Protocoles réseau

Outre les problèmes de réseau physique (types de signaux et niveaux de tension, brochage des connecteurs, câblage, topologie, etc.), il doit y avoir une manière standardisée d'arbitrer la communication entre plusieurs nœuds d'un réseau, même si c'est aussi simple comme un système point à point à deux nœuds. Lorsqu'un nœud "parle" sur le réseau, il génère un signal sur le câblage du réseau, qu'il s'agisse de niveaux de tension continue élevés et faibles, d'une sorte de signal d'onde porteuse CA modulée ou même d'impulsions lumineuses dans une fibre. Les nœuds qui « écoutent » mesurent simplement ce signal appliqué sur le réseau (à partir du nœud de transmission) et le surveillent passivement. Cependant, si deux nœuds ou plus « parlent » en même temps, leurs signaux de sortie peuvent entrer en conflit (imaginez deux portes logiques essayant d'appliquer des tensions de signal opposées à une seule ligne sur un bus !), corrompant les données transmises.

La méthode normalisée par laquelle les nœuds sont autorisés à transmettre au bus ou au câblage du réseau est appelée un protocole. Il existe de nombreux protocoles différents pour arbitrer l'utilisation d'un réseau commun entre plusieurs nœuds, et je n'en couvrirai que quelques-uns ici. Cependant, il est bon d'être conscient de ces quelques éléments et de comprendre pourquoi certains fonctionnent mieux à certaines fins que d'autres. Habituellement, un protocole spécifique est associé à un type de réseau normalisé. Il s'agit simplement d'une autre « couche » de l'ensemble des normes qui sont spécifiées sous les titres de divers réseaux.

Couche d'interconnexion des systèmes ouverts (couche OSI)

L'Organisation internationale de normalisation (ISO) a spécifié une architecture générale de spécifications de réseau dans son modèle DIS7498 (applicable à la plupart des réseaux numériques). Composé de sept « couches », ce plan tente de catégoriser tous les niveaux d'abstraction nécessaires pour communiquer des données numériques.

• Niveau 1 :Physique
  Spécifie les détails électriques et mécaniques de la communication :type de fil, conception du connecteur, types et niveaux de signal.

• Niveau 2 :Liaison de données
  Définit les formats des messages, la manière dont les données doivent être adressées et les techniques de détection/correction des erreurs.

• Niveau 3 : réseau
  Établit des procédures pour l'encapsulation des données dans des « paquets » pour la transmission et la réception.

• Niveau 4 :Transports
  Entre autres choses, la couche de transport définit la manière dont les fichiers de données complets doivent être traités sur un réseau.

• Niveau 5 : Séance
  Organise le transfert de données en termes de début et de fin d'une transmission spécifique. Analogue au contrôle des tâches sur un système d'exploitation informatique multitâche.

• Niveau 6 :Présentation
  Inclut des définitions pour les jeux de caractères, le contrôle du terminal et les commandes graphiques afin que les données abstraites puissent être facilement codées et décodées entre les appareils communicants.

• Niveau 7 :Application
  Les normes de l'utilisateur final pour générer et/ou interpréter les données communiquées dans leur forme finale. En d'autres termes, les programmes informatiques réels utilisant les données communiquées.

Certains protocoles réseau établis ne couvrent qu'un ou quelques-uns des niveaux DIS7498. Par exemple, le protocole de communication série RS-232C largement utilisé n'adresse en réalité que la première couche (« physique ») de ce modèle à sept couches. D'autres protocoles, tels que le système client/serveur graphique X-windows développé au MIT pour les systèmes informatiques à interface utilisateur graphique distribuée, couvrent les sept couches.

Différents protocoles peuvent utiliser la même norme de couche physique. Les protocoles RS-422A et RS-485 en sont un exemple, qui utilisent tous deux les mêmes circuits d'émetteur et de récepteur à tension différentielle, utilisant les mêmes niveaux de tension pour désigner les 1 et les 0 binaires. Sur le plan physique, ces deux protocoles de communication sont identiques. Cependant, à un niveau plus abstrait, les protocoles sont différents :RS-422A est uniquement point à point, tandis que RS-485 prend en charge une topologie de bus « multipoint » avec jusqu'à 32 nœuds adressables.

