Protocolos de rede

Além dos problemas da rede física (tipos de sinal e níveis de tensão, pinagem do conector, cabeamento, topologia, etc.), deve haver uma forma padronizada em que a comunicação seja arbitrada entre vários nós em uma rede, mesmo que seja tão simples como um sistema ponto a ponto de dois nós. Quando um nó “fala” na rede, ele está gerando um sinal na fiação da rede, seja em níveis altos e baixos de tensão CC, algum tipo de sinal de onda portadora CA modulado ou mesmo pulsos de luz em uma fibra. Os nós que “ouvem” simplesmente medem aquele sinal aplicado na rede (do nó transmissor) e o monitoram passivamente. Se dois ou mais nós “conversam” ao mesmo tempo, no entanto, seus sinais de saída podem entrar em conflito (imagine duas portas lógicas tentando aplicar tensões de sinal opostas a uma única linha em um barramento!), Corrompendo os dados transmitidos.

O método padronizado pelo qual os nós podem transmitir para o barramento ou para a fiação da rede é chamado de protocolo. Existem muitos protocolos diferentes para arbitrar o uso de uma rede comum entre vários nós, e vou cobrir apenas alguns aqui. No entanto, é bom estar ciente desses poucos e entender por que alguns funcionam melhor para alguns fins do que outros. Normalmente, um protocolo específico está associado a um tipo padronizado de rede. Esta é apenas mais uma “camada” para o conjunto de padrões que são especificados sob os títulos de várias redes.



Camada de Interconexão de Sistemas Abertos (Camada OSI)

A International Standards Organization (ISO) especificou uma arquitetura geral de especificações de rede em seu modelo DIS7498 (aplicável a quase todas as redes digitais). Consistindo em sete “camadas”, este esboço tenta categorizar todos os níveis de abstração necessários para comunicar dados digitais.

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  Nível 1:Físico
  Especifica os detalhes elétricos e mecânicos da comunicação:tipo de fio, design do conector, tipos e níveis de sinal.
  

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  Nível 2:Link de dados
  Define formatos de mensagens, como os dados devem ser endereçados e técnicas de detecção / correção de erros.
  

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  Nível 3:Rede
  Estabelece procedimentos para encapsulamento de dados em “pacotes” para transmissão e recepção.
  

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  Nível 4:Transporte
  Entre outras coisas, a camada de transporte define como os arquivos de dados completos devem ser tratados em uma rede.
  

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  Nível 5:Sessão
  Organiza a transferência de dados em termos de início e fim de uma transmissão específica. Análogo ao controle de trabalho em um sistema operacional de computador multitarefa.
  

• Nível 6:Apresentação
  Inclui definições para conjuntos de caracteres, controle de terminal e comandos gráficos para que dados abstratos possam ser prontamente codificados e decodificados entre dispositivos de comunicação.

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  Nível 7:Aplicação
  Os padrões do usuário final para gerar e / ou interpretar os dados comunicados em sua forma final. Em outras palavras, os programas de computador reais usam os dados comunicados.
  

Alguns protocolos de rede estabelecidos cobrem apenas um ou alguns dos níveis DIS7498. Por exemplo, o amplamente usado protocolo de comunicação serial RS-232C realmente aborda apenas a primeira camada (“física”) deste modelo de sete camadas. Outros protocolos, como o sistema gráfico cliente / servidor X-windows desenvolvido no MIT para sistemas de computador de interface gráfica de usuário distribuída, cobrem todas as sete camadas.

Protocolos diferentes podem usar o mesmo padrão de camada física. Um exemplo disso são os protocolos RS-422A e RS-485, ambos os quais usam o mesmo transmissor de tensão diferencial e circuito receptor, usando os mesmos níveis de tensão para denotar 1s e 0s binários. Em um nível físico, esses dois protocolos de comunicação são idênticos. No entanto, em um nível mais abstrato, os protocolos são diferentes:RS-422A é ponto a ponto apenas, enquanto RS-485 suporta uma topologia de barramento “multidrop” com até 32 nós endereçáveis.

Talvez o tipo de protocolo mais simples seja aquele em que há apenas um transmissor e todos os outros nós são meramente receptores. Esse é o caso do BogusBus, onde um único transmissor gera os sinais de tensão impressos na fiação da rede e uma ou mais unidades receptoras (com 5 lâmpadas cada) acendem de acordo com a saída do transmissor. Este é sempre o caso com uma rede simplex:há apenas um locutor e todos os outros ouvem!

Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

Quando temos vários nós de transmissão, devemos orquestrar suas transmissões de forma que não entrem em conflito entre si. Os nós não devem falar quando outro nó está falando, então damos a cada nó a capacidade de "ouvir" e abster-se de falar até que a rede esteja em silêncio. Esta abordagem básica é chamada de Acesso Múltiplo Carrier Sense (CSMA) , e existem algumas variações sobre este tema. Observe que o CSMA não é um protocolo padronizado em si, mas sim uma metodologia seguida por determinados protocolos.

Detecção de colisão

Uma variação é simplesmente deixar qualquer nó começar a falar assim que a rede ficar em silêncio. Isso é análogo a um grupo de pessoas reunidas em uma mesa redonda:qualquer um tem a capacidade de começar a falar, desde que não interrompa ninguém. Assim que a última pessoa parar de falar, a próxima pessoa esperando para falar começará. Então, o que acontece quando duas ou mais pessoas começam a falar ao mesmo tempo? Em uma rede, a transmissão simultânea de dois ou mais nós é chamada de colisão . Com CSMA / CD ( CSMA / Detecção de Colisão ), os nós que colidem simplesmente se reinicializam com um circuito temporizador de atraso aleatório e o primeiro a terminar o atraso tenta falar novamente. Este é o protocolo básico para a popular rede Ethernet.

