Топ-10 Что такое единицы протокольных данных? Подробное руководство

Блок данных протокола (PDU) представляет собой фундаментальную единицу данных, которыми обмениваются уровни стека сетевых протоколов. Этот структурированный блок информации содержит как управляющие, так и пользовательские данные, обеспечивая бесперебойную связь. Сетевые устройства обрабатывают эти блоки данных, чтобы обеспечить доставку информации по назначению. Например, 40G QSFP + LR4 10-километровый трансивер для SMF обрабатывает эти блоки данных на высоких скоростях. Понимание этой концепции имеет решающее значение для понимания сетевых операций. Даже в распределении электроэнергии 19′′ PDU Индийский стиль обеспечивает необходимую инфраструктуру, демонстрируя важность этого термина в различных контекстах.

Key Takeaways

• Протокольный блок данных (PDU) — это базовая единица данных. Он перемещается между сетевыми уровнями.
• Каждый сетевой уровень имеет свой тип PDU. Примеры включают биты, кадры, пакеты и сегменты.
• Инкапсуляция добавляет информацию к данным. Это происходит, когда данные перемещаются вниз по сетевым уровням.
• Декапсуляция удаляет информацию из данных. Это происходит по мере перемещения данных вверх по сетевым уровням.
• Заголовки PDU содержат важные детали управления. К ним относятся адреса источника и назначения.
• PDU помогают находить ошибки в данных. Они также обеспечивают поступление данных в правильном порядке.
• Размер PDU влияет на скорость сети. Большие PDU можно разбить на более мелкие части.
• PDU жизненно важны для всех сетевых коммуникаций. Они помогают различным устройствам общаться друг с другом.

1. Понимание сущности PDU

Что такое ПДУ?

Единицы данных в сети

Блок данных протокола (PDU) представляет собой фундаментальную единицу данных, которыми обмениваются взаимодействующие объекты. Эти организации придерживаются определенных сетевой протокол. Сетевые специалисты считают эти устройства крайне важными при работе с многоуровневыми стеками протоколов и управлении взаимодействием протоколов. Сетевые протоколы, особенно разработанные в рамках многоуровневых эталонных моделей, таких как модели OSI или TCP/IP, определяют свои собственные единицы обмена данными. Например, IP-пакет служит PDU для Интернет-протокола, облегчая взаимодействие между хостами, идентифицируемыми IP-адресами на сетевом уровне.

Роль протоколов в формировании PDU

Протоколы определяют структуру и содержимое каждого PDU. Они гарантируют, что все сетевые устройства правильно интерпретируют данные. PDU обычно состоит из трех основных частей.:

• Заголовок протокола: Эта последовательность полей содержит конкретные данные о PDU. Он часто включает адреса назначения и источника. Заголовки могут иметь фиксированную или переменную длину, в зависимости от протокола.
• Полезная нагрузка: Также известное как тело протокола, это фактическая информация, которую передает протокол.
• Протокольный трейлер: Последовательность битов, добавляемая к PDU после полезной нагрузки. Протоколы канального уровня обычно используют трейлеры. Например, Ethernet использует четырехоктетное 32-битное поле, содержащее в качестве концевого значения контрольное значение циклического избыточного кода.

PDU как контейнер данных

Процесс инкапсуляции PDU

Блок данных протокола действует как контейнер данных во время инкапсуляции. Это методическое преобразование происходит на каждом сетевом уровне. Во время инкапсуляции нижний уровень протокола обрабатывает блок служебных данных (SDU) более высокого уровня как свою полезную нагрузку. Для выполнения своей функции нижний уровень добавляет определенные данные. Сюда входят номер порта, сетевой адрес, идентификатор типа данных и информация для проверки ошибок для SDU. Эта комбинация исходного SDU и добавленной управляющей информации составляет PDU на этом конкретном уровне. Это фактически превращает PDU в контейнер как для исходных данных, так и для рабочих деталей уровня. Этот процесс включает в себя:

1. Данные приложения: Исходные данные берутся из приложения.
2. Транспортный уровень: Он добавляет заголовок TCP/UDP к данным приложения, образуя Сегмент/DataGram (Транспортный ПДУ).
3. Сетевой уровень: Он добавляет заголовок IP к сегменту/дейтаграмме, создавая Пакет (Сетевой PDU).
4. Канальный уровень передачи данных: Он добавляет к пакету заголовок и концевик Ethernet/Wi-Fi, образуя Рамка (PDU канала передачи данных).
5. Физический уровень: Он преобразует кадр в биты (физический PDU) для передачи.
   Каждый уровень добавляет свою управляющую информацию (заголовки и иногда трейлеры) к данным, полученным от уровня выше. Это гарантирует, что соответствующий уровень на принимающей стороне сможет правильно обрабатывать данные. Такая упаковка данных с информацией, специфичной для уровня, позволяет каждому уровню выполнять свою функцию независимо.

Процесс декапсуляции PDU

Декапсуляция является обратной инкапсуляцией. По мере того как PDU перемещается вверх по стеку протоколов на принимающем устройстве, каждый уровень удаляет свой конкретный заголовок и концевик. Затем он передает оставшиеся данные на уровень выше. Этот процесс продолжается до тех пор, пока прикладной уровень не получит исходные данные. Это гарантирует, что приложение сможет обработать информацию должным образом.

2. PDU на уровнях модели OSI

Модель взаимодействия открытых систем (OSI) обеспечивает концептуальную основу для понимания сетевого взаимодействия. Каждый уровень в этой модели обрабатывает данные в определенном формате, известном как блок данных протокола. Эти PDU меняют форму по мере перемещения данных по уровням.

PDU физического уровня: биты

Биты как PDU

На физическом уровне, самом нижнем уровне модели OSI, блок данных протокола представляет собой просто кусочек. Бит представляет собой самую базовую единицу информации в вычислениях — двоичную цифру (0 или 1). Этот уровень занимается физической передачей необработанных битовых потоков по среде связи. Он не интерпретирует значение этих битов; он только передает их.