Le type de protocole le plus simple est peut-être celui où il n'y a qu'un seul émetteur et où tous les autres nœuds ne sont que des récepteurs. C'est le cas pour BogusBus, où un seul émetteur génère les signaux de tension imprimés sur le câblage du réseau, et un ou plusieurs récepteurs (avec 5 lampes chacun) s'allument en fonction de la sortie de l'émetteur. C'est toujours le cas avec un réseau simplex :il n'y a qu'un seul locuteur, et tout le monde écoute !

Accès multiple avec détection de porteuse (CSMA)

Lorsque nous avons plusieurs nœuds de transmission, nous devons orchestrer leurs transmissions de manière à ce qu'elles n'entrent pas en conflit les unes avec les autres. Les nœuds ne devraient pas être autorisés à parler lorsqu'un autre nœud parle, nous donnons donc à chaque nœud la possibilité d'"écouter" et de s'abstenir de parler jusqu'à ce que le réseau soit silencieux. Cette approche de base est appelée Accès multiple par détection de porteuse (CSMA) , et il existe quelques variations sur ce thème. Veuillez noter que le CSMA n'est pas un protocole standardisé en soi, mais plutôt une méthodologie suivie par certains protocoles.

Détection de collision

Une variante consiste simplement à laisser n'importe quel nœud commencer à parler dès que le réseau est silencieux. C'est analogue à un groupe de personnes réunies à une table ronde :n'importe qui a la possibilité de commencer à parler, tant qu'il n'interrompt personne d'autre. Dès que la dernière personne arrête de parler, la personne suivante qui attend pour parler commencera. Alors, que se passe-t-il lorsque deux personnes ou plus commencent à parler en même temps ? Dans un réseau, la transmission simultanée de deux ou plusieurs nœuds s'appelle une collision . Avec CSMA/CD (CSMA/Détection de collision ), les nœuds qui entrent en collision se réinitialisent simplement avec un circuit de temporisation aléatoire, et le premier à terminer son temporisation essaie à nouveau de parler. Il s'agit du protocole de base du réseau Ethernet populaire.

Arbitrage au niveau du bit

Une autre variante de CSMA est CSMA/BA (CSMA/Bitwise Arbitration ), où les nœuds en collision font référence à des numéros de priorité prédéfinis qui dictent celui qui a la permission de parler en premier. En d'autres termes, chaque nœud a un « rang » qui règle tout différend sur qui doit commencer à parler en premier après une collision, un peu comme un groupe de personnes où des dignitaires et des citoyens ordinaires sont mélangés. En cas de collision, le dignitaire est généralement autorisé à parler en premier et le commun des mortels attend ensuite.

Dans l'un ou l'autre des deux exemples ci-dessus (CSMA/CD et CSMA/BA), nous avons supposé que n'importe quel nœud pouvait initier une conversation tant que le réseau était silencieux. C'est ce qu'on appelle le mode de communication « non sollicité ». Il existe une variante appelée mode « sollicité » pour CSMA/CD ou CSMA/BA où la transmission initiale n'est autorisée que lorsqu'un nœud maître désigné demande (sollicite) une réponse. La détection de collision (CD) ou l'arbitrage au niveau du bit (BA) s'applique uniquement à l'arbitrage post-collision, car plusieurs nœuds répondent à la demande du périphérique maître.

Maître/Esclave

Une stratégie entièrement différente pour la communication de nœud est le Maître/Esclave protocole, où un seul périphérique maître attribue des créneaux horaires à tous les autres nœuds du réseau à transmettre, et planifie ces créneaux horaires de sorte que plusieurs nœuds ne puissent pas entrer en collision. Le dispositif maître adresse chaque nœud par son nom, un à la fois, laissant ce nœud parler pendant un certain temps. Quand c'est fini, le maître s'adresse au nœud suivant, et ainsi de suite, et ainsi de suite.

