Открытые промышленные системы
Fieldbus ("полевая шина") – общее понятие, определяющее автоматизированную систему, которая обеспечивает обмен информацией между устройствами, входящими в ее состав (компьютерами, контроллерами, датчиками, исполнительными устройствами), синоним понятия промышленная сеть. Наибольшее распространение получила открытая и стандартизированная сеть PROFIBUS (PROcess Field BUS – промышленная шина для технологических процессов).
Profibus имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS и Profibus PA.
Profibus DP (Decentralized Peripheral — распределённая периферия) — протокол, ориентированный на обеспечение скоростного обмена данными между системами автоматизации (ведущими DP-устройствами) и устройствами распределённого ввода-вывода (ведомыми DP-устройствами). Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей. Оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем.
Profibus PA (Process Automation — автоматизация процесса) — протокол обмена данными с оборудованием полевого уровня, расположенным в обычных или взрывоопасных зонах. Протокол позволяет подключать датчики и приводы на одну линейную шину или кольцевую шину.
Profibus FMS (Fieldbus Message Specification — спецификация сообщений полевого уровня) — универсальный протокол для решения задач по обмену данными между интеллектуальными сетевыми устройствами (контроллерами, компьютерами/программаторами, системами человеко-машинного интерфейса) на полевом уровне. Обычно используется для высокоскоростной связи между контроллерами и компьютерами верхнего уровня и используемыми диспетчерами. Скорость до 12 Мбит/с.
|
|
|
Сеть Profibus (DP, PA) использует только первый и второй уровни модели OSI (табл. 8.1), Profibus FMS, использует также уровень 7.
Profibus FMS и DP используют один и тот же физический уровень, основанный на интерфейсе RS-485, и могут работать в общей сети, обеспечивая скорость передачи до 12 Мбит/с и с размерами сегментов сети до 32 устройств. Количество устройств можно увеличить с помощью повторителей интерфейса.
Profibus PA использует физический уровень на основе стандарта IEC 1158-2, который обеспечивает питание сетевых устройств через шину и не совместим с RS-485. Данные передаются с помощью уровней тока +9 и —9 мА («токовая петля»). Используется манчестерский код (логический ноль соответствует смене отрицательного тока на положительный, а логическая единица — положительного на отрицательный). Скорость передачи составляет 31,25 кбит/с, в качестве линии передачи используется витая пара. Один сегмент сети может содержать до 32 устройств. Максимальная длина кабеля достигает 1,9 км. Благодаря низкой энергии передаваемого сигнала Profibus РА является искробезопасной электрической цепью и поэтому может быть использован во взрывоопасных зонах.
|
|
|
Таблица 8.1. Profibus в соответствии с моделью OSI
| № | Название уровня | Profibus DP | Profibus FMS | Profibus PA |
| 7 | Прикладной | Heт | Fieldbus Message | Нет |
| Specification (FMS) | ||||
| 6 | Представления | Нет | ||
| 5 | Сеансовый | Нет | ||
| 4 | Транспортный | Нет | ||
| 3 | Сетевой | Нет | ||
| 2 | Канальный | PDL | FDL | IEC 1158-2 |
| (передачи данных) | ||||
| 1 | Физический | RS-485, оптоволо | RS-485, оптоволо | Интерфейс |
| конный интерфейс | конный интерфейс | IEC 1158-2 |
Profibus является многомастерной сетью. В качестве ведомых устройств выступают обычно устройства ввода вывода, клапаны, измерительные преобразователи. Они не могут самостоятельно получить доступ к шине и только отвечают на запросы ведущего устройства.
Для увеличения дальности передачи в Profibus предусмотрена возможность работы с оптоволоконным кабелем. При использовании оптоволокна дальность связи может быть увеличена до 15 км. Оптоволоконные интерфейсы выполняются в виде сменных модулей.
|
|
|
Далее рассмотрим Profibus DP, как наиболее распространенный вид сети.
Канальный уровень модели OSI в Profibus называется FDL-уровнем (Fieldbus Data Link — промышленный канал связи). Протокол канального уровня обеспечивает выполнение следующих требований:
• в процессе коммуникации между ведущими устройствами необходимо обеспечить выполнение каждым из них своей задачи в течение заранее определенного интервала времени;
• взаимодействие ведущих устройств (контроллеров) с ведомыми должно происходить максимально быстро.
