Lokális hálózatok és korszerű áramköreik

Lokális hálózatok és korszerű áramköreik DR. HAINZMANN JÁNOS B M E Műszer- és Méréstechnika Tanszók

ÖSSZEFOGLALÁS

DR.

A lokális hálózati illesztések funkcionális bonyolultságá­ nak illusztrálására a cikk az I E E E 802.3 szabványalapján ismerteti a CS C S M A / C D hálózatelórősi eljárást, annak m e g k í v á n t paramétereit ós az ü z e n e t f o r m á t u m o t . A jó ós gazdaságos illesztésekhez L S I , V L S I integrált áramkörökre v a n szükség. V L S I p é l d a k é n t az Intel 82686 L A N társprocesszort ismerteti.

A következőkben a lokális hálózatok L S I , V L S I áramköreit kívánjuk bemutatni. A z áramkörök által n y ú j t o t t szolgáltatások értelmezéséhez és a speciális lokális hálózati integrált áramkörök szükségességének alátámasztásához feltétlenül ki kell térni magukra a lokális hálózatokra is. Nap­ jainkra a lokális hálózatoknak m á r annyi, telje­ sítőképességben és felépítésben különböző változa­ t á t fejlesztették ki, hogy az itt n y ú j t o t t áttekintés, már terjedelmi okokból is, csak nagyon vázlatos lehet. Részletesebben a már régebben kifejlesztett és szélesebb körben elterjedt Ethernet ill. Ether­ nethez hasonló hálózatok működésót ismertetjük, elsősorban az I E E E 802 s z a b v á n y alapján. Azért is ezt a hálózattípust választottuk, mert eddig ehhez fejlesztették ki a legtöbb L S I , V L S I I C - t . E z e k közül az áramkörök közül is itt csak az Intel g y á r t m á n y ú áramkörök áttekintésére van módunk.

1. A lokális hálózatok áttekintése A csak egy épületen vagy telephelyen belüli készülékek közti információátvitelt biztosító adat­ átviteli hálózatokat szokás lokális vagy helyi hálózatoknak nevezni. E z a feladat általában 30—3000 m áthidalását teszi szükségessé. Mivel a lokális hálózat nem halad á t közterületen, csak a felhasználó fennhatósága alá tartozik. A lokális hálózatok jellemzője a kis térbeli kiterjedés mel­ lett, hogy az adatátvitel bit-sorosan történik és az adatátviteli ú t kijelölése ú n . csomagkapcsolással, logikai kapcsolással történik. E z azt jelenti, hogy az áramköri utakat fizikailag nem kapcsolják, hanem az adatátviteli utat logikailag kapcsoljak a rendeltetési állomás címe alapján, mely cím rajta van az á t v i e n d ő adatot tartalmazó információs csomagon, üzeneten. A lokális hálózatokat az angol n y e l v ű elnevezésből származó L A N (Local Area Network) betűszóval szokás illetni. A lokális hálózatokat sokféle szempont — átvi­ teli sebesség, maximális méret és állomásszám, topológia, átviteli közeg, adatkódolás, hálózatelé­ rési eljárás stb. — alapján lehet csoportosítani. B e é r k e z e t t : 1987. I I . 10. (H)

Híradástechnika

XXXIX.

évfolyam,

1988. 2. szám

HAINZMANN JÁNOS

1964-ben végzett a BME Villamosmérnöki Kar műszer és finommechani­ ka szakán. Azóta a BME Műszer és Méréstechnika Tanszéken dolgozik, je­ lenleg adjunktus. 1978ban egyetemi doktori fo­ kozatot szerzett.