Arbitragem bit a bit

Outra variação do CSMA é CSMA / BA ( CSMA / Bitwise Arbitration ), em que os nós em colisão referem-se a números de prioridade predefinidos que determinam qual deles tem permissão para falar primeiro. Em outras palavras, cada nó tem um “posto” que resolve qualquer disputa sobre quem começa a falar primeiro após a ocorrência de uma colisão, bem como um grupo de pessoas onde dignitários e cidadãos comuns são misturados. Se ocorrer uma colisão, o dignitário geralmente tem permissão para falar primeiro e a pessoa comum espera depois.

Em qualquer um dos dois exemplos acima (CSMA / CD e CSMA / BA), presumimos que qualquer nó poderia iniciar uma conversação, desde que a rede ficasse em silêncio. Isso é conhecido como modo de comunicação “não solicitado”. Existe uma variação chamada modo “solicitado” para CSMA / CD ou CSMA / BA, em que a transmissão inicial só pode ocorrer quando um nó mestre designado solicita (solicita) uma resposta. A detecção de colisão (CD) ou arbitragem bit a bit (BA) se aplica apenas à arbitragem pós-colisão, pois vários nós respondem à solicitação do dispositivo mestre.

Mestre / Escravo

Uma estratégia totalmente diferente para a comunicação do nó é o Mestre / Escravo protocolo, em que um único dispositivo mestre aloca slots de tempo para todos os outros nós na rede transmitirem e programa esses intervalos de tempo para que vários nós não possam colidir. O dispositivo mestre endereça cada nó por nome, um de cada vez, permitindo que o nó fale por um determinado período de tempo. Quando termina, o mestre se dirige ao próximo nó e assim por diante.

Passagem de token

Ainda outra estratégia é o Token-Passing protocolo, onde cada nó tem sua vez de falar (um de cada vez), e então concede permissão para o próximo nó falar quando terminar. A permissão para falar é passada de nó em nó, à medida que cada um passa o “token” para o próximo em ordem sequencial. O token em si não é uma coisa física:é uma série de binários 1 e 0 transmitidos na rede, carregando um endereço específico do próximo nó com permissão para falar. Embora o protocolo de passagem de token seja frequentemente associado a redes de topologia em anel, ele não está restrito a nenhuma topologia em particular. E quando esse protocolo é implementado em uma rede em anel, a sequência de passagem de token não precisa seguir a sequência de conexão física do anel.

Assim como acontece com as topologias, vários protocolos podem ser unidos em diferentes segmentos de uma rede heterogênea, para o máximo benefício. Por exemplo, uma rede Mestre / Escravo dedicada conectando instrumentos juntos no chão de fábrica pode ser ligada através de um dispositivo de gateway a uma rede Ethernet que conecta várias estações de trabalho de computador desktop, uma dessas estações de trabalho de computador atuando como um gateway para conectar os dados para uma rede de fibra FDDI de volta ao computador mainframe da fábrica. Cada tipo de rede, topologia e protocolo atende melhor a diferentes necessidades e aplicativos, mas por meio de dispositivos de gateway, todos eles podem compartilhar os mesmos dados.

Também é possível combinar várias estratégias de protocolo em um novo híbrido dentro de um único tipo de rede. É o caso do Foundation Fieldbus, que combina Master / Slave com uma forma de passagem de token. Um dispositivo Link Active Scheduler (LAS) envia comandos “Compel Data” (CD) programados para consultar os dispositivos escravos no Fieldbus para obter informações críticas de tempo. Nesse sentido, Fieldbus é um protocolo Mestre / Escravo. No entanto, quando há tempo entre as consultas de CD, o LAS envia "tokens" para cada um dos outros dispositivos no Fieldbus, um de cada vez, dando-lhes oportunidade de transmitir quaisquer dados não programados. Quando esses dispositivos terminam de transmitir suas informações, eles devolvem o token ao LAS.

O LAS também testa novos dispositivos no Fieldbus com uma mensagem “Probe Node” (PN), que deve produzir uma “Probe Response” (PR) de volta ao LAS. As respostas dos dispositivos de volta ao LAS, seja por mensagem PR ou token de retorno, ditam sua posição em um banco de dados de “Lista ao Vivo” que o LAS mantém. A operação adequada do dispositivo LAS é absolutamente crítica para o funcionamento do Fieldbus, portanto, há disposições para a operação LAS redundante atribuindo o status "Link Master" a alguns dos nós, capacitando-os a se tornarem Link Active Schedulers alternativos se o LAS operacional falhar .

Existem outros protocolos de comunicação de dados, mas esses são os mais populares. Tive a oportunidade de trabalhar em um sistema de controle industrial antigo (por volta de 1975) feito pela Honeywell, onde um dispositivo mestre chamado Diretor de tráfego rodoviário , ou HTD, arbitrou todas as comunicações de rede. O que tornou esta rede interessante é que o sinal enviado do HTD para todos os dispositivos escravos para permitir a transmissão não comunicada na própria fiação da rede, mas em conjuntos de cabos de par trançado individuais conectando o HTD a cada dispositivo escravo. Os dispositivos da rede foram então divididos em duas categorias:os nós conectados ao HTD que tinham permissão para iniciar a transmissão e os nós não conectados ao HTD que só podiam transmitir em resposta a uma consulta enviada por um dos nós anteriores. Primitivo e lento são os únicos adjetivos adequados para esse esquema de rede de comunicação, mas funcionou adequadamente para a época.