В сети Profibus для доступа ведущих устройств к сети используется метод передачи маркера (рис. 8.1). В этом методе сеть имеет логическую топологию кольца (т.е. кольца на уровне адресов устройств), каждое ведущее устройство получает доступ к сети только при получении маркера.
Маркер выполняет роль арбитра, который предоставляет устройству право доступа. По истечении определенного времени это устройство должно передать маркер следующему ведущему устройству, которое получает доступ также на время, пока маркер находится у него. Таким образом, каждому ведущему устройству выделяется точно заданный интервал времени. Этот интервал может быть установлен при конфигурировании системы.
|
|
|
Каждому мастеру в сети назначаются свои ведомые устройства. В методе «ведущий/ведомый» процедуру коммуникации с ведомыми устройствами выполняет мастер, который обладает маркером. На время обладания маркером мастер становится ведущим также по отношению к другим мастерам, т.е. может выполнять с ними коммуникацию типа «мастер-мастер».
Рис. 8.1. Принцип работы многомастерной сети
Profibus имеет также широковещательный режим работы, когда ведущее устройство посылает сообщение «всем», не ожидая уведомления о получении, и многоабонентский режим, когда ведущее устройство посылает одно и то же сообщение сразу нескольким участникам сети.
В задачи активного устройства (получившего маркер) входит обнаружение наличия или отсутствия маркера сразу после начала работы сети, передача маркера следующему устройству в порядке возрастания адресов, удаление адресов вышедших из строя или выключенных устройств и добавление новых, восстановление потерянного маркера, устранение дубликатов маркеров, устранение дублирования сетевых адресов и обеспечение заданного периода обращения маркера по сети.
Основная функция коммуникационного профиля DP состоит в эффективном обмене данными ПЛК или компьютера с датчиками и исполнительными устройствами. Обмен данными с этими устройствами обычно выполняется периодически, но коммуникационный профиль DP предоставляет также дополнительный сервис апериодического обмена для установки параметров, контроля режимов работы и обработки сигналов тревоги.
В обычном режиме центральный контроллер (ведущий) периодически считывает информацию, поступающую на входы ведомых устройств и записывает информацию для их выходов. Дополнительно к этому периодическому обмену данными DP обеспечивает мощные средства для диагностики системы, а также для обеспечения устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам.
Средства диагностики DP обеспечивают быстрое обнаружение места появления ошибки и пересылку соответствующего сообщения ведущему устройству. Диагностические сообщения делятся на три уровня:
1) уровень устройства (общие признаки работоспособности устройства, таких как перегрев, уход напряжения за допустимые границы и др.);
2) уровень модуля ввода-вывода, входящего в состав устройства модульной конструкции;
3) уровень канала модуля (например, «к.з. входа 8»).
В сети могут использоваться устройства трех типов:
• DP мастер класса 1 (DPM1) — центральный контроллер, который циклически обменивается информацией с ведомыми устройствами с заранее определенным периодом;
• DP мастер класса 2 (DPM2) — устройство, предназначенное для конфигурирования системы, наладки, обслуживания или диагностики;
• ведомое устройство — устройство, которое выполняет сбор информации или выдачу ее исполнительным устройствам.
Ведущий контроллер (DPM1) может находиться в одном из трех состояний:
Stop — когда не происходит обмена данными; Clear — когда DPM1 может считывать данные, но не может записывать их и выходы всех устройств переводятся в безопасные состояния; Operate — обычное рабочее состояние.
Если в системе появляется сообщение об ошибке, то DPMI устанавливает выходы всех устройств вывода в безопасное состояние, а сам переходит в состояние «Clear». Безопасным считается такое состояние, при котором исполнительные устройства находятся в безопасном (для человека или системы) состоянии. Такое состояние самоконтроля системы может быть установлено или нет при ее конфигурировании. При отключенном состоянии самоконтроля система продолжает работать несмотря на появление ошибок.
При конфигурировании системы пользователь назначает каждому ведущему свои ведомые устройства и очередность их опроса, а также указывает устройства, которые не надо опрашивать периодически.