Электрические сигналы и передача PDU

Физический уровень преобразует эти биты в электрические, оптические или радиосигналы. Эти сигналы распространяются по сетевой среде, например, по медным кабелям, оптоволоконным кабелям или беспроводным радиоволнам. Например, изменение напряжения в кабеле Ethernet может обозначать «1», а отсутствие напряжения — «0». Физический уровень обеспечивает надежную передачу этих необработанных сигналов от одного устройства к другому.

PDU уровня канала передачи данных: кадры

Понимание кадров PDU

Канальный уровень берет необработанные биты с физического уровня и организует их в рамки. На этом уровне кадр служит единицей данных протокола. Кадры добавляют структуру битовому потоку, позволяя обнаруживать ошибки и управлять потоком внутри сегмента локальной сети.

Ключевые компоненты рамы включают в себя:

• Заголовок: Он содержит MAC-адреса источника и назначения, тип кадра и поля управления.
• Полезная нагрузка: Он переносит фактические данные с более высоких уровней.
• Трейлер: Сюда входит последовательность проверки кадров (FCS) для обнаружения ошибок.
• Начальные и конечные разделители: Определенные битовые комбинации отмечают начало и конец кадра. Эти разделители помогают принимающим устройствам идентифицировать границы кадра.

Заголовок и трейлер определяют четкое начало и конец кадров данных. Это позволяет приемникам идентифицировать границы кадров и различать разные кадры. Особый синтаксис и структура позволяют получателю данных определить, где начинается и заканчивается кадр.

MAC-адреса и адресация PDU

Кадры используют адреса управления доступом к среде передачи (MAC) для адресации внутри локальной сети. Каждая сетевая карта (NIC) имеет уникальный MAC-адрес. Уровень канала передачи данных использует эти адреса, чтобы гарантировать, что кадры дойдут до правильного устройства в локальном сегменте.

PDU сетевого уровня: пакеты

Определение пакетов PDU

На сетевом уровне (уровень 3) блок данных протокола называется «пакетом». Эти пакеты инкапсулируют данные, предназначенные для передачи, и включают информацию заголовка и нижнего колонтитула. Например, протокол IPv4 добавляет заголовок IPv4, содержащий важные сведения, такие как адрес источника, адрес назначения, тип протокола и время жизни (TTL), которые необходимы для доставки. Если размер пакета превышает максимальную единицу передачи (MTU) сегмента сети, сетевой уровень фрагментирует пакет на более мелкие части. Затем он добавляет заголовки к каждому фрагменту для идентификации и секвенирования. Он собирает фрагменты в исходный пакет в пункте назначения, обеспечивая целостность данных в сетях с различными возможностями.

IP-адресация для маршрутизации PDU

Маршрутизаторы используют таблицы маршрутизации для принятия решений о пересылке пакетов. В этих таблицах хранится информация о различных путях к разным сетям. Решения о пересылке принимаются на основе IP-адреса назначения, указанного в заголовке пакета, что обеспечивает эффективное перемещение пакетов к месту назначения. Маршрутизация — это процесс на сетевом уровне, который включает перемещение пакетов с одного устройства на другое. Сетевой уровень использует стратегии для определения оптимального маршрута среди множества доступных путей от источника к месту назначения. Различные протоколы маршрутизации облегчают координацию между маршрутизаторами, позволяя им устанавливать связь по сети.

PDU транспортного уровня: сегменты и датаграммы

Сегменты PDU и датаграммы

Транспортный уровень, расположенный над сетевым уровнем, обеспечивает сквозную связь между приложениями. На этом уровне блок данных протокола принимает две основные формы.: сегменты для TCP (протокола управления передачей) и датаграммы для UDP (протокол пользовательских дейтаграмм). Сегменты TCP обеспечивают надежную связь, ориентированную на соединение, гарантируя доставку данных, упорядочивание и проверку ошибок. Датаграммы UDP, наоборот, предлагают более быстрый сервис без установления соединения, отдавая приоритет скорости над гарантированной доставкой. И сегменты, и дейтаграммы инкапсулируют данные верхних уровней и добавляют соответствующие заголовки, содержащие информацию, необходимую для их конкретных функций.

Номера портов для доставки PDU

Номера портов играют решающую роль в функционировании транспортного уровня. Они идентифицируют конкретные приложения или службы, работающие на хосте. Когда сегмент или дейтаграмма поступает на устройство назначения, транспортный уровень использует номер порта в заголовке, чтобы направить данные в нужное приложение. Например, веб-трафик обычно использует порт 80 (HTTP) или 443 (HTTPS), а электронная почта может использовать порт 25 (SMTP). Этот механизм позволяет нескольким приложениям на одном устройстве одновременно взаимодействовать по сети без перенаправления данных.

PDU верхних уровней: данные

Данные как PDU

На верхних уровнях модели OSI — сеансовом уровне, уровне представления и уровне приложений — блок данных протокола называется просто данные. Эти уровни ориентированы на функции, специфичные для приложения, а не на детали сетевой передачи. Они обрабатывают фактический контент, с которым взаимодействуют пользователи. Термин «данные» на этих уровнях означает необработанную информацию или обработанный контент, который приложения генерируют, форматируют или управляют.

Данные приложения в PDU

Структура данных приложения в виде PDU на верхних уровнях предполагает последовательность обработки.:

• Приложение слой: Приложения создают данные. Это уровень, на котором зарождается взаимодействие с пользователем, генерирующее исходную информацию для передачи.
• Презентационный слой: Данные форматируются и шифруются. Этот уровень обеспечивает представление данных в формате, понятном принимающему приложению, выполняя такие задачи, как сжатие и шифрование данных.
• Сессионный слой: Соединения устанавливаются и управляются. Этот уровень контролирует диалоги между приложениями, настройку, управление и завершение сеансов связи.

В следующей таблице приведены PDU на этих верхних уровнях.:

Слой	Блок данных протокола
Приложение слой	Данные
Презентационный слой	Данные
Сессионный слой	Данные

Эти уровни работают вместе, чтобы подготовить информацию приложения для передачи на нижнем уровне и доставить полученную информацию нужному приложению в понятном формате.

3. PDU в модели TCP/IP

Модель TCP/IP, основополагающая структура интернет-коммуникаций, также определяет конкретные Протокольные блоки данных (PDU) на каждом из его слоев. Эта модель упрощает модель OSI и разделяет ее на четыре отдельных уровня, каждый из которых имеет свои собственные обязанности и форматы данных.

