14.7: Protocolos de red

Aparte de los problemas de la red física (tipos de señal y niveles de voltaje, pinouts de conectores, cableado, topología, etc.), se necesita una manera estandarizada en la que la comunicación sea arbitrada entre múltiples nodos en una red, aunque sea tan simple como un sistema punto a punto de dos nodos. Cuando un nodo “habla” en la red, está generando una señal en el cableado de la red, ya sea niveles altos y bajos de voltaje de CC, algún tipo de señal de onda portadora de CA modulada, o incluso pulsos de luz en una fibra. Los nodos que “escuchan” son simplemente medir esa señal aplicada en la red (desde el nodo transmisor) y monitorearla pasivamente. Sin embargo, si dos o más nodos “hablan” al mismo tiempo, sus señales de salida pueden chocar (¡imagina dos puertas lógicas tratando de aplicar voltajes de señal opuestos a una sola línea en un bus!) , corrompiendo los datos transmitidos.

El método estandarizado por el cual se permite que los nodos transmitan al bus o cableado de red se denomina protocolo. Existen muchos protocolos diferentes para arbitrar el uso de una red común entre múltiples nodos, y voy a cubrir solo algunos aquí. No obstante, es bueno estar al tanto de estos pocos, y entender por qué algunos funcionan mejor para unos fines que para otros. Por lo general, un protocolo específico se asocia con un tipo de red estandarizado. Esto es simplemente otra “capa” al conjunto de normas que se especifican bajo los títulos de diversas redes.

La Organización Internacional de Normalización (ISO) ha especificado una arquitectura general de especificaciones de red en su modelo DIS7498 (aplicable a la mayoría de redes digitales). Consta de siete “capas”, este esquema intenta categorizar todos los niveles de abstracción necesarios para comunicar datos digitales.

• Nivel 1: Físico Especifica detalles eléctricos y mecánicos de comunicación: tipo de cable, diseño de conector, tipos de señal y niveles.
• Nivel 2: Enlace de datos Define los formatos de los mensajes, cómo deben abordarse los datos y las técnicas de detección/corrección de errores.
• Nivel 3: Red Establece procedimientos para la encapsulación de datos en “paquetes” para su transmisión y recepción.
• Nivel 4: Transporte Entre otras cosas, la capa de transporte define cómo se van a manejar los archivos de datos completos a través de una red.
• Nivel 5: Sesión Organiza la transferencia de datos en términos de inicio y fin de una transmisión específica. Análogo al control de trabajo en un sistema operativo de computadora multitarea.
• Nivel 6: Presentación Incluye definiciones para juegos de caracteres, control de terminales y comandos gráficos para que los datos abstractos puedan codificarse y decodificarse fácilmente entre dispositivos comunicantes.
• Nivel 7: Aplicación Los estándares de usuario final para generar y/o interpretar los datos comunicados en su forma final. En otras palabras, los programas informáticos reales que utilizan los datos comunicados.

Algunos protocolos de red establecidos solo cubren uno o algunos de los niveles DIS7498. Por ejemplo, el protocolo de comunicaciones serie RS-232C ampliamente utilizado realmente solo aborda la primera capa (“física”) de este modelo de siete capas. Otros protocolos, como el sistema gráfico cliente/servidor X-Windows desarrollado en el MIT para sistemas informáticos distribuidos de interfaz gráfica de usuario, cubren las siete capas.

Diferentes protocolos pueden usar el mismo estándar de capa física. Un ejemplo de esto son los protocolos RS-422A y RS-485, ambos utilizan los mismos circuitos de transmisor y receptor de voltaje diferencial, usando los mismos niveles de voltaje para denotar binarios 1 y 0. A nivel físico, estos dos protocolos de comunicación son idénticos. Sin embargo, en un nivel más abstracto los protocolos son diferentes: RS-422A es solo punto a punto, mientras que RS-485 soporta una topología de bus “multidrop” con hasta 32 nodos direccionables.

Quizás el tipo de protocolo más simple es aquel en el que solo hay un transmisor, y todos los demás nodos son meramente receptores. Tal es el caso de BogusBus, donde un solo transmisor genera las señales de voltaje impresas en el cableado de la red, y una o más unidades receptoras (con 5 lámparas cada una) se iluminan de acuerdo con la salida del transmisor. Este es siempre el caso con una red simplex: ¡solo hay un hablador y todos los demás escuchan!

Cuando tenemos múltiples nodos transmisores, debemos orquestar sus transmisiones de tal manera que no entren en conflicto entre sí. No se debe permitir que los nodos hablen cuando otro nodo está hablando, así que le damos a cada nodo la capacidad de “escuchar” y de abstenerse de hablar hasta que la red esté en silencio. Este enfoque básico se llama Carrier Sense Multiple Access (CSMA), y existen algunas variaciones sobre este tema. Tenga en cuenta que CSMA no es un protocolo estandarizado en sí mismo, sino más bien una metodología que siguen ciertos protocolos.

Una variación es simplemente dejar que cualquier nodo comience a hablar tan pronto como la red esté en silencio. Esto es análogo a un grupo de personas que se reúne en una mesa redonda: cualquiera tiene la capacidad de empezar a hablar, siempre y cuando no interrumpa a nadie más. En cuanto la última persona deje de hablar, comenzará la siguiente persona que espera para platicar. Entonces, ¿qué pasa cuando dos o más personas empiezan a hablar a la vez? En una red, la transmisión simultánea de dos o más nodos se denomina colisión. Con CSMA/CD (CSMA/Collision Detection), los nodos que chocan simplemente se reinician con un circuito temporizador de retardo aleatorio, y el primero en terminar su retardo de tiempo intenta volver a hablar. Este es el protocolo básico para la popular red Ethernet.

