网络协议

除了物理网络的问题（信号类型和电压电平、连接器引脚排列、布线、拓扑等），还需要一种标准化的方式来在网络中的多个节点之间仲裁通信，即使它很简单作为两个节点的点对点系统。当一个节点在网络上“交谈”时，它会在网络布线上生成一个信号，无论是高低直流电压电平、某种调制的交流载波信号，甚至是光纤中的光脉冲。 “监听”的节点只是测量网络上的应用信号（来自传输节点）并被动监控它。然而，如果两个或多个节点同时“通话”，它们的输出信号可能会发生冲突（想象一下，两个逻辑门试图将相反的信号电压施加到总线上的一条线上！），破坏传输的数据。

允许节点传输到总线或网络布线的标准化方法称为协议。有许多不同的协议可用于仲裁多个节点之间公共网络的使用，我将在这里仅介绍几个。但是，了解这些少数情况并理解为什么有些人在某些目的上比其他人更好地工作是很好的。通常，特定协议与标准化类型的网络相关联。这只是在各种网络标题下指定的标准集的另一个“层”。

开放系统互连层（OSI 层）

国际标准组织 (ISO) 在其 DIS7498 模型（适用于大多数任何数字网络）中指定了网络规范的通用架构。该大纲由七个“层”组成，试图对传达数字数据所需的所有抽象级别进行分类。

• 级别 1：身体
  指定通信的电气和机械细节：电线类型、连接器设计、信号类型和电平。

• 级别 2：数据链接
  定义消息的格式、数据的寻址方式以及错误检测/纠正技术。

• 级别 3：网络
  建立了将数据封装成“数据包”进行传输和接收的程序。

• 第 4 级：运输
  除其他外，传输层定义了如何通过网络处理完整的数据文件。

• 级别 5：会话
  根据特定传输的开始和结束来组织数据传输。类似于多任务计算机操作系统上的作业控制。

• 第 6 级：演示
  包括字符集、终端控制和图形命令的定义，以便可以在通信设备之间轻松编码和解码抽象数据。

• 第 7 级：申请
  生成和/或解释最终形式的通信数据的最终用户标准。换句话说，使用通信数据的实际计算机程序。

一些已建立的网络协议仅涵盖一个或几个 DIS7498 级别。例如，广泛使用的 RS-232C 串行通信协议实际上只解决了这个七层模型的第一（“物理”）层。其他协议，例如麻省理工学院为分布式图形用户界面计算机系统开发的 X-windows 图形客户端/服务器系统，涵盖了所有七层。

不同的协议可能使用相同的物理层标准。这方面的一个例子是 RS-422A 和 RS-485 协议，它们都使用相同的差分电压发送器和接收器电路，使用相同的电压电平来表示二进制 1 和 0。在物理层面上，这两种通信协议是相同的。然而，在更抽象的层面上，协议是不同的：RS-422A 只是点对点，而 RS-485 支持总线拓扑“多点” 最多 32 个可寻址节点。

也许最简单的协议类型是只有一个发送器，所有其他节点都只是接收器的协议。 BogusBus 就是这种情况，其中单个发射器生成施加在网络布线上的电压信号，一个或多个接收器单元（每个带有 5 个灯）根据发射器的输出点亮。单工网络总是如此：只有一个说话者，其他人都在听！

载波侦听多路访问 (CSMA)

当我们有多个传输节点时，我们必须以不相互冲突的方式来协调它们的传输。当另一个节点正在说话时，不应允许节点说话，因此我们赋予每个节点“倾听”的能力，并在网络安静之前避免说话。这种基本方法称为载波侦听多路访问 (CSMA) ，并且此主题存在一些变体。请注意，CSMA 本身并不是标准化的协议，而是某些协议遵循的一种方法论。

碰撞检测

一种变体是简单地让任何节点在网络静默后立即开始通话。这类似于一群人在圆桌会议上开会：任何人都可以开始说话，只要他们不打扰其他人。只要最后一个人停止说话，下一个等待说话的人就会开始。那么，当两个或更多人同时开始说话时会发生什么？在网络中，两个或多个节点的同时传输称为冲突 .使用 CSMA/CD（CSMA/碰撞检测 )，冲突的节点简单地用一个随机延迟定时器电路重置自己，第一个完成其时间延迟的节点尝试再次通话。这是流行的以太网网络的基本协议。