A leggyakoribb átviteli közegek (vonalak) a következők: — csavart érpár, általában a kissebességű és kisméretű hálózatokban, — koaxiális kábel, általában a nagyobb sebességű és nagyobb kiterjedésű hálózatokban, — f é n y v e z e t ő kábel, a fejlesztés alatt álló nagy­ sebességű és az elektromágneses zavarokra érzéketlen hálózatokban. A topológiai alapváltozatok, melyek a lépcső­ zetes felépítésű illetve hierarchikus hálózatokban kombináltan is előfordulhatnak, az alábbiak: — csillag — busz — gyűrű Csillag topológiát a vezetékezés és az a d ó - v e v ő áramkörök költségei miatt csak kis t á v o l s á g és kis állomásszám esetén használnak. A legkevesebb v e z e t é k a busz (sín) topológiához kell, és ennél az a d ó - v e v ő áramkörök helyes kialakítása esetén egyik állomás kikapcsolása vagy meghibásodása sem okozza a hálózat megbénulását. A busz rendszerű hálózatoknál egy ú j állomás beiktatása is egyszerűbb, ezért leggyakrabban a busz topo­ lógiát választják. A busz topológiánál a. hálózatelérési eljárásnak biztosítania kell azt, hogy egyidejűleg csak egy állomás t o v á b b í t s o n adatokat a hálózaton keresz­ tül, mert különben az üzenetek összekeverednek, meghibásodnak, amit üzenetütközésnek neveznek. A fontosabb hálózatelérési eljárások a k ö v e t k e z ő k : — centralizált vezérlés — t o k é n passing (vezérjel, zseton továbbadás) — CSMA/CD A centralizált vezérlésnél a hálózat egyik kitün­ tetett állomása vezérli a hozzáférést. E z a kitün­ tetett vagy központi állomás adja meg az üzenet­ adási jogot az egyes állomásoknak egy meghatá­ rozott sorrend szerint. A z üzenetátadási jog á t a d á s a mindig egy központi állomás — közönsé­ ges állomás üzenettel történik, de az üzenetadás 63

már a hálózat bármely k é t állomása közt k ö z v e t ­ lenül v é g b e m e h e t . A z adási jog ilyen t o v á b b a d á s a lassítja a hozzáférést, é s a k ö z p o n t i állomás kiesése az egész hálózat leállását okozza. A vezérjel (tokén) t o v á b b a d á s s a l m ű k ö d ő háló­ z a t o k n á l az egyes állomások egyenrangúak. Nincs k ö z p o n t i állomás, mely a hálózatelérést vezérli. A hálózatra mindig csak az az egyetlen állomás adhat, mely az előző állomástól megkapta a speciális vezér jelet, a tokent, egy rövid vezérlő ü z e n e t formájában. H a van t o v á b b í t a n d ó üzenete, akkor azt a hálózaton keresztül elküldi a rendelte­ tési állomásra, majd u t á n a a tokent t o v á b b a d j a a k ö v e t k e z ő állomásnak. H a nem volt t o v á b b í t a n d ó adat-üzenete, akkor a vezérjelet rögtön t o v á b b í t j a a k ö v e t k e z ő állomásnak. A t o k é n vezérlésű soros busznál a „ k ö v e t k e z ő " egy, a hálózat inicializálásánál kialakított logikai sorrend szerint k ö v e t ­ k e z ő t jelenti, és nem a hálózatra v a l ó felfűzésben térben k ö v e t k e z ő t . A sorrendben legutolsó állomás a tokent visszadja a legelső állomásnak, a t o k é n egy logikai gyűrűben körbejár. Mivel csak egyetlen t o k é n jár körbe, egyidejűleg mindig csak egy állomás adhat. A h á l ó z a t paramétereiből (állomásszám, max. üzenethossz, . . . ) kiszámítható a t o k é n körbejárá­ sához m a x i m á l i s a n szükséges i d ő , ami a hálózat­ elérési i d ő felső korlátját adja. A később ismerte­ tésre kerülő C S M A / C D eljárásnál az elérési i d ő valószínűségi v á l t o z ó jellegű, és nem a d h a t ó meg rá egy ilyen abszolút felső korlát. A szabályozás­ technikai, a real time alkalmazásoknál fontosnak tartják a limitált válaszidőt, ezért előnyben része­ sítik a token-es hálózatelérést a C S M A / C D eljárás­ sal szemben. E z é r t v á l a s z t o t t a pl. a General Motors cég a M A P (Manufacturing Automation Protocol) rendszerében a t o k é n t o v á b b a d á s o s eljárást. Ugyanakkor meg kell jegyezni, hogy a nagyon kihasznált hálózat esetétől eltekintve, a C S M A / C D eljárás rövidebb átlagos elérési i d ő t biztosít.

