서 작업할 기회가 있었습니다. , 또는 HTD는 모든 네트워크 통신을 중재했습니다. 이 네트워크를 흥미롭게 만든 것은 전송을 허용하기 위해 HTD에서 모든 슬레이브 장치로 전송된 신호가 아님 네트워크 배선 자체에서 통신하는 것이 아니라 HTD를 각 슬레이브 장치와 연결하는 개별 트위스트 페어 케이블 세트에서 통신합니다. 그런 다음 네트워크의 장치는 전송을 시작할 수 있는 HTD에 연결된 노드와 이전 노드 중 하나에서 보낸 쿼리에 대한 응답으로만 전송할 수 있는 HTD에 연결되지 않은 노드로 나뉩니다. 기본 그리고 느림 이 통신 네트워크 체계에 적합한 유일한 형용사이지만 당시에는 적절하게 기능했습니다.