按位仲裁

CSMA 的另一个变体是 CSMA/BA（CSMA/Bitwise Arbitration )，其中冲突节点指的是预先设定的优先级数字，这些数字决定了哪个节点有权先发言。换句话说，每个节点都有一个“等级”，可以解决在发生碰撞后谁先开始说话的任何争议，就像一群政要和普通公民混在一起的人。如果发生碰撞，一般是让要人先发言，普通人在后等待。

在上述两个示例（CSMA/CD 和 CSMA/BA）中的任何一个中，我们假设只要网络处于静音状态，任何节点都可以发起对话。这被称为“未经请求的”通信模式。对于 CSMA/CD 或 CSMA/BA，有一种称为“请求”模式的变体，其中仅当指定的主节点请求（请求）回复时才允许进行初始传输。冲突检测 (CD) 或按位仲裁 (BA) 仅适用于冲突后仲裁，因为多个节点响应主设备的请求。

主/从

一个完全不同的节点通信策略是主/从 协议，其中单个主设备为网络上的所有其他节点分配时隙进行传输，并调度这些时隙，以便多个节点不能 碰撞。主设备按名称寻址每个节点，一次一个，让该节点通话一段时间。完成后，主节点寻址下一个节点，依此类推。

令牌传递

另一个策略是令牌传递 协议，其中每个节点轮流发言（一次一个），然后在完成后授予下一个节点发言的权限。当每个节点按顺序将“令牌”交给下一个节点时，通话权限会从一个节点传递到另一个节点。令牌本身不是一个物理的东西：它是一系列二进制的 1 和 0 在网络上广播，携带下一个允许通话的节点的特定地址。尽管令牌传递协议通常与环形拓扑网络相关联，但它并不特别限于任何拓扑。而该协议在环网中实现时，令牌传递的顺序不必遵循环的物理连接顺序。

就像拓扑一样，多个协议可以通过异构网络的不同部分连接在一起，以获得最大的好处。例如，在制造车间将仪器连接在一起的专用主/从网络可以通过网关设备链接到以太网网络，该网络将多个台式计算机工作站链接在一起，其中一个计算机工作站充当网关将数据链接到FDDI 光纤网络返回工厂的大型计算机。每种网络类型、拓扑和协议最适合不同的需求和应用，但通过网关设备，它们都可以共享相同的数据。

还可以将多种协议策略混合到单一网络类型中的新混合中。基金会现场总线就是这种情况，它将主/从与令牌传递的形式相结合。链路活动调度器 (LAS) 设备发送预定的“强制数据”(CD) 命令以查询现场总线上的从设备以获取时间关键信息。在这方面，现场总线是一种主/从协议。但是，当 CD 查询之间有时间时，LAS 会向现场总线上的每个其他设备发送“令牌”，一次一个，让它们有机会传输任何计划外的数据。当这些设备完成信息传输后，它们会将令牌返回给 LAS。

LAS 还通过“探测节点”(PN) 消息探测现场总线上的新设备，预计该消息会产生返回给 LAS 的“探测响应”(PR)。设备对 LAS 的响应，无论是通过 PR 消息还是返回的令牌，决定了它们在 LAS 维护的“实时列表”数据库中的地位。 LAS 设备的正确运行对于现场总线的运行绝对至关重要，因此通过将“链路主”状态分配给某些节点，使它们能够在运行的 LAS 出现故障时成为备用链路活动调度器，从而为冗余 LAS 运行做好准备.

存在其他数据通信协议，但这些是最流行的。我有机会在霍尼韦尔制造的旧（大约 1975 年）工业控制系统上工作，其中有一个名为Highway Traffic Director的主设备 或 HTD，仲裁所有网络通信。使这个网络有趣的是，从 HTD 发送到所有从设备以允许传输的信号不是 在网络布线本身上进行通信，而是通过将 HTD 与每个从设备连接起来的独立双绞线电缆组进行通信。网络上的设备然后被分为两类：那些连接到 HTD 的节点被允许发起传输，那些没有连接到 HTD 的节点只能响应前一个节点发送的查询进行传输。 原始 并且慢 是这个通信网络方案唯一合适的形容词，但它在当时的功能已经足够了。