ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Fakulta elektrotechnická

Projekt v týmu

Ethernet v průmyslových sítích

Vypracovali : Lukáš Engler Nguyen Ngoc Phuong Lukáš Novotný Jakub Staněk Filip Sušánek

1. Úvod 1.1. Zadání Projektu v Týmu 1.2. Úvod do problematiky 2. Teoretický rozbor 2.1. Principy technologie ethernet 2.2. Průmyslový ethernet 3. Síťové prvky pro průmyslový ethernet 3.1. Vlastní síťové prvky 3.2. Analyzátory 4. Měřené parametry 4.1. Měření bod-bod 4.2. Návrh sítě 5. Závěr

ÚVOD V tomto týmovém projektu se budeme zabývat seznámením s průmyslovým ethernetem. Budeme zpracovávat teoretický úvod k této problematice a poukážeme na rozdíly mezi průmyslovým a klasickým pojetím ethernetu. Dále představíme jednotlivé síťové prvky, se kterými budeme během projektu pracovat. Nyní k vlastnímu měření. Nejprve se budeme zabývat parametry jednotlivých prvků (jejich zpoždění závisející na velikosti datového rámce). Následně navrhneme síť (okruh) z těchto jednotlivých prvků a budeme měřit rychlost konvergence prvků.

TEORETICKÝ ROZBOR Ethernet Ethernet je technologie, která je především určena pro LAN (Local Area Network) a je nejvíce užívána na světě (až 80%). Hlavním cílem lokální datové sítě je zajištění vzájemného propojení definovaného počtu koncových zařízení (end devices). Koncová zařízení zde máme na mysli: osobní počítače, notebooky, servery, IP telefony atd. . Přesto, že Ethernet používá různá media o různých přenosových rychlostí i různé jiné odlišnosti na první(fyzické) a druhé(spojové) vrstvě OSI modelu má stále stejný formát rámce a stejné adresní schéma pro všechny varianty Ethernetu. Proč je Ethernet tak rozšířený a oblíbený?  jednoduchost a snadná údržba  schopnost zahrnovat do sebe nové technologie  relativní spolehlivost (Ethernet je nespojovaný protokol a z tohoto pohledu je „nespolehlivý“= nepotvrzuje správné doručení dat příjemcem)  nízká cena instalace a aktualizace (upgrade) Která zařízení používá Ethernet?    

propojovací montážní panely UTP (UTP Patch Panel) strukturovaná kabeláž switche instalované ve stavebnicových regálech konvertory (například konverze UTP na optický kabel)

Síť Ethernet staví na základech RM OSI modelu a dílčí standardy související s fyzickou a spojovou vrstvou se dále dělí pro účely standardizace spojové vrstvy Ethernetu na dvě podvrstvy. Architektura sítě Ethernet  Logical Link Control(LLC): o Horní podvrstva řízení logického spojení u sítě Ethernet, standardizována skupinou IEEE 802.2. o Původní záměr: „přenos bez a se spojením“ přímo na vrstvě Ethernet. o Hlavní funkce u spojové vrstvy:  Připojení k vyšším vrstvám.  Zapouzdření paketů ze síťové vrstvy do rámců.  Identifikace protokolu síťové vrstvy. o Vlastnosti:  Relativně nezávislá na fyzickém zařízení.  Je realizována softwarově – ovladačem síťové karty.  Medium Acces Control (MAC): o Spodní podvrstva řízení přístupu na médium. o Zodpovědná za definici a implementaci dané přístupové metody.  CSMA/CD:

 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detecion  Náhodná přístupová metoda naslouchání a detekce kolizí na přístupovém médiu o Naslouchání nosné-před vysíláním i během vysílání o Více násobný přístup o Detekce kolizí o Funkce:  Zapouzdření dat:  Ohraničení rámce (synchronizace mezi vysílacím a přijímacím uzlem)  Adresace (fyzická adresa MAC)  Detekce chyb o CRC (Cyclic Redundancy Check)- je funkce, která detekuje chyby během přenosu či ukládání dat o FCS (Frame Check Sequence) - slouží ke kontrole správnosti dat – příjemce si jej vypočítá z obdrženého rámce a pokud výsledek nesouhlasí s hodnotou pole, rámec zahodí jako vadný  Řízení přístupu k médiu:  Řízení umístění a vyjmutí rámce na a z média  Zotavení média po chybě Pod MAC vrstvou je fyzická vrstva, která se označuje jako PHY. Tato vrstva je zodpovědná za přizpůsobení příchozích rámců do formy vhodné pro přenos po konkrétním fyzickém přenosovém médiu. Mezi tyto dvě vrstvy může ale nemusí mít svou fyzickou reprezentaci (příkladem je konektor). Tato reprezentace je pouze logická, fyzicky je tedy nepřípustná. AUI(Attachment Unit Interface):    

AUI kabel, historicky nejstarší rozhraní pro Ethernet 10BASE-2, 10BASE-5,10BASE-T, konektor CANON s 15 kontakty, dnes už se nepoužívají.

MII(Medium Independent Interface):  pro 100Mbit/s Ethernet  předávající bitový obsah Ethernet rámce ve skupinách po bitů po 4  tento proces je lépe přizpůsoben pro další kódovací proces probíhající na fyzické vrstvě  výhodou je zpětná kompatibilita s 10Mbit/s Ethernetem

Datový rámec Ethernet

Lokální síť Ethernet patří do třídy lokálních sítí s přepojováním rámců, a to bez nutnosti spojení před vlastní přenosem dat. Ethernet umožňuje přenos dat mezi více koncovými zařízeními, proto je nutné, aby jednotlivé koncové stanice byly rozpoznány. Každá koncová stanice musí mít v rámci sítě svůj jednoznačný identifikátor. Tento identifikátor se nazývá MAC adresa. Tato data jsou uspořádána v různě dlouhých úsecích, které označujeme jako Ethernet rámec (ne pakety). Kvůli využití přístupové metody CSMA/CD musí být všechny rámce delší než stanovená minimální délka. Z důvodu spravedlivého společného sdílení přenosového media a garance tolerantního zpoždění, nesmí rámec být delší než stanovená maximální délka. Jednotlivé bajty u Ethernetu se vysílají v pořadí směrem dolů ale začíná se nejméně významovým bitem daného bajtu zprava. Preambule    

na začátku Ethernet rámce tvořena 7 za sebou jdoucími bajty s binárním obsahem 10101010 slouží k synchronizaci taktu mezi přijímačem a vysílačem ztrácí smysl u vyšších verzí Ethernetu(100BASE-T) o přijímač je nepřetržitě synchronizován s vysílačem o kvůli kompatibilitě s 10BASE-T je preambule v rámci zachována

Přijímač musí znát takt, který použila vysílací strana, jinak přijímač nemůže správně vyhodnotit jednotlivé logické stavy přijímaného signálu. Pokud nebude splněna tato podmínka, přijímač bude analyzovat předchozí signál v neoptimálních okamžicích. Dojde tedy k chybnému vyhodnocení bitového symbol a výskytu šumu. Kombinace log.1 a log.0, které se střídají v preambuli vytváří s kódováním Manchester periodický signál, který je výhodný pro lokální synchronizaci taktovacího signálu přijímače. U každého přijímaného Ethernet rámce se tento proces provádí individuálně. Start Frame Delimiter(SFD)    

identifikátor začátku rámce jednobajtové pole obsahující kombinaci 10101011 poslední dva bity (11) jsou hraniční indikátory za hraničními indikátory následuje informační obsah Ethernet rámce (1.pole s cílovou MAC adresou koncového zařízení, ke kterému má být rámec v LAN síti doručen) Adresa a způsob adresace v Ethernetu

     

Ethernet používá pro rozpoznání koncových zařízení (systémů) identifikátor. Identifikátor v rámci LAN sítě musí být jednoznačný. V datovém rámci je adresa odesílatele (1. pole) a adresáta (2. pole). Cílové pole může obsahovat libovolnou adresu (unicast, broadcast, multicast). Zdrojové pole může obsahovat jen adresu typu unicast. Indentifikátor se nazývá MAC adresa.