Передача данных между мастером DPMI и ведомыми делится на три фазы: параметризация, конфигурирование и передача данных. В фазе параметризации и конфигурирования проверяется, соответствует ли конфигурация и параметры ведомого устройства запланированным в DPMI установкам. Проверяется тип устройства, формат и длина передаваемых сообщений, количество входов или выходов.
Profibus DP имеет режим синхронизации вывода. Для этого посылается широковещательная управляющая команда синхронизации, при получении которой происходит одновременная смена состояний выходов всех устройств вывода. Имеется также команда «замораживание», при поступлении которой входы всех устройств ввода сохраняют свое текущее состояние и перестают реагировать на изменение поступающих на входы сигналов, пока не поступит команда «размораживание». Эти команды используются для синхронизации ввода. Команды синхронизации могут посылаться всем устройствам сети, группе или одному устройству.
Для обнаружения ошибок в передающих устройствах предусмотрен механизм временного мониторинга (наблюдения), который действует как в ведомых, так и ведущих устройствах. Интервал мониторинга устанавливается при конфигурировании системы. Ведущий (DPM1) контролирует процесс передачи данных ведомым устройством с помощью таймера. Для каждого подчиненного используется свой таймер. Если в течение интервала наблюдения не приходят корректные данные, выдается диагностическое сообщение для пользователя. Если включен режим автоматической реакции на ошибки, то ведущий устанавливает все выходы в безопасные состояния, а сам переходит в состояние «Clear».
Ведомый также выполняет контроль ведущего устройства или линии передачи. Для этого используется сторожевой таймер. Если от ведущего не приходят данные в течение периода сторожевого таймера, ведомый автоматически переводит свои выходы в безопасные состояния. Для большей степени защиты выходов в многомастерной системе только один (уполномоченный) мастер имеет прямой доступ к изменению состояний выходов устройства. Все другие мастера могут считывать только «изображения» сигналов на входах и выходах устройства.
В Profibus имеются также расширенные DP-функции, которые позволяют передавать апериодические функции чтения и записи, а также сигналы тревог параллельно и независимо от периодической пересылки данных, установленной пользователем при конфигурировании системы. Это позволяет, например, с помощью DPM2 изменять параметры вновь подсоединенных ведомых устройств или считывать состояние любых устройств сети без остановки системы. Эти служебные функции выполняются апериодически с низким приоритетом, параллельно с рабочим процессом передачи данных в системе. Для обеспечения такой возможности при параметризации всей сети устанавливают увеличенный цикл обращения маркера, чтобы шина на была загружена на 100 %.
Profibus использует два типа сервисов для передачи сообщений: SRD (Send and Receive Data with acknowledge — отправка и прием данных с уведомлением) и SND (Send Data with No acknowledge — отправка данных без уведомления).
Сервис SRD позволяет отправить и получить данные в одном цикле обмена. Этот способ обмена наиболее распространен в Profibus и очень удобен при работе с устройствами ввода-вывода, поскольку в одном цикле можно и отправить, и получить данные.
Сервис SND используется, когда надо отправить данные одновременно группе ведомых устройств (многоабонентский режим) или всем ведомым устройствам (широковещательный режим). При этом ведомые устройства не отправляют свои уведомления мастеру.
Сообщение в Profibus называется телеграммой. Телеграмма может содержать до 256 байтов, из них 244 байта данных, плюс 11 служебных байтов (заголовок телеграммы). Все телеграммы имеют заголовки одинаковой длины, за исключением телеграммы с названием Data_Exchange.
Рисунок 8.2. Структура телеграммы Profibus
Поля телеграммы имеют следующее содержание:
SD — стартовый разделитель. Используется для указания начала телеграммы и ее формата. Имеется четыре типа разделителей для телеграмм запроса и ответа и один тип для короткого уведомления. Короткое уведомление имеет поле SD, но не в начале телеграммы;
LE — длина передаваемых данных;
LEr — повторение поля LE с целью его резервирования;
DA — адрес устройства-получателя телеграммы;
SA — адрес отправителя;
FC — код типа телеграммы (запрос, уведомление, ответ, диагностические данные, тип устройства - мастер или ведомый, приоритет, уведомление);
DSAP — устройство-получатель использует это поле, чтобы определить, какой тип сервиса нужно выполнить;
SSAP — COM-порт отправителя;
DU — данные длиной от 1 до 244 байт;
FCS — контрольная сумма телеграммы (сумма значений полей DA + SA + FC + DU по модулю 255);
ED — признак конца.
