ネットワークプロトコル

物理ネットワークの問題（信号の種類と電圧レベル、コネクタのピン配置、ケーブル接続、トポロジなど）は別として、ネットワーク内の複数のノード間で通信を調停する標準化された方法が必要です。 2ノードのポイントツーポイントシステムとして。ノードがネットワーク上で「通信」するとき、ノードはネットワーク配線上で信号を生成します。これは、高低のDC電圧レベル、ある種の変調されたAC搬送波信号、またはファイバー内の光のパルスですらあります。 「リッスン」するノードは、（送信ノードからの）ネットワーク上で適用された信号を測定し、それを受動的に監視しているだけです。ただし、2つ以上のノードが同時に「通信」すると、それらの出力信号が衝突し（2つの論理ゲートがバス上の単一のラインに反対の信号電圧を印加しようとしていると想像してください）、送信データが破損する可能性があります。

ノードがバスまたはネットワーク配線に送信できるようにする標準化された方法は、プロトコルと呼ばれます。複数のノード間で共通のネットワークの使用を調停するためのさまざまなプロトコルがありますが、ここではそのいくつかについて説明します。ただし、これらのいくつかを認識し、ある目的で他の目的よりもうまく機能する理由を理解することは良いことです。通常、特定のプロトコルは標準化されたタイプのネットワークに関連付けられています。これは、さまざまなネットワークのタイトルで指定されている一連の標準に対するもう1つの「レイヤー」にすぎません。

オープンシステム相互接続レイヤー（OSIレイヤー）

国際標準化機構（ISO）は、DIS7498モデルでネットワーク仕様の一般的なアーキテクチャを指定しています（ほとんどのデジタルネットワークに適用可能）。この概要は、7つの「レイヤー」で構成されており、デジタルデータの通信に必要なすべてのレベルの抽象化を分類しようとしています。

• レベル1：物理的
  通信の電気的および機械的詳細を指定します：ワイヤタイプ、コネクタデザイン、信号タイプおよびレベル。

• レベル2：データリンク
  メッセージの形式、データのアドレス指定方法、およびエラー検出/訂正技術を定義します。

• レベル3：ネットワーク
  送受信用の「パケット」にデータをカプセル化する手順を確立します。

• レベル4：輸送
  とりわけ、トランスポート層は、ネットワーク上で完全なデータファイルを処理する方法を定義します。

• レベル5：セッション
  特定の送信の開始と終了の観点からデータ転送を整理します。マルチタスクコンピュータのオペレーティングシステムでのジョブ制御に似ています。

• レベル6：プレゼンテーション
  文字セット、端末制御、およびグラフィックコマンドの定義が含まれているため、通信デバイス間で抽象データを簡単にエンコードおよびデコードできます。

• レベル7：アプリケーション
  通信データを最終的な形式で生成および/または解釈するための、エンドユーザー標準。言い換えれば、通信されたデータを使用する実際のコンピュータプログラムです。

一部の確立されたネットワークプロトコルは、DIS7498レベルの1つまたはいくつかのみをカバーします。たとえば、広く使用されているRS-232Cシリアル通信プロトコルは、実際にはこの7層モデルの最初の（「物理」）層のみを対象としています。分散型グラフィックユーザーインターフェイスコンピューターシステム用にMITで開発されたX-windowsグラフィカルクライアント/サーバーシステムなどの他のプロトコルは、7つのレイヤーすべてをカバーします。

異なるプロトコルが同じ物理層標準を使用する場合があります。この例は、RS-422AおよびRS-485プロトコルであり、どちらも同じ差動電圧送信機および受信機回路を使用し、同じ電圧レベルを使用してバイナリの1と0を示します。物理レベルでは、これら2つの通信プロトコルは同一です。ただし、より抽象的なレベルでは、プロトコルは異なります。RS-422Aはポイントツーポイントのみですが、RS-485はバストポロジをサポートします「マルチドロップ」 最大32個のアドレス可能なノードがあります。

おそらく、最も単純なタイプのプロトコルは、送信機が1つだけで、他のすべてのノードが単なる受信機であるプロトコルです。これはBogusBusの場合で、単一の送信機がネットワーク配線に印加される電圧信号を生成し、送信機の出力に応じて1つ以上の受信機ユニット（それぞれ5つのランプ）が点灯します。これは、シンプレックスネットワークの場合は常に当てはまります。話し手は1人だけで、他の全員が耳を傾けます。

キャリアセンスマルチアクセス（CSMA）

複数の送信ノードがある場合、それらが互いに競合しないように送信を調整する必要があります。別のノードが話しているときにノードが話し合うことを許可しないようにする必要があるため、各ノードに「聞き取り」、ネットワークが無音になるまで話しかけないようにする機能を提供します。この基本的なアプローチは、 Carrier Sense Multiple Access と呼ばれます。 （CSMA） 、およびこのテーマにはいくつかのバリエーションがあります。 CSMAはそれ自体が標準化されたプロトコルではなく、特定のプロトコルが従う方法論であることに注意してください。

衝突検出

1つのバリエーションは、ネットワークがサイレントになるとすぐに、任意のノードが通信を開始できるようにすることです。これは、円卓会議で集まる人々のグループに似ています。他の人の邪魔をしない限り、誰でも話し始めることができます。最後の人が話をやめるとすぐに、話を待っている次の人が始まります。では、2人以上が同時に話し始めるとどうなりますか？ネットワークでは、2つ以上のノードの同時送信は衝突と呼ばれます。 。 CSMA / CDを使用（ CSMA /衝突検出 ）、衝突したノードはランダム遅延タイマー回路でリセットされ、時間遅延を終了した最初のノードは再度通信を試みます。これは、一般的なイーサネットネットワークの基本プロトコルです。