PDU уровня доступа к сети

Кадры и биты как PDU

Уровень доступа к сети модели TCP/IP сочетает в себе функциональные возможности физического уровня модели OSI и уровня канала передачи данных. На этом решающем уровне данные принимают две основные формы. На подуровне канала передачи данных данные существуют в виде кадров. Эти кадры инкапсулируют пакеты сетевого уровня и добавляют MAC-адреса для локальной доставки. Впоследствии на физическом подуровне данные существуют в виде битов. Эти биты представляют собой необработанные двоичные данные, передаваемые по физической среде. Этот уровень подготавливает данные для физической передачи и обрабатывает прием необработанных данных.

Аппаратная адресация для PDU

Аппаратная адресация имеет основополагающее значение на уровне доступа к сети. Устройства используют адреса управления доступом к среде передачи (MAC) для идентификации друг друга в сегменте локальной сети. Каждая сетевая карта (NIC) имеет уникальный MAC-адрес. Этот адрес гарантирует, что кадры достигнут правильного устройства назначения в локальной сети. Уровень доступа к сети управляет доступом к физической сетевой среде, предотвращая конфликты и обеспечивая упорядоченный поток данных.

PDU интернет-уровня

IP-дейтаграммы как PDU

Интернет-уровень, также известный как сетевой или IP-уровень, отвечает за прием и доставку пакетов по сети. Интернет-протокол (IP) служит основным протоколом на этом уровне. Основной блок данных протокола на этом уровне известен как датаграмма. IP-адресация определяет соглашения для систем адресации, включая IPv4 и IPv6. Он также определяет маршрут, по которому пакет достигает пункта назначения, на основе IP-адреса принимающей системы. Интернет-уровень объединяет пакеты в блоки, называемые датаграммами. Он также обрабатывает фрагментацию, при необходимости разбивая большие пакеты на более мелкие фрагменты и восстанавливая их на принимающей стороне.

Информация о маршрутизации в PDU

Уровень Интернета отправляет пакеты по нескольким сетям к конечным пунктам назначения. Интернет-протокол (IP) определяет IP-адреса для маршрутизации пакетов данных через Интернет. Маршрутизаторы на этом уровне используют IP-адрес назначения в заголовке дейтаграммы для принятия решений о пересылке. Они сверяются с таблицами маршрутизации, чтобы определить наиболее эффективный путь доставки дейтаграммы к намеченному получателю. Этот процесс обеспечивает глобальную связь и эффективную доставку данных по различным сетям.

PDU транспортного уровня

TCP-сегменты как PDU

Транспортный уровень в модели TCP/IP предоставляет приложениям услуги сквозной связи. Для надежной связи с установлением соединения блоком данных протокола является сегмент TCP. Сегменты TCP обеспечивают доставку данных, упорядочивание и проверку ошибок. Они устанавливают соединение, передают данные, а затем разрывают соединение. Эта надежность делает TCP подходящим для таких приложений, как просмотр веб-страниц и электронная почта.

UDP-дейтаграммы как PDU

И наоборот, для более быстрой связи без установления соединения блок данных протокола представляет собой дейтаграмму UDP. Датаграммы UDP отдают приоритет скорости над гарантированной доставкой. Они не устанавливают связь и не гарантируют доставку. Это делает UDP идеальным для приложений, где скорость имеет решающее значение и допустима некоторая потеря данных, таких как потоковое видео, онлайн-игры и поиск DNS.

PDU прикладного уровня

Единицы данных приложения как PDU

На прикладном уровне, самом высоком уровне модели TCP/IP, блок данных протокола просто данные. Этот уровень напрямую взаимодействует с программными приложениями. Он предоставляет сетевые услуги приложениям конечного пользователя. Пользователи генерируют эти данные посредством взаимодействия с такими приложениями, как веб-браузеры, почтовые клиенты или программы передачи файлов. Уровень приложений подготавливает эти данные для передачи по сети. Он также получает данные с нижних уровней и представляет их соответствующему приложению. Эти «данные» представляют собой фактическую информацию, которую пользователи хотят отправить или получить. Он не содержит каких-либо сетевых заголовков или трейлеров нижних уровней.

Данные PDU, специфичные для протокола

Хотя общий термин для PDU на прикладном уровне — «данные», конкретные протоколы приложений определяют свои собственные уникальные форматы PDU. Эти форматы определяют, как приложения структурируют свои сообщения. Например, протокол передачи гипертекста (HTTP) использует запросы и ответы в качестве PDU. Веб-браузер отправляет HTTP-запрос GET на веб-сервер. Затем сервер отправляет HTTP-ответ, содержащий запрошенную веб-страницу. Аналогичным образом протокол передачи файлов (FTP) определяет команды и ответы для передачи файлов. Простой протокол передачи почты (SMTP) использует определенные команды и структуры данных для отправки электронных писем. Каждый протокол приложения имеет свой собственный набор правил форматирования данных, которыми он обменивается. Эти правила гарантируют, что взаимодействующие приложения понимают друг друга. Этот уровень обрабатывает детали взаимодействия между приложениями. Это позволяет различным приложениям беспрепятственно взаимодействовать по сети.

4. Структура PDU

Каждый Блок данных протокола (PDU) имеет определенную структуру, которая позволяет сетевым устройствам обрабатывать и понимать передаваемые им данные. Эта структура обычно включает заголовок, полезную нагрузку и иногда трейлер. Каждая часть служит определенной цели, обеспечивая эффективную и надежную передачу данных по сети.

Компоненты заголовка PDU

Заголовок — это первая часть PDU. Он содержит жизненно важную управляющую информацию, которая направляет данные по сети.

Управляющая информация в заголовке PDU

Заголовки PDU содержат управляющую информацию, такую ​​как тип PDU, его длина и различные флаги. Эти поля помогают устройствам правильно интерпретировать данные. Например, поле версии часто появляется в начале заголовка, как в заголовке IP, чтобы определить формат последующих байтов. Заголовки также включают порядковые типы, такие как 32-битные слова для исходных IP-адресов, 16-битные полуслова для контрольных сумм или 8-битные байты для значений времени жизни. Некоторые заголовки также содержат битовые поля, размер которых не кратен восьми битам, например, версия и флаги в IPv4.