С целью повышения надежности в Profibus предусмотрено резервирование, выполненное следующим образом:
• ведомые устройства содержат два различных Profibus-интерфейса, основной и резервный. Они могут быть либо в одном устройстве, либо в двух одинаковых устройствах (основном и резервном);
• устройства снабжаются двумя независимыми стеками протоколов со специальным расширением для резервирования;
• процесс резервирования стеков протоколов осуществляется путем запуска специального программного объекта резервирования RedСот.
В нормальном режиме коммуникация выполняется только через основное устройство, которое посылает диагностическую информацию резервному устройству. В случае, когда основное устройство дает сбой, резервное устройство берет на себя его функции. Кроме того, мастер контролирует все ведомые устройства и выдает диагностическое сообщение на верхний уровень АСУТП, как только в системе вышло из строя основное устройство и не осталось резервного или когда вышло из строя резервное. Резервное устройство может работать на основной Profibus линии или на двух, если имеется резервная. Подход к резервированию в Profibus имеет следующие свойства:
• одна и та же модификация устройств используется для реализации различных вариантов резервирования;
• ведущее, ведомое устройство и шина могут быть резервированы независимо друг от друга;
• не требуется особого дополнительного конфигурирования резервного устройства;
• возможен полный мониторинг обоих ведомых устройств.
Резервирование обеспечивает высокий коэффициент готовности, короткое время восстановления, отсутствие потерь данных и нечувствительность системы к отказам.
Современные модули ввода-вывода Profibus являются интеллектуальными устройствами и выполняют многие функции, которые ранее выполнялись только контроллерами. Однако, чтобы выполнить эти функции, устройства требуют сложной настройки при инсталляции системы, при обслуживании и параметризации. Поэтому необходимо иметь точное и полное описание сведений об устройствах, таких как тип выполняемых функций, количество входов/выходов, диапазон изменения переменных, единицы измерения, значения по умолчанию, идентифицирующие параметры устройства и т.д.
Profibus предлагает несколько методов и средств для описания устройств, которые обеспечивают унификацию описания. По историческим причинам в промышленной автоматизации используется в основном формат GSD (General Station Data — общие данные об устройстве). Описание устройств в этом формате создается их изготовителем и поставляется вместе с устройством.
Характеристики устройства описываются с помощью языка описания электронных устройств Electronic Device Description Language (EDDL) и поставляются в виде текстового файла EDD (Electronic Device Description — описание электронного устройства). Интерпретатор этого описания очень хорошо апробирован для приложений средней сложности. Для сложных приложений Profibus предлагает другой программный компонент — Device Type Manager (DTM).
Текстовый файл GSD содержит как общую, так и специфичную для конкретного устройства информацию. С помощью ключевых слов средство конфигурирования может прочесть идентификационные записи, настраиваемые параметры, типы данных, допустимые значения параметров. Некоторые из ключевых слов обязательны (по стандарту), например имя изготовителя, другие являются опционными. GSD-файл делится на три секции:
• секция общих параметров содержит имя поставщика и имя устройства, версию аппаратуры и программного обеспечения, идентификационный номер, поддерживаемые скорости передачи;
• секция спецификаций ведущего устройства указывает допустимое число подключаемых ведомых устройств, параметры передачи и приема сообщений;
• секция спецификаций ведомого устройства указывает число и тип каналов ввода-вывода, перечень диагностических сообщений и список модулей при модульной конструкции устройства.
GSD-файл загружается в средство конфигурирования системы Profibus Configurator и используется при ее инсталляции.
Более мощным средством описания устройств является язык EDD, который является частью международного стандарта и позволяет описывать устройства средней сложности. Еще более мощными являются независимые от конкретной промышленной сети средства описания устройств FDT/DTM (Field Device Tool/Device Type Manager — средство для устройств полевого уровня/менеджер типа устройства), которые позволяют описывать очень сложные устройства.