        

MAC Adresa Tvořena 48bitovým adresovým polem, každé pole jednoznačně určuje dané koncové zařízení(konkrétní PC). V praxi zápis hexadecimálně. Př: 03:CV:FF:DF:33:43, 03-CV-FF-DF-33-43, 03CV.FFDF.3343, 03CVFFDF3343 Nemá hierarchickou strukturu. Někdy se nazývá plochou adresací (flat addressing). První tři bajty adresy přiřazovány výrobci zařízení organizací IEEE Zbylé tři bajty patří výrobci. V rámci jedné LAN nesmí nikdy existovat 2 stejné MAC adresy (koncová zařízení nebudou správně pracovat). Lze měnit, ale nedoporučuje se! Důvod centrálního přiřazování MAC adres je ten, aby každá MAC adresa byla jedinečná a abychom neplýtvali MAC adresovým prostorem (za oficiální přidělení MAC adresového prostoru se platí poplatky).

Tří způsoby doručování rámce v síti Ethernet síti:  Unicast: o Rámec má být doručen pouze jednomu koncovému systému v sítí. o Nejčastější způsob. o První bajt MAC adresy je sudý (daná adresa patří právě jednomu koncovému zařízená). o Princip: jedno koncové zařízení pošle datový rámec jednomu jedinému koncovému zařízení.  Multicast: o Rámec má být doručen podmnožině všech koncových systémů v dané LAN síti. o Princip: jedno koncové zařízení pošle datový rámec předem definované určité skupině koncových zařízení. o Tzv. vícesměrové vysílání. o První bajt MAC adresy je lichý (adresa reprezentuje celou skupinu systémů).  Broadcast: o Rámec má být doručen všem koncovým systému v síti LAN. o Tzv. všesměrové vysílání. o Speciální případ vícesměrového vysílaní. o Princip: Koncové zařízení pošle datový rámec všem koncovým zařízením v LAN síti. o Mac adresa se rovná hodnotě FF:FF:FF:FF (všechny bity mají log.1). Multicast a Broadcast MAC adresa se může vyskytnout jen v poli cílové adresy Ethernet rámce, ne v poli MAC adresy zdrojové.

Pole typu a délky rámce-T/L  16bitové pole označované jako pole „T/L“.  Pole Typ (Type) o Každý protokol má jedinečný identifikátor (koncové zařízení pozná ke které protokolové architektuře datový rámec patří). o Určuje typ paketu vyšší vrstvy.  S příchodem standardu IEEE 802.3 změna významu pole T/L.  („L“ v názvu) má význam délky datového rámce.  Pokud je hodnota rámce větší než 1536 B (0x600) jedná se o původní rámec Ethernet, přičemž jeho význam je Typ protokolu vyšší vrstvy.  Pokud je hodnota rámce nižší než 1536 B, mění se význam na délku datového pole rámce. Datové pole rámce:  Minimální délka datového pole je 46 bajtů.  Maximální 1500bajtů. Mezirámcová mezera         

IFG (InterFrameGap). Délka vždy 12 bajtů (nezáleží na typu a rychlosti Ethernetu). Mezirámcové mezery nastávají po odeslání každého rámce. Tzn. Na přenosovém médiu není žádný elektrický signál(u Ethernetu typu 10BASE 2, 10BASE 5, 10BASE - T). Význam: Relaxace elektroniky a příprava na příjem dalšího rámce. Detekovat konec každého rámce u typu Ethernetu (v předchozím bodu).. Správná funkce CSMA/CD algoritmu pro poloduplexní (half-duplex) přenos U Ethernetu s větší rychlosti: o Speciální synchronizační posloupnost, která se vysílá i když se po přenosovém médiu nic nevysílá

Nepřepínaný Ethernet Hub je pouze „hloupé“ zařízení a jeho nevýhodou je, že hub propouští i chybné rámce a rozšiřuje kolizní doménu. Využití hubu v síti má za následek:    

Postrádání možnosti rozšiřitelnosti (škálovatelnosti). Pří prodloužení segmentu pomocí hubu- zvětšuje se latence. Více chyb v síti. Více kolizí.

Přepínaný Ethernet (současný)    

Využívá funkcí a vlastností stwitchů a jeho výhody jsou: vyhrazená šířka pásma pro každý port (nesdílenou šířku pásma), bezkolizní prostředí, full-duplex.

ARP protokol (Address Resolving Protocol) Princip zjištění MAC adres k IP adrese uvnitř jedné LAN: 1. Ze zdrojového uzlu se pošle broadcastový rámec s ARP Request(žádost o zaslání IP adresy). 2. Uzel s poptávanou IP adresou odpoví unicastovým(jednosměrným) rámcem ARP Response (s odpovědí) se svojí MAC adresou. Každé zařízení v LAN má svojí vyrovnávací paměť pro ARP tzv. ARP cache. Záznamy se po určité době mažou. U Windows jsou to 2 minuty, ale tato doba se dá prodloužit až na 10 minut. Bez ARP cache musí ARP pro každý rámec neustále žádat o překlad adres,což zvyšuje latenci a může dojít také k zahlcení sítě(congest). Pokud bychom nastavili zadržovací čas na dobu neomezenou, muže to způsobit chyby související se zařízením, které síť opustily nebo změnily svojí IP adresu. Příkazem C:\>arp-a si můžeme prohlédnout v příkazové řádce ARP cache Její funkce:  Pro zadanou IPv4 adresu zjišťuje MAC adresu (mapování adres na L3 a L2)  Spravuje vyrovnávací paměti namapovaných hodnot (ARP tabulky) Proxy ARP: Pro propojení podsítí přes transparentní směrovač. Směrovač vrací v zastoupení (proxy) ARP response(odpověď) z jedné lokální (pod)sítě do druhé. Topologie sítě Ethernet Topologie sběrnice : 1. Standardizované verze Ethernetu (10BASE5, 10BASE2), pro přenos používaly koaxiální kabely (to znamenalo zvýšení nákladů sítě). Problém se sběrnicí, důvodem je, že na koncích kabelu musela být zakončovací impedance 50 Ω (terminátor), aby nedocházelo k odrazu signálu. Další problém nastal, pokud došlo k rozpojení „T“ BNC konektoru, neboť se ihned přerušila komunikace po přenosovém médiu. Topologie jednoduchá a rozšířená hvězda: Každé koncové zařízení nebo systém se připojuje pomocí separátního symetrického kabelu na rozhraní aktivního zařízení.(Dnes nejčastěji přepínač nebo-li switch). Segment přenosového média(segment) :  Významově shodný s termínem fyzický kanál (u strukturovaných kabel. rozvodů)  úsek vedení spojující dvě aktivní zařízení sítě nebo aktivní zařízení  tvořen přenosovým médiem (koaxiální pár, symetrický pár, optický kabel)

 dnes i bezdrátové spojení (Wifi nebo WiMAX)

Koncentrátor (opakovač nebo slengově hub):  v překladu to znamená náboj kola automobilu, ze kterého se rozbíhají hvězdicově k obvodu kola zpevňovací ramena  analogie koncentrátoru (náboj kola) s připojenými stanicemi (konce ramen)  v síti plní koncentrátor funkci regenerátoru signálu předchozích Ethernet rámců  signál je elektricky generován do téměř identické podoby  úkolem koncentrátu je vyslat regenerovaný signál na zbývající rozhraní

