Thiết kế giao thức mạng

Các nguyên tắc kỹ thuật hệ thống được áp dụng để tạo ra một tập hợp các nguyên tắc thiết kế giao thức mạng chung. Việc thiết kế các giao thức phức tạp thường liên quan đến việc phân tách thành các giao thức đơn giản hơn. Một tập hợp các giao thức như vậy đôi khi được gọi là họ giao thức hoặc bộ giao thức, trong khuôn khổ khái niệm.

Các hệ thống giao tiếp hoạt động đồng thời. Một khía cạnh quan trọng là đồng bộ hóa phần mềm để nhận và truyền thông điệp liên lạc theo trình tự thích hợp. Là một chủ đề trong các lý thuyết hệ điều hành. Xác minh là không thể thiếu vì các chương trình nổi tiếng với các lỗi ẩn và tinh vi mà chúng chứa. Một cách tiếp cận toán học để nghiên cứu về đồng thời và truyền thông được gọi là các quá trình tuần tự truyền thông (CSP). Đồng thời cũng có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng các máy trạng thái hữu hạn, chẳng hạn như máy Mealy và Moore. Máy Mealy và Moore được sử dụng làm công cụ thiết kế trong các hệ thống điện tử kỹ thuật số ở dạng phần cứng được sử dụng trong các thiết bị viễn thông hoặc điện tử nói chung.

Các tài liệu trình bày nhiều điểm tương đồng giữa giao tiếp máy tính và lập trình. Tương tự, cơ chế truyền của một giao thức có thể so sánh với một bộ xử lý trung tâm (CPU). Khung giới thiệu các quy tắc cho phép lập trình viên thiết kế các giao thức hợp tác độc lập với nhau.

Phân lớp

Trong thiết kế giao thức hiện đại, các giao thức được xếp lớp để tạo thành một chồng giao thức. Phân lớp là một nguyên tắc thiết kế chia nhiệm vụ thiết kế giao thức thành các bước nhỏ hơn, mỗi bước hoàn thành một phần cụ thể, chỉ tương tác với các phần khác của giao thức theo một số cách được xác định rõ. Phân lớp cho phép các phần của giao thức được thiết kế và thử nghiệm mà không có sự bùng nổ tổ hợp của các trường hợp, giữ cho mỗi thiết kế tương đối đơn giản.

Các giao thức truyền thông được sử dụng trên Internet được thiết kế để hoạt động trong các cài đặt đa dạng và phức tạp. Các giao thức Internet được thiết kế để đơn giản hóa và mô đun hóa và phù hợp với một hệ thống phân cấp thô của các lớp chức năng được xác định trong Bộ Giao thức Internet. Hai giao thức hợp tác đầu tiên, Giao thức điều khiển truyền tải (TCP) và Giao thức Internet (IP) là kết quả của việc phân tách Chương trình điều khiển truyền dẫn ban đầu, một giao thức truyền thông nguyên khối, thành bộ giao tiếp nhiều lớp này.

Mô hình OSI được phát triển trên phạm vi quốc tế dựa trên kinh nghiệm với các mạng có trước internet như một mô hình tham chiếu cho giao tiếp chung với các quy tắc tương tác giao thức chặt chẽ hơn nhiều và phân lớp nghiêm ngặt.

Thông thường, phần mềm ứng dụng được xây dựng dựa trên lớp chuyển dữ liệu mạnh mẽ. Bên dưới tầng vận chuyển này là cơ chế định tuyến và phân phát gói dữ liệu thường không có kết nối trong Internet. Chuyển tiếp gói qua các mạng xảy ra trên một lớp khác chỉ liên quan đến các công nghệ liên kết mạng, thường dành riêng cho các công nghệ lớp vật lý nhất định, chẳng hạn như Ethernet. Phân lớp cung cấp cơ hội để trao đổi công nghệ khi cần thiết, ví dụ, các giao thức thường được xếp chồng lên nhau theo cách sắp xếp đường hầm để phù hợp với kết nối của các mạng không giống nhau.

Ví dụ: IP có thể được tạo đường hầm qua mạng Chế độ truyền không đồng bộ (ATM).

