Datové pakety

-- 08.09.12

Rozdělení dat na pakety je základem v podstatě všech používaných koncepcí sítí.

Jednou z věcí, kterou považujeme za samozřejmost pokaždé, když se díváme na něco na internetu nebo v průmyslovém řídicím systému, je to, že naše sítě dokáží odesílat a přijímat data z jakéhokoli počtu zdrojů zároveň a vypadá to, že vše funguje. Takto  to ovšem nebylo vždy, vděčíme za to technologii datových paketů (balíčků). V raných dobách výpočetní techniky spolu zařízení komunikovala pomocí sériové komunikace mezi dvěma body typu point-to-point. V zásadě šlo o to, že data proudila ze zařízení A do zařízení B tak, jako teče voda, když se na obou stranách otevřou příslušné ventily. Bylo to primitivní, ale v rámci svých omezení to fungovalo. Dříve se to dalo tolerovat, protože bylo jen málo počítačů, které spolu komunikovaly.

Na počátku 60. let již počítačů přibývalo a způsob přenosu dat nabýval na významu. Paul Baran, který pracoval pro společnost Rand Corporation, dospěl k závěru, že pokud by data mohla být rozdělena na kousky a nepřenášela se v jednom souvislém proudu, mohlo by to podporovat robustnější systém, který by mohl propojovat mnohem více zařízení ve společné síti. Systém by mohl dokonce přežít i jaderný úrok, což bylo v dobách studené války relevantním faktorem. Baran byl vizionář a dokázal si představit něco jako Internet dlouho předtím než většina lidí.

Co je to paket?

Když se vrátíme k analogii tekoucí vody, namísto rozvádění vody potrubím ji naplníte do lahví a můžete ji poslat kamkoliv. Jiní přirovnávají datové pakety k dopisům, kdy dáte zprávu do obálky a zašlete ji poštou. Paket je datový rámec se specifikovanou velikostí a strukturou. Má hlavičku a zakončení, které obsahují identifikační údaje o odesílateli, místu určení apod. Uprostřed je místo pro samotnou zprávu, čili datová oblast (payload). V určité síti mívá datová oblast omezenou délku, takže se delší zprávy mohou rozdělovat do několika paketů. Pokud je zpráva krátká, ostatní části paketu se nijak nezmenší.

V různých síťových protokolech jsou detaily vlastní realizace různé, ale základní koncepce je do značné míry stejná. Aplikace na odesílací a přijímací straně vkládá data do paketů pro přenos a rozbaluje je, když na místo dorazí. Síťové protokoly se kategorizují podle jejich efektivity, neboli objemu datové oblasti ve srovnání s celkovou velikostí paketu. Pokud příliš mnoho místa paketu zabírá hlavička, zakončení a další obslužná data, protokol se považuje za neefektivní. Jedním z argumentů proti používání Ethernetu  pro průmyslovou přístrojovou techniku je představa, že má příliš mnoho obslužných dat vzhledem k malému množství dat, která tato zařízení generují.

Jednou z výhod rozdělení velkých objemů dat na menší jednotky je možnost kontrolovat nepoškozenost zprávy pomocí protokolu kontroly chyb, jako je cyklická redundantní kontrola (Cyclic Redundancy Check – CRC). Jednoduše řečeno jde o to, že všechny informace ve zprávě v daném paketu mají k sobě přiřazenu numerickou hodnotu. Protokol všechny tyto hodnoty sčítá a součet vydělí jiným číslem. Zbytek tohoto dělení se přiřadí k této zprávě. Přijímací strana provede stejný výpočet a zkontroluje, zda je hodnota zbytku stejná. Pokud není, ví, že některá data zprávy obsažená v tomto paketu musela být poškozena a tento paket označí příznakem (flag).

Aplikace v Ethernetu

Ethernetová komunikace se opírá o pakety, neboli, jak se častěji označují, o rámce. Bylo vytvořeno mnoho variací, ale rámec obvykle tvoří sedm částí:

• úvod (preamble) (používá se pro bitovou synchronizaci)

• oddělovač začátku rámce (Start of Frame Delimiter – SFD)

• cílová MAC adresa

• zdrojová MAC adresa

• délka nebo specifický typ

• zpráva neboli data

• kontrolní součet rámce (Frame Check Sequence – FCS).

Velikost každého z těchto prvků je pevně daná, kromě datové oblasti. Ta se může podle potřeby měnit podle zasílaných informací, ale maximum je okolo 1,5 kB. Kdybychom tento článek odesílali jako prostý text, pravděpodobně by potřeboval tři pakety. S tím, jak neustále přicházejí nové technologie, je těžké nezapomínat na jednu, která se stále využívá a byla upravována tolika způsoby, na tu, o níž se opíráme v tolika aplikacích.

ce

Peter Welander je obsahovým ředitelem časopisu Control Engineering. Kontaktujte jej na adrese pwelander@cfemedia.com.

Autor: Peter Welander, Control Engineering