книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

2.Модель OSI оказалась сложной. Если сложить в стопку распечатку официального описания ее стандарта, то получится кипа бумаги высотой один метр.

3.В результате сложности модели и протоколов неудачу потерпели многие фирмы, которые пытались дословно реализовать эту идеализированную модель в практических разработках.

Тем не менее методологически модель OSI очень актуальна до сих пор, и все сетевые стандарты начинают свое описание с указания соответствия между этой моделью и конкретным стандартом.

1.5. ОСНОВНЫЕ СЕТЕВЫЕ ТОПОЛОГИИ

Сетевая топология описывает способ (тип) сетевого соединения различных устройств на физическом уровне. Заметим, что конфигурация физических связей определяется соединениями узлов сети между собой с использованием той или иной среды передачи и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. Логические же связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки сетевых элементов и коммуникационного оборудования. Существует несколько видов топологий, отличающихся друг от друга по двум основным критериям:

–уязвимость сети к отказу какого-либо ее элемента в части целостности передаваемых кадров;

–возможность изменения числа узлов сети.

Основные топологии – это шина, звезда, кольцо (табл. 1.12). Шина – наиболее распространенный тип сетевой топологии.

Ее основные преимущества – простота, дешевизна и легкость переконфигурирования. Хорошо подходит для сильнораспределенных объектов. Имеет ряд недостатков, а именно: присутствие в каждой точке сети общего трафика, опасность потери связи при одиночном обрыве канала связи или фатальном выходе из строя одного узла. Шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде

61

передачи. В отличие от типологии «кольцо», адресат получает свой информационный пакет без посредников. Процесс подключения дополнительных узлов к шине не требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети, как это имеет место в случае топологии «звезда».

В топологии «звезда» вся информация передается через некоторый центральный узел. Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения. Все периферийные станции могут обмениваться друг с другом только через центральный узел. Преимущество этой структуры в том, что никто другой не может влиять на среду передачи. Один собственник управляет и владеет ею.

С другой стороны, центральный узел должен быть исключительно надежным устройством как в смысле логического построения сети (отслеживание конфликтных ситуаций и сбоев), так и физического, поскольку каждое периферийное устройство имеет свой физический канал связи и, следовательно, все они должны обеспечивать одинаковые возможности доступа. Дополнительное устройство может быть включено в сеть только в том случае, если организован порт для его подсоединения к центральному узлу.

Топология «кольцо» популярна со времен выхода на рынок сети Token Ring фирмы IBM. В кольцевой структуре информация передается от узла к узлу по физическому кольцу. Приемник копи-

62

рует данные, регенерирует их вместе со своей квитанцией подтверждения следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик получает свою квитанцию, это означает, что его информация была корректно получена адресатом. В кольце не существует определенного централизованного контроля. Каждое устройство получает функции управляющего контроллера на строго определенный промежуток времени.

Использование протокола с циклической передачей маркера (IEEE-802.5) позволяет сетям с такой топологией обеспечить абсолютную предсказуемость и точное соответствие фактической пропускной способности проектируемым параметрам. Основными недостатками топологии являются высокая стоимость организации канала связи, нерациональное (в большинстве случаев) использование сетевого трафика и потеря всей синхронизации сети в случае сбоя и отключения хотя бы одного из узлов. Чтобы этого избежать, необходимо включать в сеть автоматические переключатели, которые берут на себя инициативу, если данное устройство вышло из режима нормальной работы. Таким образом, они позволяют включать/выключать отдельные узлы без прерывания нормальной работы. В реальных сетях топологии нередко совмещаются, т.е. одна часть общей сети может быть построена по какой-либо одной топологии, а другие части сети – по другой.

1.6. МЕТОДЫ ДОСТУПА К ЛИНИИ СВЯЗИ

Рассмотрим основные режимы обмена данными, которые могут предопределять методы доступа.

Режим «ведущий – ведомый» (master – slave). В этом про-

стейшем режиме один из узлов сети является ведущим устройством, которое последовательно опрашивает подчиненные узлы. В зависимости от содержания запроса ведомый узел либо выполняет полученную команду, либо передает ведущему текущие данные с подключенных оконечных устройств. Типичные примеры такой сети –

63

Profibus, Моdbus. Как правило, роли ведущего и ведомого закрепляются жестко и не меняются в процессе функционирования сети. Режим требует централизованного метода доступа.

Режим «клиент – сервер». Данный режим используется в системах с гибким распределением функций. Узел-клиент запрашивает данные, а узел-сервер их предоставляет. При этом клиент может запрашивать несколько узлов, а сервер– иметь несколько клиентов. Функции клиента и сервера могут также совмещаться на одном узле. Примерами могут служить Ethernet, Foundation Fieldbus. Режим требуетдецентрализованногометодадоступа.