Phân lớp giao thức

Phân lớp giao thức là cơ sở của thiết kế giao thức. Nó cho phép phân tách các giao thức đơn lẻ, phức tạp thành các giao thức hợp tác, đơn giản hơn. Mỗi tầng giao thức giải quyết một loại vấn đề truyền thông riêng biệt. Cùng với nhau, các lớp tạo nên sơ đồ hoặc mô hình phân lớp.

Tính toán xử lý các thuật toán và dữ liệu; Giao tiếp liên quan đến các giao thức và thông điệp; Vì vậy, dạng tương tự của sơ đồ luồng dữ liệu là một loại sơ đồ luồng thông báo. Để trực quan hóa lớp giao thức và bộ giao thức, một sơ đồ của luồng thông báo trong và giữa hai hệ thống, A và B, được hiển thị trong hình 3. Cả hai hệ thống A và B đều sử dụng cùng một bộ giao thức. Các luồng dọc (và các giao thức) nằm trong hệ thống và các luồng thông báo ngang (và các giao thức) nằm giữa các hệ thống. Các luồng thông báo được điều chỉnh bởi các quy tắc và các định dạng dữ liệu được chỉ định bởi các giao thức. Các đường màu xanh lam đánh dấu ranh giới của các lớp giao thức (ngang).

Phân lớp phần mềm

Phần mềm hỗ trợ các giao thức có một tổ chức phân lớp và mối quan hệ của nó với phân lớp giao thức .

Để gửi tin nhắn trên hệ thống A, mô-đun phần mềm lớp trên cùng tương tác với mô-đun ngay bên dưới nó và chuyển giao tin nhắn sẽ được đóng gói. Mô-đun phía dưới điền vào dữ liệu tiêu đề theo giao thức mà nó triển khai và tương tác với mô-đun phía dưới gửi thông báo qua kênh liên lạc tới mô-đun phía dưới của hệ thống B. Trên hệ thống nhận B, điều ngược lại xảy ra, vì vậy cuối cùng thông báo được phân phối ở dạng ban đầu tới mô-đun trên cùng của hệ thống B.

Dịch chương trình được chia thành các bài toán con. Do đó, phần mềm dịch thuật cũng được phân lớp, cho phép các lớp phần mềm được thiết kế độc lập. Cách tiếp cận tương tự có thể được nhìn thấy trong lớp TCP/IP.

>> Tham khảo: Lắp mạng VNPT Hà Nội

Các mô-đun bên dưới lớp ứng dụng thường được coi là một phần của hệ điều hành. Việc truyền dữ liệu giữa các mô-đun này ít tốn kém hơn nhiều so với việc truyền dữ liệu giữa chương trình ứng dụng và tầng vận chuyển. Ranh giới giữa lớp ứng dụng và lớp vận chuyển được gọi là ranh giới hệ điều hành.

Phân lớp nghiêm ngặt

Tuân thủ nghiêm ngặt mô hình phân lớp, một phương pháp được gọi là phân lớp nghiêm ngặt, không phải lúc nào cũng là cách tốt nhất để kết nối mạng. Phân lớp nghiêm ngặt có thể có tác động tiêu cực đến hiệu suất triển khai.

Mặc dù việc sử dụng phân lớp giao thức ngày nay phổ biến trong lĩnh vực mạng máy tính, nhưng nó đã bị nhiều nhà nghiên cứu chỉ trích trong lịch sử vì việc trừu tượng hóa ngăn xếp giao thức theo cách này có thể khiến lớp cao hơn sao chép chức năng của lớp thấp hơn, một ví dụ điển hình là khôi phục lỗi trên cả cơ sở mỗi liên kết và đầu cuối.

Mẫu thiết kế

Các vấn đề thường lặp lại trong thiết kế và triển khai các giao thức truyền thông có thể được giải quyết bằng các mẫu thiết kế phần mềm.

Đặc điểm kỹ thuật chính thức

Các phương pháp chính thức phổ biến để mô tả cú pháp giao tiếp là Ký hiệu Cú pháp Trừu tượng Một (tiêu chuẩn ISO) và dạng Backus–Naur tăng cường (tiêu chuẩn IETF).

Các mô hình máy trạng thái hữu hạn được sử dụng để mô tả chính thức các tương tác có thể có của giao thức và giao tiếp các máy trạng thái hữu hạn.