Источник и назначение в заголовке PDU

Важно отметить, что в заголовке также указаны адреса источника и назначения. Эти адреса сообщают сети, откуда возникли данные и куда их нужно направить. В зависимости от сетевого уровня это могут быть MAC-адреса для связи в локальной сети или IP-адреса для маршрутизации через Интернет.

Содержимое полезной нагрузки PDU

Секция полезной нагрузки PDU содержит фактические передаваемые данные. Это основная информация, которую отправитель хочет доставить получателю.

Фактические данные в полезной нагрузке PDU

Полезная нагрузка содержит переданные данные, отправленные взаимодействующими конечными точками. Сюда могут входить команды, выдаваемые конечным пользователем, например запрос веб-контента. Он также содержит данные, передаваемые сервером в ответ на запрос пользователя. По сути, полезная нагрузка содержит данные, которые пользователь или устройство хочет отправить в IP-пакете или любом другом PDU.

Инкапсулированный PDU в полезной нагрузке

Часто полезная нагрузка PDU — это другой PDU более высокого уровня. Этот процесс, известный как инкапсуляция, позволяет различным сетевым уровням добавлять свою собственную управляющую информацию, сохраняя при этом исходные данные. Например, полезная нагрузка IP-пакета может содержать сегмент TCP, который, в свою очередь, несет данные приложения.

Элементы прицепа PDU

Не все PDU включают концевик, но если он присутствует, то обычно он появляется в конце блока данных. Трейлеры в первую очередь служат для обнаружения ошибок.

Проверка ошибок в трейлере PDU

Трейлеры часто включают в себя механизм обнаружения ошибок. Это защищает от ошибок передачи, позволяя быстро выявлять и устранять проблемы. Некоторые трейлеры при необходимости также включают байты заполнения, обеспечивая фиксированную длину PDU и отмечая конец PDU LLC.

Последовательность проверки кадров в PDU

Распространенным элементом трейлера является последовательность проверки кадров (FCS). FCS — это математический расчет, выполняемый на основе данных PDU. Приемное устройство выполняет тот же расчет. Если результаты совпадают, данные получены без повреждений. Если они не совпадают, получатель знает, что во время передачи произошла ошибка.

5. Процесс инкапсуляции и декапсуляции PDU

Сетевая связь опирается на два фундаментальных процесса: инкапсуляцию и декапсуляцию. Эти процессы обеспечивают правильное перемещение данных по различным сетевым уровням и их доставку в пункт назначения в целости и сохранности. Инкапсуляция подготавливает данные к передаче, а декапсуляция распаковывает их по прибытии.

Поток данных PDU вниз по стеку

Данные начинают свое путешествие на уровне приложений и перемещаются вниз по сетевому стеку. Каждый уровень выполняет определенные функции, добавляя свою собственную управляющую информацию.

Добавление заголовков в PDU

Когда данные перемещаются вниз по стеку протоколов, каждый уровень берет блок данных протокола (PDU) из вышележащего уровня и добавляет свою собственную информацию заголовка. Этот процесс начинается на прикладном уровне. Пользователь инициирует связь, а протокол приложения форматирует пакет для обработки соответствующим протоколом транспортного уровня. На транспортном уровне начинается инкапсуляция данных. TCP делит данные приложения на сегменты и присоединяет заголовок. Этот заголовок содержит порты отправителя/получателя, порядок сегментов и контрольную сумму для обнаружения ошибок.

Послойная упаковка PDU

Процесс инкапсуляции включает в себя систематическую упаковку данных на каждом уровне.

1. Приложение слой: Пользовательское приложение генерирует данные для передачи.
2. Транспортный уровень: Он добавляет заголовок TCP или UDP. Этот заголовок включает номера портов, порядковые номера и номера подтверждения для TCP или порты источника/назначения, длину и контрольную сумму для UDP.
3. Сетевой уровень: Этот уровень инкапсулирует транспортный сегмент в IP-заголовке. Заголовок IP содержит IP-адреса источника/назначения, значения времени жизни (TTL) и идентификаторы протокола.
4. Ссылка на передачу данных: Он создает кадр, добавляя заголовок (с MAC-адресами источника/назначения) и трейлер (с последовательностью проверки кадра для обнаружения ошибок).
5. Физический уровень: Этот уровень преобразует весь кадр в электрические сигналы, световые импульсы или радиоволны для передачи.

В этой таблице суммирована терминология PDU на каждом этапе.:

Сетевой уровень	Терминология PDU
Приложение слой	Данные или сообщение
Транспортный уровень	Сегмент (TCP) или датаграмма (UDP)
Сетевой уровень	Пакет
Ссылка на передачу данных	Рамка
Физический уровень	Биты

Поток данных PDU вверх по стеку

Декапсуляция — это процесс, обратный инкапсуляции. Он предполагает удаление дополнительной информации (заголовков и трейлеров), которая была добавлена ​​на стороне отправителя во время инкапсуляции. Данные передаются с физического уровня на уровень приложений на стороне получателя.

Удаление заголовков PDU

По мере того, как данные поднимаются по сетевому стеку на принимающем устройстве, каждый уровень удаляет заголовок и трейлер, добавленные соответствующим уровнем на стороне отправки. Этот процесс удаления показывает данные, предназначенные для следующего более высокого уровня.

Развертывание данных PDU

Развертывание данных происходит в точной, поэтапной последовательности.:

1. Физический уровень: Карта сетевого интерфейса (NIC) преобразует электрические сигналы в цифровые данные. Он выполняет начальную проверку кадра по прибытии пакета.
2. Ссылка на передачу данных: Сетевая карта или драйвер устройства проверяют заголовок кадра. Он проверяет MAC-адрес назначения. Если он совпадает, он удаляет заголовок канала передачи данных, передавая оставшийся пакет на сетевой уровень.
3. Сетевой уровень: Сетевой стек операционной системы проверяет заголовок IP. Он проверяет IP-адрес назначения и извлекает информацию о маршрутизации. После проверки заголовок IP удаляется и определяется соответствующий протокол транспортного уровня.
4. Транспортный уровень: Обработка зависит от протокола. Для TCP перед удалением заголовка TCP проверяются порядковые номера, номера подтверждений и размеры окон. Для UDP перед удалением происходит базовая проверка заголовка.
5. Сеансовый, презентационный и прикладной уровни: Эти уровни обрабатывают обработку, специфичную для протокола. Это может включать шифрование/дешифрование, сжатие данных или преобразование формата. Наконец, они доставляют полезную нагрузку в целевое приложение.