Otra variación de CSMA es CSMA/BA (CSMA/Bitwise Arbitration), donde los nodos en colisión se refieren a números de prioridad preestablecidos que dictan cuál tiene permiso para hablar primero. Es decir, cada nodo tiene un “rango” que resuelve cualquier disputa sobre quién llega a empezar a hablar primero después de que ocurra una colisión, al igual que un grupo de personas donde se mezclan dignatarios y ciudadanos comunes. Si ocurre una colisión, generalmente se le permite al dignatario hablar primero y la persona común espera después.

En cualquiera de los dos ejemplos anteriores (CSMA/CD y CSMA/BA), asumimos que cualquier nodo podría iniciar una conversación siempre y cuando la red estuviera en silencio. Esto se conoce como el modo de comunicación “no solicitado”. Hay una variación llamada modo “solicitado” para CSMA/CD o CSMA/BA donde la transmisión inicial solo se permite que ocurra cuando un nodo maestro designado solicita (solicita) una respuesta. La detección de colisiones (CD) o el arbitraje bit a bit (BA) se aplica solo al arbitraje posterior a la colisión, ya que múltiples nodos responden a la solicitud del dispositivo maestro.

Una estrategia completamente diferente para la comunicación de nodos es el protocolo maestro/esclavo, donde un solo dispositivo maestro asigna intervalos de tiempo para que todos los demás nodos de la red transmitan, y programa estos intervalos de tiempo para que múltiples nodos no puedan colisionar. El dispositivo maestro se dirige a cada nodo por su nombre, uno a la vez, permitiendo que ese nodo hable durante cierta cantidad de tiempo. Cuando se termina, el maestro se dirige al siguiente nodo, y así sucesivamente, y así sucesivamente.

Otra estrategia más es el protocolo Token-Passing, donde cada nodo obtiene un turno para hablar (uno a la vez), y luego otorga permiso para que el siguiente nodo hable cuando termine. El permiso para hablar se pasa de nodo a nodo ya que cada uno entrega el “token” al siguiente en orden secuencial. El token en sí no es una cosa física: es una serie de 1's y 0's binarios difundidos en la red, llevando una dirección específica del siguiente nodo permitido hablar. Aunque el protocolo de paso de tokens a menudo se asocia con redes de topología de anillo, no se restringe a ninguna topología en particular. Y cuando este protocolo se implementa en una red en anillo, la secuencia de paso de token no tiene que seguir la secuencia de conexión física del anillo.

Al igual que con las topologías, se pueden unir múltiples protocolos en diferentes segmentos de una red heterogénea, para obtener el máximo beneficio. Por ejemplo, una red maestro/esclava dedicada que conecta instrumentos entre sí en el piso de la planta de fabricación puede vincularse a través de un dispositivo de puerta de enlace a una red Ethernet que enlaza múltiples estaciones de trabajo de computadora de escritorio, actuando una de esas estaciones de trabajo de computadora como una puerta de enlace para vincular los datos a una Red de fibra FDDI de regreso a la computadora central de la planta. Cada tipo de red, topología y protocolo sirve mejor a diferentes necesidades y aplicaciones, pero a través de dispositivos de puerta de enlace, todos pueden compartir los mismos datos.

También es posible combinar múltiples estrategias de protocolo en un nuevo híbrido dentro de un solo tipo de red. Tal es el caso de Foundation Fieldbus, que combina Maestro/Esclavo con una forma de paso de tokens. Un dispositivo Link Active Scheduler (LAS) envía comandos programados de “Compel Data” (CD) para consultar a los dispositivos esclavos en el bus de campo para obtener información crítica de tiempo. Al respecto, Fieldbus es un protocolo Maestro/Esclavo. Sin embargo, cuando hay tiempo entre consultas de CD, el LAS envía “tokens” a cada uno de los otros dispositivos del bus de campo, uno a la vez, dándoles la oportunidad de transmitir cualquier dato no programado. Cuando esos dispositivos terminan de transmitir su información, devuelven el token al LAS. El LAS también busca nuevos dispositivos en el bus de campo con un mensaje de “Nodo de sonda” (PN), que se espera que produzca una “Respuesta de sonda” (PR) de regreso al LAS. Las respuestas de los dispositivos al LAS, ya sea por mensaje PR o token devuelto, dictan su posición en una base de datos de “Live List” que mantiene el LAS. El correcto funcionamiento del dispositivo LAS es absolutamente crítico para el funcionamiento del bus de campo, por lo que hay provisiones para el funcionamiento redundante de LAS asignando el estado “Link Master” a algunos de los nodos, habilitándolos para que se conviertan en Programadores Activos de Enlace Alternativos si falla el LAS operativo.

Existen otros protocolos de comunicación de datos, pero estos son los más populares. Tuve la oportunidad de trabajar en un antiguo sistema de control industrial (circa 1975) hecho por Honeywell donde un dispositivo maestro llamado Director de Tráfico de Carreteras, o HTD, arbitraba todas las comunicaciones de red. Lo que hizo interesante esta red es que la señal enviada desde el HTD a todos los dispositivos esclavos para permitir la transmisión no se comunicaba en el cableado de la red en sí, sino en conjuntos de cables individuales de par trenzado que conectaban el HTD con cada dispositivo esclavo. Los dispositivos de la red se dividieron entonces en dos categorías: aquellos nodos conectados al HTD a los que se les permitió iniciar la transmisión, y aquellos nodos no conectados al HTD que solo podían transmitir en respuesta a una consulta enviada por uno de los nodos anteriores. Primitivo y lento son los únicos adjetivos adecuados para este esquema de redes de comunicación, pero funcionó adecuadamente para su época.