Fyzická vrstva sítě Ethernet pro verzi 10Mbit/s - 3 typy fyzických vrstev: 10BASE5:    

pro přenos používá dvojitě stíněný koaxiální kabel (o průměru 1cm) s impedancí 50Ω linkové kódování Ethernet rámce typu Manchester kolize se detekuje překročením prahové hodnoty stejnosměrného napětí k segmentu by se mělo připojit maximálně 100stanic (včetně rozhraní případných aktivních zařízení)  připojení k segmentu pomocí „trancieveru“ a AUI vícepádového symetrického kabelu (na koncích konektory CANON s 15 kontakty)  maximální délka segmentu 50m 10BASE2:      

pro přenos se používá tenký koaxiální kabel (o průměru 0,5cm) s impedancí 50Ω linkové kódování Ethernet rámce typu Manchester kolize se dekuje překročením hladiny stejnosměrného napětí připojení k segmentu pomocí „T“ spojky a BNC konektorů k segmentu by se mělo připojit maximálně 30 stanic maximální délka segmentu 185m

Stejnosměrná složka signálu v době vysílání nesmí překročit hraniční hodnotu -1293mV a střední hodnota nesmí přesáhnout standardem stanovené rozmezí od -1950mV do 1448mV. Pokud dojde k přesahu těchto hodnot, dojde ke kolizi. 10BASE-T:     

pro přenos používá symetrický kabel s char. Impedancí 100Ω linkové kódování rámce typu Manchester kolize se detekuje přítomností signálu na obou párech kabelu připojení pomocí RJ-45 konektorů k segmentu se mohou připojit 2 rozhraní (typicky koncová stanice – aktivní zařízení, aktivní zařízení-aktivní zařízení, koncová stanice – koncová stanice)

 maximální délka segmentu 100m Stejnosměrná složka signálu u tohoto systému je nulová, protože signál musí projít symetrizačními transformátory oddělujícími koncové stanice od vedení. Linkové kódování : abychom mohli ethernet rámec přenést fyzickým médiem, je nutné nadefinovat pro tyto logické symboly fyzikální signálovou reprezentaci, přiřazení určitého elektrického průběhu jednotlivým symbolům. Tento proces se nazývá linkové kodování a u verzí 10 Mbit/s Ethernetu se provádí Manchester kódem. Výhodou tohoto kódu je snadný způsob kódování a dekódování, zachování stejnosměrné složky v průběhu vysílání celého rámce a snadno vydělitelným taktem. Kódování se provádí tak, že každý symbol log.1 je jako vzestupná hrana obdélníkového signálu a log.0 sestupnou hranou. U 10 Mbit/s Ethernetu není na konci rámce definována žádná speciální kombinace bitů, podle níž by přijímač rozpoznal jeho konec. U koaxiální verze se konec rámce indikuje nulovou hodnotou napětí.

Průmyslový Ethernet V průmyslovém odvětví nachází ethernet využití jako prostředek pro datové přenosy od úrovně řízení procesů a periferií až po lokální nebo rozlehlé sítě dle mezinárodních standardů. Systém je speciálně navržen pro náročnější průmyslové podmínky a je schopen zastat výkonnou datovou komunikaci. Mimoto nabízí ethernet technologie a standardy pro integraci do celosvětové sítě. Hlavním úkolem v průmyslu je automatizace procesů. Proto musí být schopen pracovat v reálném čase a splňovat požadavky na funkční bezpečnost. Průmyslová síť je obvykle rozdělena na dvě části: deterministickou a nedeterministickou. Nedeterministická část je postavena na klasickém „kancelářském" ethernetu a umožňuje přístup k deterministické části a k informacím, které v průmyslu nevyžadují deterministický přístup, jako například sběr informací o síti, a umožnuje přístup k Internetu. Deterministická část je vystavěna na ethernetu využívajícím protokoly a prvky určené pro průmysl. Spravuje řízení procesů, automatizaci a vzájemnou komunikaci. Rozdíl mezi kancelářským a průmyslovým ethernetem Kancelářská varianta 

Komunikační prostředek s velkou rychlostí přenosu, který neklade důraz na komunikaci v reálém a čase.  Nedeterministický přístup účastníků komunikace k přenosovému médiu.  Protokoly TCP a IP, přenos pomocí metody CSMA/CD.  Sběrnicová a stromová topologie. Průmyslová varianta      

Zajištění přenosů v reálném čase. Zabezpečená komunikace. Hvězdicová topologie pro řídící systémy a kruhová topologie pro přepínače (switche). Přednost před TCP má protokol UDP. metoda CSMA/CD se využívá jen pro přenos časově nekritických zpráv, nedefinovaný okamžik přístupu. Aplikační protokoly (vzájemně nekompatibilní) - Ethernet/IP (společnost ODVA), Modbus/TCP (společnost Modus), PNO (společnost Profibus).

Návrh průmyslové sítě Při návrhu sítí existuje několik druhů topologií, přičemž se každá hodí pro něco jiného. Existují: sběrnice (bus), hvězda (star), kruh (ring) a jejich odvozeniny. Topologie typu sběrnice se nepoužívá z důvodu výpadku celé sítě v případě výpadku spoje.

Hvězdicová topologie se používá mnohem častěji, přestože chyba centrálního prvku (přepínač) může také vést k selhání segmentu sítě (single point of failure). Tomu lze zabránit jedině redundancí na úrovni centrálního prvku. V topologii fyzický kruh jde o redundanci na úrovni spoje podle standardu IEEE 802.1D Spanning Tree. Podle tohoto standardu však automatická rekonfigurace celé sítě trvá 45 až 60 s. Takto dlouhá doba je pro mnoho průmyslových úloh nepřijatelná, neboť při výpadku komunikace na dobu delší než 5 s se jejich řídicí systém zpravidla rozpadá. Rychlejší variantou této topologie je fyzický kruh se standardem typu Fast Spanning Tree s povolenou dobou obnovy komunikace do 1 s. Jde o standard IEEE 802.1w. Nevýhodou tohoto řešení je, že při přepnutí mohou nastat tyto nestandardní situace: zdvojení datových paketů, může se změnit pořadí paketů a mohou vzniknout smyčky. V architektuře Fast Spanning Tree je povoleno jen 7 přepínačů v řadě, což mnohdy nestačí. Topologie zdvojený kruh poskytuje nejvyšší stupeň funkční pohotovosti. V této struktuře nedojde k výpadku sítě ani při současném výpadku většího počtu spojů (účastníků). Protože v této oblasti stále neexistuje žádný standart, někteří výrobci si vyvinuli vlastní (proprietární) řešení. Jedním z nich je síť Hiper-Ring firmy Hirschmann. Standard Hiper-Ring zaručuje zotavení sítě do 500 ms i při velkých vzdálenostech mezi až 50 přepínači. Hub vs switch Od svých kancelářských příbuzných se liší jak po technické stránce, tak i cenové. V průmyslovém prostředí se koncová zařízení musí obejít bez ventilátorů, pracují v nepřetržitém režimu a zpravidla při vyšších teplotách a musí být mechanicky uzpůsobena k montáži na nosnou lištu. Přepínaný Ethernet (využívá switche) má mnohem vyšší propustnost paketů, a tudíž je rychlejší než sdílený (vyžívá huby). Nejen z toho vyplývá, že při návrhu dnešních sítí převažuje využití přepínačů nad rozbočovači. Rozbočovač (hub) Rozbočovač propojuje účastníky připojené v rámci jedné kolizní domény (části sítě, o kterou se připojení účastnici musí dělit). Prvek je evolučně vychází z opakovačů (repeater) využívaných na koaxiálních kabelech. Pracuje na fyzické vrstvě. Signál přichází vstupním portem do rozbočovače od jiného účastníka sítě a je upraven (zesílen) a předán na všechny výstupní porty. Což je výhodné vzhledem k tomu, že na něm dochází jen k minimálnímu zpoždění. Avšak nevýhody převažují. Rozbočovač není schopen pakety směrovat do jednotlivých segmentů sítě, nýbrž je předává vždy do celé domény, kterou vytváří, což zatěžuje zařízení, které tyto pakety nechtějí. Není také schopen filtrovat pakety a odstraňovat špatné. Vysílat prostřednictvím rozbočovače smí vždy jen jeden účastník sítě, pro ostatní je kanál blokovaný. Proto se při projektování sítě využívají převážně přepínače, tzv. switch. Přepínač (switch) Přepínače pracují ve spojové vrstvě a na rozdíl od hubu jsou schopny uložit každý přijatý paket ve své paměti (store and forward), kde ho analyzují (ověření správnosti podle kontrolního součtu) a poté směrují do požadovaného segmentu sítě určeného adresou.