javítja a hálózat átbocsátóképességét és megbíz­ hatóságát. A kivárási i d ő t az egyes állomások véletlenszerűen választják egy adott időtarto­ mányból. A véletlenszerű kivárási i d ő biztosítja, hogy az ü t k ö z ö t t állomások egy vagy n é h á n y próbálkozás u t á n nagy valószínűséggel nem kerül­ nek ütközésbe.

2. Az I E E E 802 szabvány A lokális hálózati szabványok k é t szempontból fontosak számunkra. E g y adott s z a b v á n y elő­ írásainak betartása lehetővé teszi a különböző gyártók készülékeinek egy közös hálózatba kap­ csolást külön illesztők, átalakítók nélkül. (Felté­ telezve, hogy a s z a b v á n y minden lényeges funkciót lefed, és egyértelmű, vagy legalábbis a különböző gyártók egyformán értelmezik.) Másrészt, ha megszülettek ezek a szabványok, akkor a nagy I C gyártó cégeknek megéri kifejleszteni az L S I , V L S I IC-ket a lokális hálózathoz. E z e n I C - k meg­ jelenése pedig leegyszerűsíti a hardver tervezők munkáját, lecsökkenti a hálózati interfészek költ­ ségét és megnöveli a megbízhatóságot. A C S M A / C D hálózatelérésen alapuló Ethernet lokális h á l ó z a t specifikációjában és a hálózat t á m o g a t á s á b a n terjesztésében három nagy cég, a Xerox, a D E C és az Intel egyezett meg 1980 körül. A z Ethernet típusú hálózatok m ö g ö t t ekkor már t ö b b éves tapasztalat volt, és a t á m o ­ g a t ó k jelentős súlya miatt hamarosan egy de facto s z a b v á n n y á vált. K é s ő b b pedig az alapját képezte az I E E E 802.3 s z a b v á n y n a k . É g y másik, napjainkra szintén de facto szab­ v á n n y á váló hálózatspecifikácíó a General Motors cég M A P (Manufacturing Automation Protocol) előírása. A M A P üzemekben használt lokális hálózatot céloz meg, és egy t o k é n elérésű buszt specifikál. A hálózatelérés az I E E E 802.4 szab­ v á n y szerint történik, de a M A P az adatátviteli modell magasabb rétegeit is specifikálja.

-A C S M A / C D b e t ű n é v az eljárás lényegét leíró Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection (Vivőjel figyelős elérés, ü t k ö z é s detektálással) elnevezés rövidítése. A hálózat állomásai állandóan figyelik azt, hogy a soros buszon van-e üzenet, (ez a v i v őjel figyelés), és csak akkor kezdenek adni, ha a hálózaton nincs m á s állomás által adott ü z e n e t , azaz a soros busz szabad. Mivel az állomá­ sok egyenrangúak, és nincs semmilyen központi vezérlés, előfordulhat, hogy a soros busz szabaddá v á l á s a u t á n k é t vagy t ö b b állomás egyidejűleg kezd adni. A z egyidejű adás h a t á s a képpen mind­ egyik ü z e n e t megsérül, értelmetlenné válik. Az ütközésdetektálás nélküli, egyszerű CSMA rendszerben az adóáramkör csak az üzenetvétel nyugtázásának elmaradásából értesülhet arról, hogy az ütközés miatt az ü z e n e t e t meg kell ismételni. A z ütközésdetektáló egységgel ellátott á l l o m á s o k ' m i n d j á r t az üzenet elején észreveszik, hogy ütközés történt. Ekkor"az adást félbeszakít­ ják, majd'egy kivárási i d ő u t á n újból megkísérlik az üzenet elküldését, ha a busz m á r szabad. A z ü t k ö z ő üzenetek adásának félbeszakítása és az üzenetek automatikus újbóli elküldése jelentősen