Топология сети Profibus определяется выбранной средой передачи. Система P Profibus с RS485 состоит из нагружаемой с двух сторон шины, которая, как упоминалось выше, обозначается как сегмент шины RS-485. К шинному сегменту можно подключить 32 участника.
Если к системе Profibus нужно подключить более 32 участников, то используются повторители (репитеры). Они реализуются как восстановители сигнала. Число повторителей (RS-485 репитеров) может достигать девяти. Только благодаря применению повторителей может быть достигнуто максимально возможное число участников в конфигурации Profibus.
На рис. 8.3 представлена топология сети Profibus с тремя сегментами и двумя повторителями. Схема включает программируемые контроллеры S7-300, S7-400, программатор PG и панель оператора OP.
На обоих концах каждого сегмента включается согласующая оконечная нагрузка (терминатор).
Оконечная нагрузка встроена в шинные штекеры и шинные терминалы, при необходимости может быть включена предусмотренными переключателями, а также встроена в повторители RS-485 и в сетевые модули.
Рисунок 8.3. Топология сети с использованием техники передачи RS-485
Оптические сети Profibus используются, прежде всего, в следующих случаях:
1) при необходимости передачи информации на большие расстояния;
2) при необходимости высокой скорости передачи;
3) при наличии большого уровня внешних помех.
Оптический интерфейс (FO) имеют многие программируемые контроллеры. Для связи с сегментами, в которых используется технология передачи RS485, имеются оптический шинный терминал OBT (Optical Bus Terminal) и модуль оптической связи OLM (Optic Link Module).
Рисунок 8.4. Сеть PROFIBUS-DP с узлами со встроенными FO-интерфейсами
С помощью OBT можно подключить отдельный узел сети, не имеющий FO-порта, или сегмент RS-485. В модулях OLM имеется потенциально несвязанный электрический канал и, в зависимости от исполнения, один или два оптических канала. Модули OLM могут использоваться при скоростях передачи от 9,6 Кбит/с до 12 Мбит/с. Скорость передачи определяется автоматически.
Локальные сети (LAN)
Локальные сети LAN (Local Area Network) — сети, расположенные на ограниченной территории (в пределах предприятия). Традиционной технологией передачи для них является Ethernet, под которой понимают семейство продуктов для локальных сетей, которые соответствуют стандарту IEEE 802.3.
Внедрение Ethernet в промышленность способствовали:
· высокая скорость передачи (до 10 Гбит/с) и соответствие требованиям жесткого реального времени при высоком быстродействии (например, при управлении движением);
· простота интеграции с Интернетом;
· простота интеграции с офисными сетями;
· наличие большого числа специалистов по обслуживанию Ethernet;
· возможность организации многомастерных сетей;
· неограниченные возможности по организации сетей самых разнообразных топологий;
· широкое применение в офисных сетях, что обеспечило экономическую эффективность технической поддержки стандарта со стороны международных организаций по стандартизации;
· появление недорогих коммутаторов, решивших проблему недетерминированности Ethernet.
Существует четыре стандартные скорости передачи данных в сетях Ethernet по оптоволоконному кабелю и витой паре проводов: 10 и 100 Мбит/с, 1 и 10 Гбит/с. Ethernet имеет несколько модификаций, структура наименований которых имеет следующий вид: «скорость передачи»« BASE »«дополнительные обозначения». Скорость указывается цифрой в Мбит/с или в Гбит/с, в последнем случае к цифре добавляется буква G. Буквы после “BASE” означают тип кабеля: T – витая пара, F - оптоволоконный. Символ “X” означает наличие блока кодирования на физическом уровне. В промышленной автоматизации наибольшее распространение получили стандарты 10BASE-T и 100BASE-TX, а так же 100BASE-FX.
В табл. 9.1 приведена типовая модель OSI для локальной сети LAN, в которой Ethernet как стандарт IEEE 802.3 охватывает только физический и канальный уровень. На других уровнях в табл. 9.1 в качестве примера представлены протоколы Интернета. Здесь LLC (Logical Link Control – управление логическими связями) – клиент подуровня MAC; MAC (Medium Access Control) – подуровень управления доступом к линии передачи; PHY (PHYsical) – физический уровень (линия передачи).