Switch uchovává tabulku adres každého výstupního portu v níž jsou adresy zařízení dosažitelných skrze tyto porty. Jestliže přepínač dostane paket bez známé adresy, funguje jako rozbočovač, tj. pošle ho na všechny výstupní porty. Při pozitivní zpětné vazbě uloží takto získanou adresu do tabulky adres. Naopak maže z tabulky portu adresy, na které delší dobu nebyl poslán žádný paket. Přepínače také odstraňují poškozené pakety, neboť přezkoumávají jejich korektnost. Tím vzrůstá rychlost přenosu. Díky ukládání paketů je přepínač schopen propojovat segmenty sítí s různou rychlostí přenosu. Lze propojit tedy segment s rychlostí 100 Mbit/s v režimu plného duplexu se stanicemi na segmentu s rychlostí 10 Mb/s a polovičním duplexem. K tomu využívá přepínač funkce popsané níže. Funkce přepínače Plný duplex – FDX je režim, kdy komunikace v síti (mezi dvěma body) probíhá v obou směrech současně. Poloviční duplex – HDX je režim, kdy komunikace mezi dvěma body probíhá pouze v jednom směru. V sítích se využívá obou těchto režimů. Například server-přepínač (nebo přepínač a některá koncová zařízení) využívá spojení typu FDX, zatímco spojení přepínač-rozbočovač využívá spojení HDX. Autonegotiaton, autosensing Autonegotiaton je přepínání mezi FDX a HDX na portech přepínače podle situace. Umožňuje automaticky nastavit vzájemnou kompatibilitu v síti ještě před příchodem prvního paketu. Autosensing je schopnost rozpoznat přenosovou rychlost na portech připojeným kroucenou dvoulinkou a podpora funkce autonegotiation. Velká výhoda těchto funkcí je ta, že se přizpůsobí ethernetovým zařízením, která toto ještě neumí. Kabely Je zřejmé, že průmyslové prostředí klade na kabely větší požadavky než kancelářské prostředí na standardní síť Ethernet. V současnosti se nejvíce využívají kabely stíněné nebo nestíněné (STP, UTP) kategorie 5, třídy E, s mezní frekvencí 100 MHz. Organizace IAONA specifikuje dva typy: Light Duty (norma odolnosti IP20) a Heavy Duty (norma odolnosti IP67). Light Duty jsou méně odolné než Heavy Duty, ale stále odolnější než klasický kancelářský ethernet. Heavy Duty budou schopny pracovat v rozmezí teplot -20 až +65 °C, jsou odolné proti vniknutí vlhkosti a prachu (schopny fungovat pod vodou) a odolné proti elektromagnetickému rušení. Hodí se do extrémnějších průmyslových odvětví a podmínek. Konektory využívané v průmyslu jsou: M12-4 (podporován ODVA, PNO) a varianty RJ45. Konkrétně RJ45-IP67 (podporován ODVA, PNO) a RRJ45-IP67 (podporováno IDA, Interbus-Club). Zatímco v případě metalických kabelů se konektory ustálily na M12 a různých variantách RJ45 v provedení až do IP67, u konektorů pro propojení optických kabelů pro průmyslový Ethernet se na návrzích dosud intenzivně pracuje.

Ke konvenčním optickým kabelům používaným v kancelářském prostředí je pro účely průmyslového Ethernetu třeba přidat ještě tyto dvě varianty: kabely SI-POF (vlákno s jádrem z polymethylmethakrylátu) a vlákno typu HCS (Hard Clad Silica, silikonové jádro). Vykazují velkou odolnost proti mechanickému namáhání i zvýšené teplotě. Přizpůsobení ethernetu pro průmyslové aplikace Standardní ethernet využívající protokoly TCP/IP není vhodný pro systémy v reálném čase a automatizace. Proto se musely provést určité modifikace, které z nedeterministického systému komunikace udělaly deterministický. Reálný čas je v průmyslu definován dvěma vlastnostmi: současnost a včasnost. Současnost je schopnost paralelně zpracovávat data z více než jednoho vstupu a včasnost je schopnost řídící jednotky reagovat vzhledem k časovým požadavkům řízených procesů. Metody přizpůsobení ethernetu:

     

tvorba bezkolizních domén při použití přepínačů vysokorychlostní přenos dat (rychlostí 100 Mb/s a větší) plně duplexní přenos dat použití protokolu UDP (User Datagram Protocol) namísto TCP použití komunikace způsobem producer-consumer nebo publisher-subscriber prioritní sloty v protokolu Ethernetu ve druhé vrstvě modelu komunikace podle standardu IEEE 802.1p  rozdělení sítě na časově kritické a nekritické segmenty  synchronizace času metodou PTP (Precision Time Protocol) podle standardu IEEE 1588 Rozdíl mezi UDP a TCP Protokol TCP je spojovaná služba, tzn. že dojde k vytvoření relace mezi klientem a server předepsaným systémem. Cílová stanice potvrzuje a přeposílá předávané zprávy. Při výskytu chyby server opakuje poslání dat do té doby, než dojde k úspěšnému přenosu. Protokol UDP naopak představuje nespojovanou službu. Poslaná data jsou navzájem zcela nezávislá. Protokol UDP nezná potvrzování zpráv ani ustavení a ukončení spojení. Proto při chybě při přenosu mohou být protokolem UDP přenesena data znovu, a to hned v dalším cyklu, což u protokolu TCP není možné. UDP je proto mnohem „rychlejší“ a jednodušší protokol a proto se mu v průmyslových variantách Ethernetu dává přednost. Prioritní sloty v protokolu sítě Ethernet Dalším mechanismem, s nímž lze dosáhnout vyššího stupně determinismu některých časově kritických zpráv při použití metody CSMA/CD, je využití tzv. prioritních slotů. Tato metoda využívá umístění a obsah pole „tag“ pro určování priority. Zprávám s nejvyšší prioritou jsou vyhrazeny první prioritní sloty. Dalším ze způsobů převodu sítě Ethernet TCP/IP na deterministický systém je metoda s označením PTP (Precision Time Protocol). Princip této metody spočívá v synchronizaci účastníků sítě prostřednictvím distribuovaných hodin reálného času. Tato metoda se využívá v sítích určených pro časově zvlášť kritické úlohy (v režimu tzv. hard real-time). Jde o

elektrické pohony (synchronizace řízených os), systémy distribuce energie, systémy zálohující jiné informační kanály (ztráta spojení prostřednictvím GSM), bezpečné systémy a další.