ビット単位の調停

CSMAのもう1つのバリエーションは、CSMA / BA（ CSMA / Bitwise Arbitration ）、ここで、衝突するノードは、最初に話す許可を持っているノードを指示する事前設定された優先順位番号を参照します。言い換えれば、各ノードには、高官と一般市民が混在する人々のグループのように、衝突が発生した後に誰が最初に話し始めるかについての論争を解決する「ランク」があります。衝突が発生した場合、通常、高官は最初に話すことが許可され、一般の人はその後待機します。

上記の2つの例（CSMA / CDとCSMA / BA）のいずれかでは、ネットワークがサイレントである限り、どのノードでも会話を開始できると想定しました。これは、「一方的な」通信モードと呼ばれます。 CSMA / CDまたはCSMA / BAのいずれにも「送信請求」モードと呼ばれるバリエーションがあり、指定されたマスターノードが応答を要求（送信）した場合にのみ最初の送信が許可されます。衝突検出（CD）またはビット単位のアービトレーション（BA）は、複数のノードがマスターデバイスの要求に応答するため、衝突後のアービトレーションにのみ適用されます。

マスター/スレーブ

ノード通信のまったく異なる戦略は、マスター/スレーブです。 プロトコル。単一のマスターデバイスがネットワーク上の他のすべてのノードに送信するタイムスロットを割り当て、複数のノードが送信できないようにこれらのタイムスロットをスケジュールします。 衝突します。マスターデバイスは、各ノードを一度に1つずつ名前でアドレス指定し、そのノードが一定時間通信できるようにします。完了すると、マスターは次のノードをアドレス指定し、以下同様に続きます。

トークンパッシング

さらに別の戦略は、トークンパッシングです。 プロトコル。各ノードが（一度に1つずつ）話す順番を取得し、次のノードが話し終えたときに話す許可を与えます。会話の許可は、ノードからノードへと渡されます。各ノードは、「トークン」を順番に次のトークンに渡します。トークン自体は物理的なものではありません。これは、ネットワーク上でブロードキャストされる一連のバイナリ1と0であり、通信が許可されている次のノードの特定のアドレスを伝送します。トークンパッシングプロトコルは、多くの場合、リングトポロジネットワークに関連付けられていますが、特にどのトポロジにも制限されていません。また、このプロトコルがリングネットワークに実装されている場合、トークンパッシングのシーケンスは、リングの物理的な接続シーケンスに従う必要はありません。

トポロジの場合と同様に、最大のメリットを得るために、異種ネットワークの異なるセグメントを介して複数のプロトコルを結合できます。たとえば、製造工場のフロアで機器を相互に接続する専用のマスター/スレーブネットワークは、ゲートウェイデバイスを介して、複数のデスクトップコンピュータワークステーションを相互にリンクするイーサネットネットワークにリンクできます。これらのコンピュータワークステーションの1つは、データをリンクするゲートウェイとして機能します。 FDDIファイバーネットワークをプラントのメインフレームコンピューターに戻します。各ネットワークタイプ、トポロジ、およびプロトコルは、さまざまなニーズとアプリケーションに最適に対応しますが、ゲートウェイデバイスを介して、すべて同じデータを共有できます。

複数のプロトコル戦略を単一のネットワークタイプ内の新しいハイブリッドにブレンドすることも可能です。これは、マスター/スレーブとトークンパッシングの形式を組み合わせたFoundationFieldbusの場合です。リンクアクティブスケジューラ（LAS）デバイスは、スケジュールされた「データの強制」（CD）コマンドを送信して、フィールドバス上のスレーブデバイスにタイムクリティカルな情報を問い合わせます。この点で、フィールドバスはマスター/スレーブプロトコルです。ただし、CDクエリの間に時間がかかると、LASはフィールドバス上の他の各デバイスに一度に1つずつ「トークン」を送信し、スケジュールされていないデータを送信する機会を与えます。これらのデバイスが情報の送信を完了すると、トークンをLASに返します。

LASはまた、フィールドバス上の新しいデバイスを「プローブノード」（PN）メッセージでプローブします。これにより、LASに「プローブ応答」（PR）が返されることが期待されます。 LASに返されるデバイスの応答は、PRメッセージによるものであれ、返されたトークンによるものであれ、LASが維持する「ライブリスト」データベースでのデバイスの位置を示します。 LASデバイスの適切な動作は、フィールドバスの機能にとって絶対に重要です。そのため、一部のノードに「リンクマスター」ステータスを割り当て、動作中のLASに障害が発生した場合に代替のリンクアクティブスケジューラになるように、冗長なLAS動作を提供します。 。

他のデータ通信プロトコルも存在しますが、これらが最も一般的です。私は、ハネウェル製の古い（1975年頃）産業用制御システムに取り組む機会がありました。このシステムでは、高速道路交通局長と呼ばれるマスターデバイスが使用されていました。 、またはHTDは、すべてのネットワーク通信を調停しました。このネットワークを面白くしたのは、送信を許可するためにHTDからすべてのスレーブデバイスに送信された信号が なかったことです。 ネットワーク配線自体で通信されますが、HTDを各スレーブデバイスに接続する個々のツイストペアケーブルのセットで通信されます。次に、ネットワーク上のデバイスは、送信の開始を許可されたHTDに接続されたノードと、前のノードの1つによって送信されたクエリに応答してのみ送信できたHTDに接続されていないノードの2つのカテゴリに分けられました。 プリミティブ および遅い この通信ネットワークスキームに適した形容詞はこれだけですが、当時は十分に機能していました。