Уровни 1 и 2 Ethernet-протокола аппаратные, остальные – программные.
При использования стандартного Ethernet время реакции сети часто превышает 100 мс. В локальных сегментах сети с малым количеством устройств оно снижает до 20 мс при использовании протокола ТСР и до 10 мс – для протокола UDP. Использование прямой MAC-адресации в локальных сегментах сети может уменьшить время реакции до 1 мс. Однако это время в Ethernet является случайной величиной. Поэтому основным отличием промышленного Ethernet от офисного является наличие коммутаторов, которые превращают Ethernet в сети с детерминированным поведением.
Таблица 9.1 Уровни модели OSI для сети Ethernet
| Уровень | OSI-модель | Сеть Ethernet | Варианты реализации | |
| 7 6 5 | Прикладной Уровень представления Сеансовый | Прикладной | HTTP,FTP, SNTP,DNS | NFS,XDR,RPC |
| 4 | Транспортный | Транспортный | TCP | UDP |
| 3 | Сетевой | Интернет-протокол | IP | |
| 2 | Канальный (передачи данных) | LLC или другие клиенты MAC |
Ethernet IEEE 802.3 | |
| MAC | ||||
| 1 | Физический | PHY | Витая пара, оптический кабель, коаксиальный кабель | |
Надежность промышленного Ethernet обеспечивается резервированием кабельных линий и сетевых карт, а также специальным программным обеспечением для резервирования.
Для повышения степени защиты системы управления от несанкционированного доступа магистральную сеть Industrial Ethernet отделяют от офисной брандмауэром.
Отличительные признаки промышленного Ethernet:
· отсутствие коллизий и детерминированность поведения благодаря применению коммутаторов
· индустриальные климатические условия;
· устойчивость к вибрациям;
· отсутствие вентиляторов в оборудовании;
· повышенные требования к электромагнитной совместимости;
· диагностическая индикация на панели прибора;
· электропитание от источника напряжения в диапазоне от 10 до 30В;
· возможность резервирования;
· разъемы и оборудование со степенью защиты до IP67;
· защита от электростатических зарядов, электромагнитных импульсов, от превышения напряжения питания;
· полудуплексная передача.
Недостатком Ethernet является значительный уровень «накладных расходов» в протоколах TCP/IP, которые рассчитаны на пересылку данных больших объемов. Если же устройство пересылает всего 8 байт, что типично для АСУ ТП, то полезная информация в протоколе составляет всего 11% поскольку каждый пакет TCP/IP содержится 68 байт служебной информации. Однако это часто можно скомпенсировать большой пропускной способностью сети.
Наиболее распространенным в стандартах 10BASE-T и 100BASE-TX методами кодирования являются манчестерский код для скорости передачи 10 Мбит/с и 4В5В-кодирование в сочетании с NRZI (NRZ Inverted — инвертированный NRZ, рис. 9.1) для скорости 100 Мбит/с.
При манчестерском коде логическая единица кодируется переходом сигнала с низкого уровня на высокий, а логический ноль — переходом с высокого уровня на низкий. Недостатком манчестерского кода является широкая полоса частотного спектра, связанная с необходимостью переключения уровней сигнала при поступлении каждой двоичной цифры.
Для уменьшения помех, излучаемых линией при скорости передачи 100 Мбит/с, используется NRZI-кодирование, при котором двоичной единице соответствует смена уровня NRZI-сигнала, а нулю — ее отсутствие.
В качестве способа доступа многим участникам сети к общей линии передачи используется CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий): сетевое устройство выполняет прослушивание линии передачи (CS — Carrier Sense), чтобы определить ее занятость и обнаруживает коллизии в линии (CD — Collision Detection). Если при прослушивании линии обнаружено, что она свободна, может начинаться передача данных. Если в то же время передачу начинают и другие устройства в сети, это считается нормальным событием (в RS-485 интерфейсе одновременная передача нескольких устройств является запрещенным режимом).