SÍŤOVÉ PRVKY PRO PRŮMYSLOVÝ ETHERNET Vlastní síťové prvky Komunikace mezi zařízeními v průmyslu bývala řešena pomocí sběrnic. Jenže kvůli zařízením od různých výrobců často nebylo možné prvky propojit tak, aby pracovali správně a efektivně. Dalším problémem byly náročné provozní podmínky, ve kterých zařízení fungovala. Navíc přenosová rychlost sběrnic mnohdy nepřesahuje 2 Mbit/s. Úpravy sběrnic byly nákladné, a tak se začala používat technologie ethernet. Dnes dokáže ethernetová síť fungovat na více protokolech najednou, díky odolným zařízením pracovat spolehlivě a rychle. V našem projektu máme k dispozici několik zařízení pro ethernetové sítě. Jelikož se předpokládá, že pracovní podmínky těchto zařízení budou ztížené, je třeba zajistit vhodnými parametry jejich bezproblémovou a spolehlivou funkčnost. Záměrem této kapitoly je seznámit se s těmito zařízeními, s jejich funkcemi a možnostmi propojení s ostatními prvky. Krátce je zmíněno i použití a způsoby konfigurace. Lynx DSS (Industrial Ethernet Device Server Switch) Průmyslový přepínač pro fungování v těžkých průmyslových podmínkách od firmy Westermo. Vyznačuje se vysokou spolehlivostí, a proto je vhodný pro použití například v tunelech, systémech dopravní kontroly, železničních kontrolních systémech atd. Funguje na operačním systému WeOS. Díky optickým vložným modulům (SFP – Small Form Pluggable) ho můžeme použít pro 100Mbitové i Gigabitové sítě. Kromě jiných, tu najdeme dva sériové porty, jeden pro RS232 a druhý konfigurovatelný pro RS232/422/485. V případě náhlé poruchy sítě je opatřen systémem FRNT (Fast Recovery of Network Topology), což je momentálně nejrychlejší protokol pro obnovu topologie sítě na trhu. Porty vpředu USB (1x) – verze 2.0, přenosová rychlost až 12 Mbit/s, konektor typu A Ethernet TX (4x) – IEEE 802.3, 10 Mbit/s nebo 100 Mbit/s, RJ-45 Ethernet SFP (1x nebo 2x) – IEEE 802.3, 100 Mbit/s nebo 1 Gbit/s, SFP port RS-232 (1x) – EIA RS-232, do vzdálenosti 15 m, 300 bit/s – 115,2 kbit/s, RJ-45

RS-232/422/485 (1x) – EIA RS-232 nebo EIA RS-422/485,do vzdálenosti 15/1200 m, 50 bit/s – 115,2 kbit/s nebo 50 bit/s – 2 Mbit/s, RJ-45 Porty ostatní Napájecí port (1x) – konektor AWG 24-12 Konzolový port (1x) – na připojení k CLI (viz. konfigurace níže), za použití pouze Westermo cable 1211-2027, jehož druhý konec je zakončen USB konektorem, 115,2 kbit/s, konektor 2,5 mm jack I/O port (2x) – Porty pro digitální vstup nebo výstup, konektor AWG 24-12 Konfigurace Westermo IPConfig Tool použijeme pro nastavení nejzákladnějších parametrů zařízení, zobrazení připojených přepínačů nebo pro prvotní stanovení IP adres připojených zařízení. Konfigurace přes webové rozhraní (HTTP,HTTPS) postačí pro správu zařízení za běžného provozu. CLI (Command Line Interface) slouží k podrobné konfiguraci zařízení. Provádíme připojením přes konzolový port, SSH (Secure Shell) nebo Telnet. Funkce FRNT – obnova topologie sítě (20 ms/200+ přepínačů) VLAN, STP/RSTP, IGMP, QoS, SNMP, SSH, DHCP klient, DDNS Vlastnosti Celokovová schránka a žádné pohyblivé části zaručují vysokou životnost. Provozní teploty jsou výrobcem udány od -40 do +70 stupňů Celsia. Napájení je možné mezi 19 a 60 VDC. DDW-226 (Ethernet extender with serial support) Další produkt firmy Westermo - extender z řady Wolverine se zabudovaným přepínačem. Slouží k prodloužení ethernetové sítě až do vzdálenosti patnácti kilometrů při přenosové rychlosti do 15.3 Mbit/s. Díky kovové schránce se hodí do extrémních průmyslových podmínek. Upevňuje se na DIN-lištu nebo na stěnu, nicméně je třeba si dát pozor na správné uzemnění. Využívá SHDSL (Single-pair High speed Digital Subscriber Line) fungující na současných metalických párech. Největší výhodou tohoto zařízení je možnost zapojení do redundantního kruhu, za použití FRNT nebo RSTP. Operačním systémem je WeOS, díky němuž je umožněno použití například VLAN, LAYER 2/3 switching, statické směrování nebo Firewall. Zařízení využijeme v případě, kdy můžeme využít stávající metalické vedení, neboť budování optické trasy je nevýhodné nebo nemožné, v dolech pro komunikaci řídících systémů, řízení dopravy atd. Porty vpravo vpředu Ethernet TX (4x) – IEEE 802.3, 10 Mbit/s nebo 100 Mbit/s, RJ-45 USB (1x) – v. 2.0, až 12Mbit/s, konektor A Konzolový port (1x) – TTL, přenosová rychlost 115,2 kbit/s, pouze Westermo cable 12112027, konektor 2,5 mm jack

Porty vlevo vpředu SHDSL (2x) – ITU-T G.991.2 Annex B, 192kbit/s – 15,3 Mbit/s, protokol EFM, AWG 24-12 I/O/Relay výstup/Digitální vstup – maximální napětí 60 VDC a proud 80 mA, AWG 24-12 Napájecí port (1x) – konektor AWG 24-12 RS-232 (1x) – do vzdálenosti 15 m300 bit/s – 115.2 kbit/s, RJ-45 Konfigurace Webový prohlížeč, Westermo IPConfig, CLI, SSH Funkce Sériový port Bod-Bod, Multidrop, Redundant ring: FRNT – obnova do 1s RSTP – obnova do 10 s LAYER 3 switching VLAN,IGMP,VPN Pokročilá diagnostika Ochrana polarity napájení a rozšířená přepěťová ochrana Vlastnosti Velmi odolná kovová schránka (IP40), provozní teploty v rozsahu -40 až 70´C.

EDW-100 (Serial Adapter/Ethernet Terminal Server) V naší laboratoři poslední produkt Westermo - Ethernetový převodník. Slouží k propojení zařízení používajících rozhraní RS-232/422/485 na ethernetové rozhraní 10/100BASE-T tak, že mohou komunikovat podle potřeby přes TCP client i server, UDP nebo jako Modbus Gateway. Lze také propojit s počítačem (tedy připojen do TCP/IP sítě) jako virtuální COM port. To znamená, že data poslaná z tohoto počítače se přenesou na COM port konkrétního EDW-100, a potom dále na zařízení, které je k portu připojeno, přičemž si všimneme faktu, že pracujeme ve dvou rozdílných rozhraních. Tento prvek je opět určen pro práci v náročném průmyslovém prostředí, což potvrzuje rozsah provozních teplot od -25 do 70 stupňů Celsia. Porty vpředu RS-232 (1x) – EIA RS-232, přenosová rychlost 0.3-115.2 kbit/s, do 15 m, konektor 9-pin D-sub (DTE) RS-422/485 (1x) – EIA RS-485 (2 nebo 4 vodičový symetrický pár), 0.3-115.2 kbit/s, < 1200 m, Ethernet (1x) – IEEE 802.3, 10 nebo 100 Mbit/s, nastavení DIP-switchem nebo automaticky, < 100 m, RJ-45 stíněný (auto MDI/MDI-X) Napájecí port (1x) – 10 až 60 VDC, AWG 24-12 Konfigurace DIP Switch – Je soustava hmatatelných přepínačů (jeden po osmi a druhý po čtyřech pinech), které se podle daných pravidel přepínají. Slouží především k nastavení RS-422/485. Nicméně můžeme nastavit také další parametry nebo přepnout na výchozí nastavení. Změny se projeví po restartování. WebTool – Jeho výhodou je kromě ochrany přístupovým heslem také využití jako Remote Control (vzdálený přístup). Přitom tento vzdálený přístup má vyšší prioritu, než nastavení přes DIP Switch. Tato situace je indikována LED kontrolkou. Konfigurujeme například přenosovou rychlost, duplex, kontrolu toku a množství dat.