6. Почему PDU имеют решающее значение для сетевой связи

Протокольные блоки данных (PDU) имеют основополагающее значение для работы в сети, обеспечивая эффективную и безошибочную связь между устройствами. Они служат структурированными контейнерами для данных, что делает их незаменимыми для современных сетей.

Обеспечение целостности данных PDU

PDU имеют основополагающее значение для поддержания целостности данных во время передачи по сети. Они включают в себя механизмы обнаружения и частого исправления ошибок.

Обнаружение ошибок в PDU

Обнаружение ошибок является важной функцией PDU. Заголовки UDP включают поле контрольной суммы. Эта контрольная сумма позволяет проверять ошибки как для заголовка, так и для потока данных. Аналогично, сегменты TCP также содержат поле контрольной суммы. Это поле обеспечивает дополнительную надежность и безопасность сегмента TCP, позволяя обнаруживать ошибки во время передачи.

Надежная передача PDU

Надежная передача гарантирует, что данные поступят полностью и в правильном порядке. Сегменты TCP используют порядковые номера и номера подтверждения. Эти поля имеют решающее значение для дифференциации сегментов, изменения порядка и повторной передачи потерянных сегментов. Они гарантируют, что данные поступают в правильном порядке и ни одна информация не пропадает. В этой таблице показаны различия в надежности:

Feature	TCP	UDP
Надежность	Надежный	Ненадежный
Ретрансляция сегмента	Да	Нет
Секвенирование сегментов	Да	Нет
Благодарность	Да	Нет

Упрощение сетевой маршрутизации PDU

PDU играют жизненно важную роль в передаче данных через сложные сети. Они содержат необходимую информацию для эффективной маршрутизации.

Информация об адресации в PDU

Заголовки PDU служат проводниками данных. Они содержат детали маршрутизации, такие как адреса источника и назначения. Эта информация направляет данные в правильное место. Без заголовков данные не имели бы направления и могли бы быть потеряны в сети. Информация о последовательности в заголовке гарантирует правильную сборку фрагментированных данных в пункте назначения.

Определение пути PDU

На сетевом уровне блоки PDU называются пакетами. Эти пакеты содержат информацию о маршрутизации, обеспечивающую плавный и эффективный поток данных по сети. Эти пакеты имеют решающее значение для доставки данных к месту назначения. Сетевой уровень использует логическую адресацию для определения наиболее эффективного пути доставки данных. Каждый компонент PDU, от заголовка до трейлера, имеет решающее значение для поддержания целостности данных и обеспечения правильной доставки.

Включение совместимости устройств с PDU

PDU позволяют различным сетевым устройствам эффективно взаимодействовать. Они достигают этого за счет стандартизированных форматов и соблюдения протоколов.

Стандартизированные форматы PDU

Стандартизированные форматы PDU позволяют различному аппаратному и программному обеспечению понимать друг друга. Эта стандартизация гарантирует, что кадр, созданный сетевой картой одного производителя, может быть правильно интерпретирован другой. Эта согласованность важна для глобальной сетевой связи.

Соблюдение протокола для PDU

Соблюдение установленных протоколов имеет первостепенное значение для совместимости. Протоколы определяют правила создания и интерпретации PDU. Это обеспечивает плавное взаимодействие между уровнями модели OSI. Например, сегменты транспортного уровня включают подтверждения для подтверждения доставки, в то время как пакеты сетевого уровня несут данные маршрутизации для прямой информации. Такое соблюдение позволяет устройствам различных производителей без проблем взаимодействовать друг с другом.

7. Фрагментация и повторная сборка PDU

Сетевая связь часто включает передачу данных через различные сегменты сети. Эти сегменты могут иметь различную емкость. Фрагментация и повторная сборка PDU — важнейшие процессы, позволяющие эффективно управлять передачей данных в таких условиях.

Разбивка больших данных PDU

Иногда большой блок протокольных данных (PDU) не может пройти через сегмент сети в своем исходном размере. Для этого необходимо разбить его на более мелкие части.

Ограничения MTU для PDU

Фрагментация IP — это процесс Интернет-протокола (IP). Он разбивает пакеты на более мелкие части, называемые фрагментами. Это позволяет фрагментам проходить по каналам с меньшим максимальным размером единицы передачи (MTU), чем исходный размер пакета. Сети часто имеют разные ограничения MTU. Например, пакету может потребоваться маршрутизация по сетям (например, туннелю WAN или VPN) с меньшим MTU, чем в исходной сети передачи. Если размер пакета превышает этот нижний MTU, его данные должны быть фрагментированы. Фрагментация разбивает данные на новые пакеты (фрагменты), размер которых равен или меньше меньшего MTU.

Эффективность сети за счет фрагментации PDU

Фрагментация повышает эффективность сети. Это позволяет протоколам транспортного уровня не знать об базовой сетевой архитектуре. Это снижает накладные расходы. Фрагментация позволяет IP и протоколам более высокого уровня функционировать в различных сетевых путях и средах. Им не нужен протокол обнаружения пути. Такая гибкость гарантирует, что данные смогут достичь места назначения, даже если сегменты сети имеют разные ограничения по размеру.

Реконструкция данных PDU

После фрагментации принимающее устройство должно собрать меньшие фрагменты в исходный PDU. Этот процесс обеспечивает целостность и порядок данных.