Passage de jetons

Une autre stratégie encore est le Token-Passing protocole, où chaque nœud a un tour de parole (un à la fois), puis accorde la permission au nœud suivant de parler une fois terminé. L'autorisation de parler est transmise d'un nœud à l'autre lorsque chacun remet le « jeton » au suivant dans l'ordre séquentiel. Le jeton lui-même n'est pas une chose physique :c'est une série de 1 et de 0 binaires diffusés sur le réseau, portant une adresse spécifique du prochain nœud autorisé à parler. Bien que le protocole de passage de jetons soit souvent associé aux réseaux à topologie en anneau, il n'est limité à aucune topologie en particulier. Et lorsque ce protocole est implémenté dans un réseau en anneau, la séquence de passage des jetons n'a pas à suivre la séquence de connexion physique de l'anneau.

Tout comme pour les topologies, plusieurs protocoles peuvent être réunis sur différents segments d'un réseau hétérogène, pour un bénéfice maximal. Par exemple, un réseau maître/esclave dédié reliant les instruments entre eux dans l'usine de fabrication peut être relié via un dispositif de passerelle à un réseau Ethernet qui relie plusieurs postes de travail informatiques de bureau, l'un de ces postes de travail informatique agissant comme une passerelle pour relier les données à un réseau de fibre FDDI vers l'ordinateur central de l'usine. Chaque type de réseau, topologie et protocole répond mieux à différents besoins et applications, mais grâce à des passerelles, ils peuvent tous partager les mêmes données.

Il est également possible de mélanger plusieurs stratégies de protocole dans un nouvel hybride au sein d'un même type de réseau. C'est le cas de Foundation Fieldbus, qui combine Maître/Esclave avec une forme de token-passing. Un appareil Link Active Scheduler (LAS) envoie des commandes planifiées de « Données obligatoires » (CD) pour interroger les appareils esclaves sur le bus de terrain pour obtenir des informations urgentes. À cet égard, Fieldbus est un protocole maître/esclave. Cependant, lorsqu'il y a du temps entre les requêtes de CD, le LAS envoie des « jetons » à chacun des autres appareils sur le bus de terrain, un à la fois, leur donnant la possibilité de transmettre toutes les données non programmées. Lorsque ces appareils ont fini de transmettre leurs informations, ils renvoient le jeton au LAS.

Le LAS recherche également de nouveaux appareils sur le bus de terrain avec un message « Probe Node » (PN), qui devrait produire une « Réponse de sonde » (PR) en retour vers le LAS. Les réponses des appareils au LAS, que ce soit par message PR ou par jeton renvoyé, dictent leur classement dans une base de données « Live List » que le LAS gère. Le bon fonctionnement du dispositif LAS est absolument essentiel au fonctionnement du bus de terrain, il existe donc des dispositions pour un fonctionnement LAS redondant en attribuant le statut « Link Master » à certains des nœuds, ce qui leur permet de devenir des planificateurs actifs de liaison alternatifs si le LAS en fonctionnement échoue .

D'autres protocoles de communication de données existent, mais ceux-ci sont les plus répandus. J'ai eu l'occasion de travailler sur un ancien système de contrôle industriel (vers 1975) fabriqué par Honeywell où un appareil maître appelé Highway Traffic Director , ou HTD, a arbitré toutes les communications réseau. Ce qui a rendu ce réseau intéressant, c'est que le signal envoyé par le HTD à tous les appareils esclaves pour permettre la transmission n'était pas communiquée sur le câblage du réseau lui-même, mais plutôt sur des ensembles de câbles à paires torsadées individuels reliant le HTD à chaque appareil esclave. Les appareils sur le réseau ont ensuite été divisés en deux catégories :les nœuds connectés au HTD qui ont été autorisés à lancer la transmission, et les nœuds non connectés au HTD qui ne pouvaient transmettre qu'en réponse à une requête envoyée par l'un des anciens nœuds. primitif et lent sont les seuls adjectifs appropriés pour ce schéma de réseau de communication, mais il a fonctionné correctement pour l'époque.