Vlastnosti Algoritmus na konvertování

dat tak, aby data z připojeného zařízení mohla dále pokračovat do sítě přes TCP nebo UDP. Galvanická izolace zaručuje minimální chybovost v komunikaci mezi dvěma odlišnými zařízeními. Hirschmann RS2 (Industrial Ethernet Rail Switch 2) Tento model přepínače se vyznačuje velkou spolehlivostí. Kruhová topologie firmy Hirschmann zajišťuje bezchybný chod zařízení, a tedy spolehlivé fungování celé sítě. Je vhodný pro středně velké a velké Ethernetové nebo FastEthernetové sítě. Instaluje se standardně na DIN lištu. Přepínač disponuje pěti 10/100 Mbit/s (symetrické páry) a dvěma 100 Mbit/s porty (sym. páry, multi-mode, single-mode). Další důležitou vlastností je schopnost rychle najít chybu ve spojení (500 ms) a následně vybrat lepší cestu, a doručit tak data k cílové stanici. Tato funkce se dá využít také při rozšíření sítě za chodu. Porty 10/100BASE-TX (5x) 100BASE-FX (2x) Funkce - auto-crossing, auto-negotiation, auto-polarity - Full duplex switch technology. - Plug and Play (autonegotiation, autopolarity, autocrossing). - Zapojení TX portu (10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-TX) do vzdálenosti 100 m. Napájení – 24 VDC Provozní teploty – 0 – 55 stupňů Celsia Třída IP 20

ochrany -

Pojmy SFP - Je technický standard optických vložných transceiverů, používaný v telekomunikačních a datových sítích, vyrábí se a dodávají v mnoha variantách podle použitého typu vlákna, přenosového protokolu, překlenované vzdálenosti (až 200km) a vlnové délky.

FRNT – Protokol pro rekonfiguraci sítě v případě linkové nebo hardwarové poruchy. IEEE 802.3 – Je standard společnosti Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), který určuje specifikace fyzické a spojové vrstvy Ethernetu. Jedná se o fyzické propojení uzlů a/nebo infrastrukturních zařízení (hub, switch, router) pomocí měděných nebo optických kabelů.

Secure Shell - Je v informatice označení pro program a zároveň pro zabezpečený komunikační protokol v počítačových sítích, které používají TCP/IP. SSH byl navržen jako náhrada za Telnet.

VLAN - Virtuální LAN, je logicky nezávislá síť v rámci jednoho nebo několika zařízení. Virtuální sítě lze definovat jako domény všesměrového vysílání (stejně jako LAN) s cílem učinit logickou organizaci sítě nezávislou na fyzické vrstvě, čímž lze usnadnit správu sítě, zvýšit její výkon a podpořit bezpečnost. Obvykle bývá realizována pomocí switchů, jejichž porty se rozdělí na několik logicky samostatných částí.

STP/RSTP – Spanning Tree Protocol zabraňuje smyčkám v síti. Hledá nejkratší cesty mezi každými dvěma switchi. Používá Spanning Tree Algorithm (STA) pro vytvoření databáze topologie a pak hledá a ruší redundantní spoje (blokuje porty - ty nevysílají a přijatá data zahazují).

IGMP - Internet Group Management Protocol řeší i situaci, kdy jsou v síti připojeny dva a vícemulticastových routerů, protože pak by mohlo dojít v síti k šíření nadbytečných informací.

QoS – Quality of Service je v informatice termín používaný pro rezervaci a řízení datových toků v telekomunikačních a počítačových sítích s přepínáním paketů. Protokoly pro QoS se snaží zajistit vyhrazení a dělení dostupné přenosové kapacity, aby nedocházelo při zahlcení sítě ke snížení kvality síťových služeb.

SNMP - Simple Network Management Protocol slouží potřebám správy sítí. Umožňuje průběžný sběr nejrůznějších dat pro potřeby správy sítě, a jejich následné vyhodnocování.

DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol se používá pro automatickou konfiguraci síťových rozhranípočítačů připojených do počítačové sítě. DHCP server přiděluje počítačům pomocí DHCP protokolu zejména IP adresu,masku sítě, implicitní bránu a adresu DNS serveru. Platnost přidělených údajů je omezená, proto je na počítači spuštěn DHCP klient, který jejich platnost prodlužuje.

DDNS - Je označení systému, který umožňuje v reálném čase aktualizovat záznamy uložené o internetové doméně na DNS serveru.

VDC – Je uváděno za číselnou hodnotou napětí a znamená volty při stejnosměrném napětí. Telnet - Telecommunication Network je v informatice označení protokolu používaném v počítačových sítích, který pomocí stejnojmenné aplikace umožňuje uživateli připojení ke vzdálenému počítači.

SHDSL - Digital Subscriber Line je technologie, která umožňuje využít stávající vedení telefonu nebo kabelové televize pro vysokorychlostní přenos dat. SHDSL znamená symetrickou přípojku, max. 4,5 Mbit/s při použití 2 párů kroucené dvoulinky.

VPN - Virtual Private Metwork je v informatice prostředek k propojení několika počítačů prostřednictvím (veřejné) nedůvěryhodné počítačové sítě. Lze tak snadno dosáhnout stavu, kdy spojené počítače budou mezi sebou moci komunikovat, jako kdyby byly propojeny v rámci jediné uzavřené privátní (a tedy důvěryhodné) sítě. auto MDI/MDI-X – Medium Dependent Interface popisuje rozhraní v počítačové síti, neboli médium, které přenáší data. Dokáže automaticky zjistit, zda je třeba připojení přímé (MDI) nebo křížené (MDIX).

Analyzátory Smartclass Ethernet 10M-1G Ethernet Tester Jde o ruční přístroj pro testování fyzické vrstvy kabelu, generování provozu na 2 a 3 vrstvě dle OSI modelu, testování RFC 2544 a dalších parametrů. Analyzátor je vybaven 2 porty jedním pro optické rozhraní (1 Gbps), druhým pro metalové(10 Mbps, 100 Mbps, 1000 Mbps). Tento analyzátor umožňuje :  Generovat a měřit provoz na L2/L3 vrstvě do 1G na elektrickém/optickém Ethernet rozhraní s VLAN, Q-in-Q tags nebo MPLS.  Testovat RFC 2544  Kontrolu provozu a funkčnosti prioritizace v MPLS síti  Testy fyzické vrstvy – ověření integrity fyzické vrstvy pro provoz před testováním propustnosti  Funkce smyčkování na Ethernet rozhraní – spolupráce s dalšími přístroji od JDSU

RFC (=request for comments, nebo-li žádost o komentáře) analýza dokáže určit maximální propustnost, počet ztracených rámců, měření kolísání signálu v každém směru linky nezávisle. Tento test poskytuje ověření síťí navržených na úzkou šířku pásma na jedné polovině ethernetového okruhu. K této analýze jsou zapotřebí 2 analyzátory, kdy jeden pakety generuje a druhý zachytává. Zároveš se dovíme jestli byly při přenosu ztraceny nějaké pakety, případně jejich počet. Nejdůležitější měřená složka této analýzy je schopnost měřit zpoždění signálu po průchodu soustavou. Traffic analýza zahrnuje také IP ping a funkci Traceroute. Tyto funkce umožňují mapovat síťová připojení. V nastavení si může uživatel nastavit parametry jako šířka pásma nebo délka rámce.