Порядок и целостность PDU

PDU имеют решающее значение для управления фрагментацией данных во время передачи. Они разбивают пакеты данных в соответствии с уровнями MTU. Они гарантируют, что структура и последовательность фрагментированных данных сохраняются для эффективной повторной сборки в месте назначения. Эта система сводит к минимуму потерю данных и повышает надежность передачи. Он работает даже для сложных потоков данных в различных сетевых средах. PDU защищают целостность данных, проверяя, что пакеты данных правильно сформированы, правильно упорядочены и не содержат ошибок. Это часто включает в себя контрольные суммы или проверки циклическим избыточным кодом (CRC) для обнаружения и исправления ошибок во время передачи данных. Когда IP-пакет превышает размер MTU, маршрутизаторы фрагментируют его на более мелкие части. Каждый фрагмент включает в себя идентифицирующий сегмент заголовка. Этот заголовок содержит такую ​​информацию, как порядок последовательности и инструкции по повторной сборке. В пункте назначения эти заголовки используются для повторной сборки фрагментов в полный пакет.

Обработка потерянных фрагментов PDU

Транспортный уровень, в зависимости от активности сетевого уровня, управляет фрагментацией и повторной сборкой пакетов. Протоколы TCP обрабатывают повторные передачи для поддержания связи. Это обеспечивает надежную доставку. Если фрагмент потерян во время передачи, принимающее устройство обнаруживает недостающую часть. Затем он запрашивает повторную передачу этого конкретного фрагмента. Этот механизм гарантирует, что все части данных получены и правильно собраны, сохраняя целостность исходного PDU.

8. Размер PDU и производительность сети

Размер блока данных протокола существенно влияет на производительность сети. Сетевые администраторы должны тщательно учитывать размеры PDU, чтобы достичь оптимальной пропускной способности и минимизировать задержку. Этот баланс имеет решающее значение для эффективной передачи данных в различных сетевых средах.

Влияние размера PDU

Размеры PDU напрямую влияют на эффективность передачи данных по сети. Как слишком маленькие, так и слишком большие PDU могут стать узкими местами в производительности.

Вопросы накладных расходов PDU

Каждый PDU несет не только фактические данные (полезную нагрузку), но и управляющую информацию в своих заголовках и, иногда, в концевиках. Эта управляющая информация представляет собой служебные данные. Меньшая полезная нагрузка относительно заголовка и концевика означает, что более высокий процент PDU является служебной информацией. Это снижает эффективную скорость передачи данных. Например, небольшое электронное письмо может передаваться в PDU с заголовком, почти таким же большим, как само сообщение, что делает передачу менее эффективной.

Пропускная способность и задержка с PDU

Размер блоков PDU напрямую влияет на пропускную способность сети и задержку. Небольшие пакеты данных, также известные как блоки данных протокола (PDU), могут привести к частой фрагментации в сети. Это требует передачи множества небольших пакетов для передачи того же объема данных, который может переносить один большой пакет, что влияет на пропускную способность сети. И наоборот, очень большие PDU могут столкнуться с более высокой задержкой, если они столкнутся с сегментами сети с меньшими ограничениями максимального количества передаваемых единиц (MTU), требующими фрагментации и повторной сборки.

Оптимизация размера PDU

Проектировщики сетей используют различные стратегии для оптимизации размера PDU, адаптируя его к конкретным условиям сети и требованиям приложений.

Большие кадры PDU

Сети Ethernet часто используют большие кадры, которые представляют собой PDU, размер которых превышает стандартный MTU в 1500 байт, обычно до 9000 байт. Эти более крупные кадры уменьшают количество PDU, необходимых для передачи заданного объема данных. Это снижает накладные расходы на обработку на сетевых устройствах и может повысить пропускную способность, особенно в средах с высокой пропускной способностью, таких как центры обработки данных. Однако для правильной работы все устройства в сегменте сети должны поддерживать большие кадры.

Небольшие проблемы с пакетами PDU

В то время как большие кадры предлагают свои преимущества, небольшие пакеты PDU создают свои собственные проблемы. Исследования в первую очередь направлены на снижение энергопотребления и смягчение критических условий сети для удовлетворения предварительных требований приложений Body Area Network (BAN), которые предъявляют особые требования к обслуживанию, такие как пропускная способность, энергоэффективность и задержка. Более длинные пакеты приводят к более высоким потерям данных при серьезных нарушениях в сети, тогда как более короткие пакеты вызывают больший объем данных. Ожидается, что для регулирования компромисса между надежностью сети и живучестью будут использоваться многочисленные методологии, позволяющие определить идеальную меру пакетов в сетях BAN с учетом таких показателей, как выходная мощность и энергоэффективность. Кроме того, небольшие пакеты увеличивают количество отдельных передач, что потенциально может привести к усилению конфликтов и коллизий в общих медиасетях.

Оптимизация размера PDU часто включает в себя такие методы, как сжатие и агрегирование данных.:

• Сжатие данных: Это уменьшает размер передаваемых данных с использованием алгоритмов без потерь или с потерями для улучшения использования полосы пропускания и сокращения времени передачи.

  • Сжатие без потерь: Сохраняет все исходные данные, необходимые для текстовых файлов, исполняемых файлов и данных, требующих идеального восстановления (например, ZIP, GZIP, LZ77).
  • Сжатие с потерями: Достигает более высоких коэффициентов сжатия за счет исключения менее важной информации, подходит для мультимедийного контента, где допустимо незначительное снижение качества (например, JPEG, MP3).
    Уровень представления автоматически распаковывает полученные данные, делая процесс прозрачным для приложений. Встроенные возможности сжатия динамически выбирают подходящие алгоритмы в зависимости от типа контента и условий сети, балансируя эффективность с накладными расходами на обработку.

• Агрегация: При этом несколько меньших PDU объединяются в один больший PDU.