Режим «издатель – подписчик». В этом режиме узел, нуж-

дающийся в регулярном поступлении какой-либо информации, подписывается на ее получение от другого узла, после чего получает регулярные рассылки данных без дополнительных запросов. Режим имеет два варианта: в первом случае данные передаются циклически с определенным интервалом вне зависимости от динамики информации; во втором случае данные передаются только в случае их изменения. Такой режим используется в сетях СAN, Foundation Fieldbus. Он также требует децентрализованного метода доступа.

Режим «все со всеми». Данный режим является расширением режима «клиент – сервер», в котором функции сервера объеденены с функциями клиента на всех узлах.

Существуют два основных метода упорядоченного доступа

кобщей линии связи:

–централизованный;

–децентрализованный.

Говоря языком ISO/OSI, за метод доступа отвечает второй, канальный, уровень модели. По большому счету существуют два типа доступа: с коллизиями и без них (множественные и маркерные).

Централизованный метод (master – slave). Выделяется узел с master-правами. Он назначает и отслеживает порядок и время доступа к шине для всех других участников. Это решение находит свое применение как на контроллерном уровне (field level), так и на уровне датчиков и исполнительных механизмов (sensor/actuator level).

64

Право инициировать циклы чтения/записи по линии связи имеет только master-узел. Он адресует каждого пассивного участника (slave node), обеспечивает его данными и запрашивает данные у него. Чтобы увеличить пропускную способность линии связи, команды протокола должны быть как можно проще.

Децентрализованный метод. Если вдруг ведущее устройство «сломалось», то и циклы обмена по линии связи останавливаются. Именно по этой причине децентрализованный контроль за сетью с переходящими master-функциями (передатчика) от одного участника (узла сети) к другому получил наибольшее внимание и развитие.

Доступ к каналу с коллизиями используют Ethernet и CAN. Такой тип доступа позволяет эффективно использовать пропускную способность канала и предоставлять доступ в сеть нескольким активным узлам.

Наиболее известным механизмом управления локальной сетью шинной конфигурации является метод случайного (множественного)

доступа к шине CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с прослушиванием несущей

иобнаружением коллизий) с контролем несущей и обработкой конфликтов. Реализация этого метода – спецификация Ethernet.

Все станции на шине имеют право передавать данные. Каждая из них постоянно прослушивает шину. Если шина свободна, любой из участников сети может занять ее под свой цикл передач. В том случае, когда несколько станций претендуют на шину одновременно, это приводит к так называемому конфликту (коллизии),

итогда все претенденты снимают свою заявку.

Затем каждый из участников включает некий случайный генератор, который задает случайный интервал ожидания до следующего момента запроса шины.

Метод CSMA/CD наиболее эффективен в условиях относительно низкой общей загрузки канала (менее 30 %). В условиях большей загрузки канала выгоднее использовать сети, реализующие модель с передачей маркера.

65

В беспроводных сетях (IEEE 802.11) используется несколько иная обработка коллизий. Данные протоколы относятся к классу

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance –

множественный доступ с прослушиванием несущей и предотвращением коллизий).

При данном способе доступа, перед тем как выставить на шину свои данные, станция отсылает короткий кадр Jame Frame (кадр затора) и ожидает некоторое время получения подобного сигнала от других станций. При получении сигнала обработка производится аналогично CSMA/CD. Если сигнала нет, станция начинает передачу данных. Таким образом, коллизии, в отличие от CSMA/CD, в данном способе доступа возможны только на этапе обработки коротких сигналов затора. Данный механизм используется и в сетях

Apple Local Talk.

Принципиально другую форму разрешения коллизий демонстрирует CAN-шина. Ее протокол относится к классу CSMA/CR/СА

(Carrier Sense Multiple Access with Collision Resolution). Разрешение коллизий производится аппаратурой по принципу побитового сравнения сетевых адресов (идентификаторов сообщений) конфликтующих устройств. Станция, пытающаяся передать очередную единицу из своего адреса, видя, что реально в канале передается ноль, понимает, что конфликтует, и откладывает попытку занять канал до лучших времен. Станция, передающая ноль, спокойно продолжает работу. Таким образом, хотя коллизии и возникают, но разрешаются предсказуемо и в ожидаемое время. Именно это позволило сетям на основе протокола CAN занять достойное место в различных отраслях, особенно в автомобилестроении, где важны мультимастерные сети с распределенным интеллектом.

Этот же метод доступа используется в технологии ZigBee. Существуют три исключения для работы CSMA/CA: маячки о передаче посылаются за предусмотренный промежуток времени; используется подтверждение посланий; устройства в маячковых ориентированных сетях и требованиях режима RT могут использовать слоты гарантированного времени (см. гл. 7).

66

Метод передачи маркера (The Token Passing Method, стандарт IEEE 802.4 (Token Passing Model)). В этом методе маркер, т.е. право на доступ к шине, передается в цикле от устройства к устройству. Порядок передачи зависит от прикладной задачи и определяется на стадии планирования системы.