FTB-8500 Series and FTB-8120NGE/8130NGE for FTB-500 Smartclas ethernet tester Poněkud komplexněji vybavený analyzátor, nabízející celou řadu analýz a testů.

Porty :     

FC 1x/2x/4x Ethernet 100M/1G – optický IN/OUT port (SFP) FC 10x Ethernet 10G – optický IN/OUT port (XFP) Ethernet 10/100/1000M – port pro elektrický ethernet RJ – 45 EXT CLK – port pro elektrický ethernet BNC REF OUT – referenční výstupní port pro SMA

Nabízí (mimi jiné) :  Kompletní EtherSAM (ITU-T Y.1564) test suite, což je nový standart pro testování mobilního ethernetu a komerčních služeb.  Dále měření propustnosti paketů a jejich ztrát při průchodu okruhem a RFC 2544 analýzu.  EtherBERT … test funkcionality pro posuzování integrity ethernetových služeb fungujících na WDM networks

 Multiple- stream generation and analysis ověřující kvalitu přes VLAN a TOS/DSCP Nastavení RFC Analýzy : Zde můžeme nastavit klasickou RFC 2544 analýzu nebo definovat vlastní. Dále je zde Frame Size , které je pro RFC 2544 defaultně nastaveno pro 64, 128, 256, 512, 1024, 1280 a 1518 (při definování vlastní analýzy můžeme volit 64 - 16000). Následně je zde možnost výběru Flow Direction s možnostmi TX-to-RX pro topologii zahrnující jeden port, P1-to-P2, P2-to-P1 a Bidirectional pro topologii zahrnující 2 porty a nakonec Local to Remote, Remote to Local a Bidirictional různé sady testů. Procedura testu RFC 2544 vypadá takto : zvolíme Test, po kterém následuje řada měrění: Throughput (propustost), Back-to-Back, Frame Loss a Latency. Tato sada testů je vybrána defaultně. Okno State indikuje probíhající analýzy (možné statuty jsou : In progress = probíhá, Completed = dokončeno, Aborted = přerušeno). Následně můžeme zvolit další parametry pro jednotlivá měření. Pro naší potřebu stačí nastavit defaultní parametry.

MĚŘENÉ PARAMETRY

FTB-8500 Series and FTB-8120NGE/8130NGE for FTB-500

Měření bod-bod RFC2544 analýza : prováděná pomocí měřícího přístroje Smartclass ethernet 100M – 1G ethernet Tester Lynx vlevo (ip adress 192.168.26.81) 1. Trafic Test propojení 100Mb/s UTP kabelem

Frame Lenght (Bytes)

Frame Delay Lenght (us)

64

Cfg Rate

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (%)

Pause detected (frame/sec.)

Pass/fail

30,7

100.0

100.0

99.99

148792

No

Pass

1024

261,4

100.0

100.0

99.99

11972

No

Pass

1518

379.9

100.0

100.0

99.99

8127

No

Pass

2. Traffic Test propojení optickým kabelem

Frame Lenght (Bytes)

Frame Delay Lenght (us)

Cfg Rate

64

7,8

100.0

100.0

99.99

148810

No

Pass

1024

30,9

100.0

100.0

99.99

11974

No

Pass

1518

42,6

100.0

100.0

99.99

8128

No

Pass

Pass Rate Pass Rate Pass Rate (Mbps) (Mbps) (%)

Pause Pass/fail detected (frame/sec.)

Lynx vpravo (ip adress 192.168.26.82) 1. Trafic Test propojení100Mb/s UTP kabelem

Frame Lenght (Bytes)

Frame Delay Lenght (us)

Cfg Rate

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (%)

Pause detected (frame/sec.)

Pass/fail

64

30,7

100.0

100.0

99.99

148792

No

Pass

1024

261,4

100.0

100.0

99.99

11972

No

Pass

1518

379.9

100.0

100.0

99.99

8127

No

Pass

2. Traffic Test propojení optickým kabelem

Frame Lenght (Bytes)

Frame Delay Lenght (us)

Cfg Rate

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (%)

Pause detected (frame/sec.)

Pass/fail

64

7,8

100.0

100.0

99.99

148810

No

Pass

1024

30,9

100.0

100.0

99.99

11974

No

Pass

1518

42,6

100.0

100.0

99.99

8128

No

Pass

Lynx – Lynx 1.

Trafic Test propojení 100Mb/s UTP kabelem

Frame Lenght (Bytes)

Frame Delay Lenght (us)

64

Cfg Rate

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (%)

48,5

100.0

100.0

99.99

148792

No

Pass

1024

432,4

100.0

100.0

99.99

11972

No

Pass

1518

630,0

100.0

100.0

99.99

8127

No

Pass

2.

Traffic Test propojení optickým kabelem

Pause Pass/fail detected (frame/sec.)

Frame Lenght (Bytes)

Frame Delay Lenght (us)

64

Cfg Rate

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (%)

Pause detected (frame/sec.)

Pass/fail

12,2

100.0

100.0

10.0

148810

No

Pass

1024

50,6

100.0

100.0

10.0

11974

No

Pass

1518

70,2

100.0

100.0

10.0

8128

No

Pass

DDW vlevo (ip adress 192.168.26.83) : Traffic Test propojení 100Mb/s UTP kabelem

Frame Lenght (Bytes)

Frame Delay Lenght (us)

Cfg Rate

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (%)

Pause detected (frame/sec.)

Pass/fail

64

30,7

100.0

100.0

99.99

148792

No

Pass

1024

261,4

100.0

100.0

99.99

11972

No

Pass

1518

379.9

100.0

100.0

99.99

8127

No

Pass

DDW vpravo (ip adress 192.168.26.84) : Traffic Test propojení 100Mb/s UTP kabelem

Frame Lenght (Bytes)

Frame Delay Lenght (us)

64

Cfg Rate

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (%)

Pause detected (frame/sec.)

Pass/fail

30,7

100.0

100.0

99.99

148792

No

Pass

1024

261,4

100.0

100.0

99.99

11972

No

Pass

1518

379.9

100.0

100.0

99.99

8127

No

Pass

DDW – DDW : Traffic Test propojení 100Mb/s UTP kabelem

Frame Lenght (Bytes)

Frame Delay Lenght (us)

64

Cfg Rate

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (%)

Pause detected (frame/sec.)

Pass/fail

48,7

100.0

100.0

99.99

148792

No

Pass

1024

432,9

100.0

100.0

99.99

11972

No

Pass

1518

630,3

100.0

100.0

100.0

8127

No

Pass

DDW – DDW : Traffic Test propojení SHDSL kabelem

Frame Lenght (Bytes)

Frame Delay Lenght (us)

Cfg Rate

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (Mbps)

Pass Rate (%)

Pause detected (frame/sec.)

Pass/fail

64

968,7

5,0

5,0

5,00

7441

No

Pass

1024

4213,3

5,0

5,0

5,00

599

No

Pass

1518

5885,2

5,0

5,0

5,01

407

No

Pass

Z měření je patrné, že při propojení optickým kabelem je zpoždění signálu menší. Zatímco při délce rámce 64 Bytů je rozdíl cca 20 µs při větším rámci jsou to už řádově stovky mikrosekund.