Если при прослушивании линии устройство обнаруживает, что во время работы его передатчика в линии имеются данные от других устройств (это состояние линии называется коллизией), то передача прекращается и возобновляется по истечении случайного промежутка времени. Коллизии возникают не только при одновременном начале передачи несколькими устройствами, но и в случае, когда в сети имеется большая задержка (например, из-за большой длины кабеля или большого количества повторителей). При наличии задержки возможна ситуация, когда одна станция начала передачу, но данные еще не дошли до другой станции, которая прослушивает линию с целью начать передачу.
Для нормального распознавания коллизии она должна быть обнаружена во время передачи кадра (а не после). Для этого задержка сигнала в сети не должна быть слишком большой. Так, при скорости передачи 100 Мбит/с длина кабеля не должна превышать 100 м и между любыми двумя станциями должно быть не более четырех концентраторов.
Во время передачи данных по линии все устройства сети находятся в режиме приема, но только одно из них, которое узнает в передаваемом кадре свой адрес, принимает данные в буфер и посылает кадр-ответ. После завершения одного акта обмена данными все станции должны выдержать паузу длиной в 9,6 мкс при скорости передачи 10 Мбит/с и 0,96 мкс при 100 Мбит/с.
Коллизии и повторные попытки передачи кадра являются причиной того, что время доставки сообщения в сети Ethernet не является детерминированным и его величина резко возрастает с ростом загруженности сети. Причина состоит в том, что при возникновении коллизий загруженность сети возрастает вследствие попыток повторной передачи одних и тех же кадров при возникновении коллизий. Поэтому теоретически возможна ситуация, при которой устройство никогда не получит доступ к сети.
Такое положение явилось основной причиной, по которой сеть Ethernet долгое время не находила применение в промышленной автоматизации. Эту проблему удалось решить с помощью коммутаторов.
Коммутатор представляет собой интеллектуальное многопортовое устройство, которое устанавливает физическую связь между двумя Ethernet-устройствами. При этом другие устройства сети оказываются не подключенными к образованному каналу передачи. Таким образом, вместо обобществленного канала передачи коммутатор позволяет получить несколько независимых друг от друга каналов между парами устройств. Сеть оказывается разделена на независимые сегменты, в каждом из которых может происходить обмен информацией независимо от других. Это приводит к увеличению пропускной способности сети, снижению коэффициента загруженности, а также к устранению коллизий.
Коллизии полностью устраняются только при полнодуплексной передаче, поскольку благодаря коммутатору в одно и то же время в любом сегменте сети могут одновременно передавать данные только два устройства, и они могут это делать не мешая друг другу благодаря дуплексному каналу, использующему две витые пары проводов. При полудуплексной связи оба устройства могут начать передачу одновременно, и, поскольку они подключены к одной и той же паре проводов, может возникнуть коллизия, хотя и с очень малой вероятностью. Заметим, что полнодуплексный режим возможен только при соединении «точка-точка», которое реализуется с помощью коммутаторов.
Для выполнения задачи сегментирования сети коммутатор содержит таблицу МАС-адресов сетевых устройств. Таблица адресов может быть занесена в коммутатор при его настройке или сгенерирована коммутатором автоматически. В последнем случае некоторое время после инсталляции коммутатор пассивно наблюдает за деятельностью сети, собирая МAC-адреса устройств, от которых приходят данные и занося их в таблицу. После завершения акта «обучения» коммутатор пользуется созданной таблицей для распределения входящих в него кадров.
МАС-адрес (Ethernet-адрес) — это аппаратный, или физический адрес устройства (или сетевой карты) в сети. Состоит из 48 бит (6 байтов, например 00-08-74-4C-7F-1D), три из которых устанавливаются организацией IEEE каждому производителю индивидуально, а вторые три устанавливает производитель. МАС-адрес записан в ПЗУ сетевого устройства и не может быть изменен. МАС-адрес надо отличать от IP-адреса (например, 192.168.0.1), который является логическим (протокольным, виртуальным) адресом и назначается администратором сети (младшие цифры), Интернет-провайдером и региональным Интернет-регистратором.
Литература
1. http://www.bookasutp.ru – электронный ресурс.
2. В.Олифер, Н.Олифер «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Учебник» 2016
3. А.Сергеев «Основы локальных компьютерных сетей» 2016
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 116; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!