Данный метод предлагает каждому участнику сети справедливое разделение шинных ресурсов в соответствии с их запросами. Принцип передачи маркера используется в системах, где реакция на события, возникающие в распределенной системе, должна проявляться за определенное время. Метод доступа используется в тех-

нологии Profibus FMS.

В технологии Foundation используется и централизованный метод доступа (обмен запланированными сообщениями), и децентрализированный (обмен незапланированными сообщениями). Активный планировщик связей (АПС) предоставляет централизованно, по графику право каждому приоритетному устройству на «публикацию» своих данных, «подписчики» принимают эти данные. Все устройства меньшего приоритета имеют право послать незапланированные «посылки» в интервале времени между передачами запланированных сообщений, если получат маркер (разрешение на передачу). Маркер перемещает тоже АПС. Незапланированные посылки обычно возникают при изменении информации в узле.

TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный дос-

туп с разделением по времени – способ использования радиочастот, когда в одном частотном интервале находятся несколько абонентов. Разные абоненты используют различные временные слоты (интервалы) для передачи. TDMA является приложением мультиплексирования канала с разделением по времени (TDM – Time Division Multiplexing) к радиосвязи; предоставляет каждому пользователю полный доступ к интервалу частоты в течение короткого периода времени (в GSM один частотный интервал делится на 8 временных слотов). В настоящее время является доминирующей технологией для мобильных сотовых сетей и используется в стан-

67

дартах GSM, TDMA (ANSI-136), PDC, также применяется в системах спутниковой связи.

Способ доступа TDMA используется и технологии SERCOS III для промышленных сетей реального времени. Поток данных разделяется на фреймы. Каждый фрейм делится на несколько слотов, слоты распределяются между пользователями. В начале и конце слота могут быть предусмотрены защитные интервалы.

Для совместной работы сетей с различными методами доступа необходим межсетевой шлюз.

1.7.ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Вмикропроцессорных системах по необходимости возникли параллельные системные шины компьютеров: шинаS-100 первого РС

Altair, CAMAC для измерительных систем, ISA (Industry Standard Architecture – ISAbus), шинаPC/104 (отличающаяся от ISA применяемыми разъемами), VMEbus (Versa Module Eurocard bus), MCA (Micro Channel Architecture), Q-Bus (известнаятакжекакLSI-11Bus), PCI.

Появились и параллельные компьютерные шины связи с пе-

риферией SCSI (Small Computer System Interface), ATA (Advanced Technology Attachment или IDE), EIDE, PCI (Peripheral Component Interconneсt), VGA, AGP (Accelerated Graphics Port), HT (Hyper Transport – параллельная передача последовательными пакетами,

ранее известная как Lightning Data Transport (LDT)). Применялась и параллельная шина LPT (Line Print Termin) стандарта IEEE-1284 для подключения РС с периферийными устройствами (в основном с портом принтера, в настоящее время вытеснена интерфейсом USB) (рис. 1.5).

Однако параллельные шины в дальнейшем остались только как системные для РС, где передача происходит на короткие расстояния (рис. 1.6).

Некоторые разъемы интерфейсов микропроцессорных систем представлены на рис. 1.5, 1.7.

68

1.7.1.Последовательный интерфейс RS-232

Внастоящее время доминируют последовательные шины (см. рис. 1.5, 1.7). Изначально были предложены три последовательных интерфейса(табл. 1.14). ЧащевсегоиспользуютсяRS-232 иRS-485.

Интерфейс RS-232 (EIA-232C), или СОМ-порт в РС, – интер-

фейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 15 м. Информация передается по проводам цифровым сигналом с двумя уровнями напряжения. Логическому нулю соответствует положительное напряжение (от +5 до +15 В), а логической единице – отрицательное (от –5 до –15 В). Асинхронная передача данных осуществляется с фиксированной скоростью при самосинхронизации фронтом стартового бита. Механически этот стандарт определяет 9- и 25-контактные разъемы (см. рис. 1.7). Основные сигналы передаются по линиям передачи/приема данных. Скорость передачи выбирается из диапазона от 50 до 38 400 Бод. Остальные сигнальные линии передают статусную информацию коммутируемых устройств.

1.7.2. Интерфейс физического уровня RS-485

Интерфейсы RS-485 и RS-422 описаны в стандартах ANSI EIA-485-А и EIA-422. Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным в промышленной автоматизации. Он пригоден для высокоскоростной передачи данных по последовательной линии до 32 устройств, подключенных к общей шине. Его используют Modbus, Profibus DP, ARCNET, BitBus, WorldFip, LON, Interbus и множество нестандартных сетей. Связано это с тем, что по основным показателям данный интерфейс был лучшим при уровне развития технологий 1990-х годов. Основными его достоинствами являются:

♦двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов (полудуплекс);

♦работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, т.е. возможность организации сети;

70