RFC2544 analýza : prováděná pomocí měřícího přístroje FTB-8500 Series and FTB-8120NGE/8130NGE for FTB-500

LYNX vpravo (ip adress 192.168.26.82) Traffic Test propojení 100Mb/s UTP kabelem

Frame Size

P1-to-P2 - Cut Through (µs)

P2-to-P1 - Cut Through (µs)

64

50,772

51,338

128

40,792

41,254

256

57,819

58,282

512

78,293

78,652

1024

112,501

112,963

1280

132,974

133,437

1518

152,007

152,469

DDW vpravo (ip adress 192.168.26.84) Traffic Test propojení 100Mb/s UTP kabelem

Frame Size

P1-to-P2 - Cut Through (µs)

P2-to-P1 - Cut Through (µs)

64

43,416

43,056

128

41,821

41,461

256

52,109

51,698

512

65,895

65,381

1024

113,529

106,379

1280

134,002

133,590

1518

153,035

152,676

Z výsledků vidíme, že směr signal téměř nemá na časové zpoždění průchodu okruhem. Z nevysvětlitelných důvodů vychází toto zpoždění jinak než u měřícího přístroje Smartclass ethernet 100M – 1G ethernet Tester.

Návrh sítě Při návrhu sítě v průmyslovém prostředí se většinou zabýváme těmito vlastnostmi:  Vlastní výkon sítě – malé zpoždění, jistota doručení packetu  Spolehlivost – životnost zařízení v těžkých podmínkách, redundance  Zabezpečení Za těmito účely používáme průmyslové switche, které tyto vlastnosti splňují nejlépe:  Zpoždění – hodnota latence je většinou velmi nízká – cca 30um, což je o řád menší doba, než potřebuje většina průmyslových aplikací  Spolehlivost – vysoké míry spolehlivosti je dosaženo použitím těchto pokročilých funkcí:  QoS – přidělení vyšší priority klíčové komunikace, která je poté v síti upřednostňována před ostatní (vyšší rychlost, větší konzistentnost)  IGMP Snooping – posílání multicastu pouze na porty směřující na zařízení, kam je určen

 Port mirroring – analýza provozu na jednotlivých portech, které lze využít při následné optimalizaci sítě  Zabezpečení  Port security – definice chování portu v případě připojení neznámého/nežádoucího zařízení  Zabezpečení proti záplavě sítě multicastem/broadcastem  VLAN – logické rozdělení fyzicky spojených sítí; možnost různých konfigurací zabezpečení a možnosti přístupů na různých VLANách; komunikace VLAN mezi sebou možná jen s použitím routeru  Firewall (softwarový) – kontrola veškerých dat procházejících definovaným portem, většinou tím, který zprostředkovává komunikaci mimo lokální síť V průmyslovém ethernetu se nejčastěji používají různé kombinace těchto topologií:  Kruhová

(redundantní)

 Částečně propojená mesh Požitím redundantních linek se zvyšuje pravděpodobnost vzniku smyček. K zabránění tohoto jevu se používají metody RSTP nebo FRNT. RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) Funguje na principu odpojení nadbytečných (tzv. NonDesignated) portů a v případě potřeby jejich opětovného zapnutí. Je definován standardem IEEE 802.1w. Čas konvergence topologie dosahuje pár sekund, což ale může být nedostačující v real-time aplikacích. Používá se v kruhové nebo lépe v mesh topologii. Algoritmus přechodu do konvergovaného stavu obsahuje tyto body:  Monitorování MAC tabulky a hlídání komunikace na portech  Při detekci nových RSTP paketů (BPDU) se switch dovídá o změně topologie  Pamatování alternativní cesty k Root Bridgi (hlavní srovnávací RSTP switch v síti) FRNT (Fast Re-configuration of a Network Topology) Vylepšuje STA (Spanning Tree Algorithm) hlavně v rychlosti konvergence v případě změny topologie. Na rozdíl od RSTP se nerozhoduje na základě BPDU, ale vlastním monitorováním

linek a s Focal Pointem (obdoba Root Bridge) komunikuje přímo. To mimo jiné zkracuje dobu konvergence na desítky milisekund. Dále podporuje rozlehlejší topologie (až 200 switchů kruhu) než RSTP. Je používán pouze v zařízeních Westermo.

Měření konvergence sítě Vytvořili jsme si malou síť kruhové topologie složené z dříve popsaných dvou extenderů a dvou switchů. K jednomu z extenderů jsme připojili SmartClass Ethernet analyzátor pro generování trafficu a na protější straně další analyzátor stejné značky v režimu Loop připojený ke switchi. Oba přístroje jsme po celou dobu testu měli připojené kroucenou dvojlinkou.

RSTP 1. scénář V prvém případě jsme všechny zařízení spojili pomocí UTP kabelů. Po simulované změně topologie trvala konvergence 1,25s v prvním měření a 1,73s v druhém.

2. scénář V případě druhém jsme oba switche spojili redundantně optickými kabely a poté jeden odpojili. V tomto případě byla konvergence velice rychlá. Poprvé jsme naměřili 22,5ms a podruhé 43,8ms.

3. scénář Předchozí měření jsme zopakovali, jen jsme záložní optický kabel nahradili kroucenou dvojlinkou. V tomto případě jsme naměřili 1,7s, což je znatelný rozdíl oproti předchozímu případu. V měření jsme pokračovali a v podstatě zopakovali 1. scénář, výsledek vyšel obdobně – 2,3s.

4. scénář Ve čtvrtém případě jsme extendery spojili přes SHDSL porty. Technologie DSL je sice pomalejší než standardní 100Mbit/s linka, ale má větší dosah bez použití aktivních prvků k zesílení signálu. Protože STP ohodnocuje linky mj. i podle rychlosti, byl právě jeden ze SHDSL portů určen jako Non-Designated. Přesto konvergence proběhla poměrně rychle – za 782ms. To bylo dáno tím, že tento port byl přímo připojen k Root Bridgi. FRNT 1. scénář Stejné zapojení jako v prvním scénáři RSTP. Focal Point, na rozdíl od Root Bridge, začal blokovat svůj vlastní port, což v takhle malé síti určitě zrychlilo konvergenci. Naměřili jsme 8,2ms.

2. scénář Poté jsme spojili switche pomocí optického kabelu. Výsledek se v podstatě nelišil – 8,5ms.

3. scénář Nakonec jsme znovu vyměnili 100Mbit/s mezi extendery za DSL. To konvergenci zpomalilo na 451ms, ale pořád byla rychlejší než u RSTP.

ZÁVĚR Z měření plyne, že při propojení optickým kabelem je zpoždění menší než při propojení metalickým kabelem. Při měření jednotlivých prvků je velikost hodnoty zpoždění přímo úměrná velikosti rámce posílaného z analyzátoru. Při menší velikosti rámce (64 bit) je rozdíl zpoždění mezi metalickým a optickým propojením v desítkách mikrosekund. U větších rámců (1024 bit) se tento rozdíl jeví ve stovkách mikrosekund. Jakmile propojíme 2 prvky, zpoždění se zvýší, ale vždy méně než dvojnásobně. Tato závislost platí, jak pro metalické tak pro optické propojení.

V rychlosti konvergence mezi protokoly RSTP a FRNT vyhrál podle očekávání FRNT a to o tři řády. Výsledky ovlivnila mj. různá volba Non-Designated portu. Použití SHDSL výrazně zvětšilo dobu přerušení okruhu.

Zdroje : User guide FTB-8500 Series and FTB-8120NGE/8130NGE for FTB-500 Boháč, L. - Bezpalec, P. Datové sítě [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=34209 [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=34395

[online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=34198 [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://stest1.etnetera.cz/ad/current/index.php?ctxnh=83169804ce [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=34298 [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.techrentals.com.au [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.e-catalog.beldensolutions.com [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.westermo.net [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.fccps.cz [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.earchiv.cz [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.optickekabely.cz [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.freepatentsonline.com/y2006/0253561.html [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: ftp://ftp.westermo.co.uk/Public/Technical/EQV/WeOS%20Training/FRNT_RSTP.ppt [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.cisco.com/web/strategy/docs/manufacturing/industrial_ethernet.pdf nějaký pdfko… ??? [online]. [cit. 2012-12-03]. Dostupné z: http://www.fccps.cz/img/westermo/DDW-225_app.jpg