  Стратегия	Уровень агрегации	Восстановление ошибок	Накладные расходы	Идеальные условия	Недостатки/компромиссы
  A-MSDU (агрегированный блок служебных данных MAC)	Верхний уровень (перед заголовком MAC)	Повторная передача всего кадра	Значительно уменьшено (один заголовок MAC)	Стабильные среды с низким уровнем помех (например, офисы предприятий, центры обработки данных)	Весь кадр отбрасывается и передается повторно, если какая-либо часть повреждена, что приводит к задержке и снижению производительности в шумной среде. Максимальный размер обычно меньше, чем A-MPDU.
  A-MPDU (агрегированный блок данных протокола MAC)	Уровень MAC (несколько блоков PDU MAC)	Индивидуальная повторная передача кадра (подтверждение блока)	Увеличенный (каждый кадр имеет свой MAC-заголовок)	Шумная среда с высоким уровнем помех (например, общественные места, городские районы)	Более высокие накладные расходы по сравнению с A-MSDU, потенциально немного более высокая базовая задержка в «чистых» средах.
  Гибридный подход (A-MSDU, вложенный в A-MPDU)	Многоуровневая агрегация	Выборочная ретрансляция	Оптимизированный (использует оба)	Сложный, требует тщательной настройки	Повышенная сложность реализации, требует тщательной настройки для обеспечения совместимости и стабильности. Неправильная конфигурация может привести к увеличению задержки, увеличению потерь пакетов или проблемам совместимости.

Эти стратегии помогают сетям адаптироваться к разнообразным требованиям: от высокоскоростных центров обработки данных до беспроводных сенсорных сетей с ограниченным энергопотреблением.

9. Общие примеры PDU в действии

Понимание блоков данных протокола (PDU) становится более ясным при изучении их практического применения в реальных сетевых протоколах. Эти примеры иллюстрируют, как разные уровни обрабатывают данные.

Кадры Ethernet PDU

Пример PDU уровня канала передачи данных

На уровне канала передачи данных кадры Ethernet служат основным PDU. Кадр Ethernet инкапсулирует пакеты сетевого уровня. Он добавляет важную информацию для связи в локальной сети. Сюда входят MAC-адреса источника и назначения, которые идентифицируют конкретные устройства в одном и том же сегменте локальной сети. Кадр также содержит поле типа, указывающее протокол сетевого уровня, который содержится в его полезной нагрузке, например IPv4 или IPv6. Последовательность проверки кадра (FCS) в конце кадра помогает обнаружить ошибки передачи.

Физическая передача PDU

После того как уровень канала передачи данных формирует кадр Ethernet, управление берет на себя физический уровень. Он преобразует весь кадр в поток битов. Эти биты затем передаются в виде электрических сигналов по медным кабелям, световых импульсов по оптоволоконным кабелям или радиоволн в беспроводных сетях. Физический уровень обеспечивает необработанную передачу этих битов от одного устройства к другому.

IP-пакеты PDU

Пример PDU сетевого уровня

На сетевом уровне PDU представляет собой IP-пакет. Этот пакет представляет собой самостоятельную единицу информации. Он включает в себя данные и достаточную информацию для независимой маршрутизации по сети. Интернет-протокол (IP) управляет маршрутизацией этих пакетов от источника к месту назначения. Этот процесс включает в себя выбор оптимального пути.

Интернет-маршрутизация PDU

Маршрутизаторы проверяют IP-заголовок в каждом пакете. Этот заголовок содержит важную управляющую информацию, включая IP-адреса источника и назначения. Эти адреса помогают маршрутизаторам направлять пакет. IP-адреса являются иерархическими и включают идентификатор сети и идентификатор хоста. Эта структура позволяет маршрутизаторам эффективно направлять пакеты, проверяя сетевые компоненты адреса. Пакеты могут проходить через несколько маршрутизаторов, прежде чем достигнут конечного пункта назначения. По прибытии пакет декапсулируется, и его полезная нагрузка (фактические данные) доставляется соответствующему приложению на принимающем устройстве. IP — это протокол без установления соединения, предлагающий «доставку с максимальной эффективностью» без гарантий доставки или восстановления данных; надежность обеспечивается другими уровнями.

Сегменты TCP PDU

Пример PDU транспортного уровня

Транспортный уровень использует сегменты TCP в качестве PDU. Сегменты TCP обеспечивают надежную связь между приложениями, ориентированную на соединение. Они инкапсулируют данные прикладного уровня и добавляют заголовок TCP. Этот заголовок содержит номера портов, порядковые номера и номера подтверждения.

Надежные соединения PDU

TCP обеспечивает надежную передачу данных с помощью нескольких механизмов. Он использует «положительное подтверждение с повторной передачей». Получатель отправляет подтверждение получения данных. Отправитель ведет учет отправленных пакетов и таймер. Если подтверждение не получено до истечения таймера, пакет передается повторно. Это объясняет потенциальные потери или коррупцию. TCP также управляет сегментами данных, гарантируя их правильный порядок и отсутствие ошибок при повторной сборке в пункте назначения. Он использует контрольные суммы для идентификации поврежденных сегментов. Если сегмент поврежден, он отбрасывается и запускается повторная передача. TCP также предотвращает дублирование с помощью порядковых номеров.

10. Будущее PDU в сетях

Блоки протокольных данных (PDU) постоянно адаптируются для удовлетворения требований постоянно меняющегося технологического ландшафта. Поскольку сети становятся более сложными и объемы данных увеличиваются, протоколы PDU должны развиваться. Эта эволюция обеспечивает эффективную и безопасную связь на различных платформах.

Развитие протоколов PDU

Новые технологии и PDU

Новые технологии существенно влияют на эволюцию протоколов PDU. Например, рабочие нагрузки ИИ требуют оптимизированных для ИИ протоколов для высокопроизводительных вычислений. Эти протоколы поддерживают параллельное перемещение данных в кластерах графических процессоров и отдают приоритет иерархиям, расположенным рядом с памятью. Они также используют расширения RDMA для вывода ИИ с малой задержкой. Аппаратные ускорители еще больше повышают их эффективность.

Гармонизация протоколов Edge-to-Core решает проблемы распределенной инфраструктуры. Он разрабатывает облегченные версии протокола для периферийных устройств с ограниченными ресурсами. Эти версии остаются совместимыми с основными системами центров обработки данных. Сюда входят протоколы ячеистой сети для прямой связи с граничными узлами и протоколы синхронизации для обеспечения согласованности данных. Проектирование протоколов с учетом энергопотребления — еще одна ключевая область. Эти протоколы, ориентированные на устойчивость, включают динамическое масштабирование мощности для настройки параметров связи в зависимости от рабочих нагрузок. Они также имеют планирование с учетом выбросов углерода для минимизации выбросов и протоколы координации повторного использования тепла для интеграции с внешними потребителями тепловой энергии. Интеграция протокола безопасности с нулевым доверием революционизирует разработку протоколов, внедряя принципы нулевого доверия. Это включает в себя аутентификацию на основе сертификатов, микросегментацию для детального контроля и встроенные функции безопасности для обнаружения угроз в реальном времени и идентификации аномальных шаблонов трафика.

Решения промежуточного программного обеспечения и преобразование протоколов также играют жизненно важную роль. Платформы промежуточного программного обеспечения действуют как связующие звенья между гетерогенными системами. Они преобразуют протоколы, чтобы обеспечить связь между устаревшими и новыми системами. Современное промежуточное программное обеспечение включает машинное обучение для эффективного перевода, минимизации задержек и поддержания надежности. Подходы к системной интеграции, ориентированные на API, с самого начала отдают приоритет стандартизированным интерфейсам. Это приводит к созданию модульных, совместимых систем. API-интерфейсы RESTful предлагают легкие масштабируемые интерфейсы для управления центром обработки данных, а GraphQL обеспечивает гибкий запрос данных. Контейнеризация и архитектура микросервисов объединяют программное обеспечение с зависимостями в портативные устройства. Эти устройства обмениваются данными по стандартизированным протоколам. Kubernetes организует развертывание и масштабирование, а архитектура сервисной сетки обеспечивает расширенное управление трафиком и уровни безопасности, позволяя создавать многоязычные среды.

Требования к производительности для PDU

Растущая сложность сетевых сред предъявляет значительные требования к производительности протоколов PDU. Отраслевые консорциумы, такие как Green Grid по энергоэффективности, ASHRAE по управлению температурным режимом и IEEE по сетевым протоколам, играют важную роль в обеспечении актуальности, безопасности и эффективности открытых протоколов при проектировании и эксплуатации центров обработки данных. Однако реализация этих протоколов сталкивается с проблемами. К ним относятся интеграция с устаревшими системами, управление безопасностью на границах протоколов, устранение накладных расходов на производительность в приложениях, критичных к задержке, а также управление развивающимися или конфликтующими стандартами.

PDU в развивающихся сетях

Интернет вещей и 5G PDU

Развитие Интернета вещей (IoT) и сетей 5G создает уникальные проблемы и возможности для PDU. Устройства Интернета вещей часто имеют ограниченную вычислительную мощность и время автономной работы. Протоколы PDU для Интернета вещей должны быть легкими и энергоэффективными. Сети 5G с их высокой пропускной способностью и низкой задержкой требуют блоков PDU, которые могут быстро и надежно обрабатывать большие потоки данных. Это часто включает в себя оптимизацию размеров PDU и информации заголовка для уменьшения накладных расходов.

Программно-определяемые сети и PDU

Программно-определяемые сети (SDN) фундаментально меняют принцип работы сетей. В SDN централизованный контроллер управляет поведением сети. Это позволяет создавать динамические и гибкие конфигурации сети. PDU в средах SDN должны поддерживать такую ​​возможность программирования. Они передают информацию плоскости управления контроллеру SDN и трафик плоскости данных в соответствии с инструкциями контроллера. Такое разделение плоскостей управления и данных позволяет более эффективно управлять сетью и распределять ресурсы.

---

Протокольные блоки данных (PDU) незаменимы для цифровой связи. Они структурируют данные, позволяя сетевым устройствам эффективно обрабатывать информацию. Ключевые выводы включают их роль в инкапсуляции, декапсуляции, адресации и обнаружении ошибок на сетевых уровнях. PDU формируют основу надежной сетевой связи. Они позволяют различным устройствам беспрепятственно понимать и обмениваться данными. Это обеспечивает целостность и доставку информации по глобальным сетям.

FAQ

Что такое протокольный блок данных (PDU)?

PDU — это единица данных обмениваются между уровнями стека сетевых протоколов. Он содержит управляющую информацию и пользовательские данные. Сетевые устройства обрабатывают PDU, чтобы обеспечить доставку информации по назначению. Этот фундаментальный блок обеспечивает бесперебойную связь.

Как PDU различаются на разных уровнях OSI?

PDU меняют форму по мере перемещения данных через уровни OSI. Например, физический уровень использует биты. Уровень канала передачи данных использует кадры. Сетевой уровень использует пакеты. Транспортный уровень использует сегменты или датаграммы. Верхние уровни относятся к PDU как к данным.

Какова цель инкапсуляции PDU?

Инкапсуляция — это процесс добавления управляющей информации (заголовков и концевиков) к данным по мере их перемещения по сетевому стеку. Каждый слой добавляет свои специфические детали. Это гарантирует, что соответствующий уровень на принимающей стороне сможет правильно обрабатывать данные. Это обеспечивает независимую функцию слоя.

Почему важны заголовки PDU?

Заголовки PDU содержат важную управляющую информацию. Сюда входят адреса источника и назначения, тип PDU и длина. Заголовки направляют данные по сети. Они позволяют устройствам правильно интерпретировать данные. Без заголовков данные не имели бы направления и могли бы быть потеряны.

Какова роль фрагментации PDU?

Фрагментация PDU разбивает большие блоки данных на более мелкие части. Это позволяет им проходить через сетевые каналы с меньшими ограничениями на максимальный размер передаваемой единицы (MTU). Это гарантирует, что данные смогут достичь места назначения, даже если сегменты сети имеют разные ограничения по размеру. Фрагментация повышает эффективность сети.

Как PDU обеспечивают целостность данных?

PDU включают в себя такие механизмы, как контрольные суммы и последовательности проверки кадров (FCS). Они обнаруживают ошибки во время передачи. Сегменты TCP также используют порядковые номера и подтверждения. Это гарантирует, что данные поступят полностью и в правильном порядке. Это обеспечивает целостность данных.

В чем разница между сегментом TCP и дейтаграммой UDP?

Сегмент TCP — это PDU для надежной связи, ориентированной на соединение. Гарантирует доставку и заказ. Датаграмма UDP — это PDU для более быстрой связи без установления соединения. Он отдает приоритет скорости, а не гарантированной доставке. Оба являются PDU транспортного уровня.