E g y t o v á b b i jelölt a de facto standard státuszra az I B M t o k é n gyűrűs hálózata, mely az I E E E 802.5-ön alapul. A különböző nemzeti és nemzetközi szervezetek­ ben is hosszabb ideje dolgoznak lokális hálózati s z a b v á n y o k o n . Ennek egyik legfontosabb ered­ m é n y e az I E E E szervezet 802 számú szabványa, mely más szervezetek s z a b v á n y a i b a (pl. E C M A , ISO) is beépült (4), (6) (9—12). E z e k a szabványok természetesen figyelembe veszik a már kialakult de facto s z a b v á n y o k a t , illetve a de facto standar­ dok eme s z a b v á n y o k speciális implementálásának, kibővítésének tekinthetők. Mivel egy adott hálózatelérési eljárás nem lehet minden alkalmazásban a legkedvezőbb, és a szab­ ványosítás nem tudja figyelmen kívül hagyni a nagy cégek érdekeit, az I E E E 802 szabvány t ö b b ­ féle lokális hálózatot specifikál, az I E E E 802 tulajdonképpen egy szabványcsoport. Az I S O szervezet O S I (Open System Intérconnection) rétegelt adathálózat modelljéhez viszo­ n y í t v a az I E E E 802 s z a b v á n y az O S I k é t legalsó rétegét, a fizikai réteget és az adatkapcsolati

64

Híradástechnika

XXXIX.

évfolyam,

1988. 2. szám

réteget specifikálja (1. ábra). Áz adatkapcsolati réteget k é t alrétegre bontja. A k ü l ö n b ö z ő háló­ zatokban közös részt a logikai adatkapcsolatot vezérlő alrétegbe ( L L O , Logical L i n k Control) fogja össze, és ezt írja le az I E E E 802.2 s z a b v á n y .

3.

Hálózati réteg ( Neiwork

IEEE

toyer )

802.2 2.

Adatkapcsolati ré teg I Oata

8 0 2.3 to ken

tokén

[vezérj i

gyűrű

busz

f ring )

CSMA/CD busz

link

layerl

nagyvá­ rosi

1

há­

Fizikoi réteg fPhysicol

lózat

ronthatják a hálózat kábelének átviteli tulajdon­ ságait, (pl. zavaró reflexiók léphetnek fel), ezért az a d ó - v e v ő áramköröket közvetlenül a kábel mellé kell helyezni. A készülék a n é h á n y méteres kábelen keresztül az a d ó - v e v ő áramkörhöz csatla­ kozik. E z a c s a t l a k o z á s i i e l ü l e t a z A U I (Attachment U n i t Interface). E n n e k megfelelően az I E E E 802.3 s z a b v á n y külön specifikálja az M A U (Médium Attachment Unit) átviteli k ö z e g csatoló egységet, mely tartalmazza az a d ó - v e v ő áramköröket (PMA, Physical M é d i u m Attachment), az átviteli közeg (soros busz) é s az a d ó - v e v ő áramkörök k ö z t i interfészt (MDI, Médium Dependent Interface) és az a d ó - v e v ő áramkörök és a készülék közti A U I interfészt (2. ábra). A készüléknek az a d ó - v e v ő áramkör felőli interfész jeleit generáló része, mint a P L S (Physical Signaling) réteg kerül specifikálásra. A P L S rész lényegében az a d ó t k ó d o l á s t és dekódolást végzi, és az A U I interfészen előírt jelszinteket állítja elő.

layer)

3. A lokális hálózat üzenetformátuma IEEE

802

ISO

szabvány

OSI modell

IH 310-11

/, ábra. A z T E E E 802 s z a b v á n y felépítése

Az adatkapcsolati réteg hálózatelérési eljárástól f ü g g ő részét, a M A C (Media Access Control) átvi­ teli közeg elérési alréteget, egy-egy külön szab­ v á n y b a (802.3—802.5) fogja össze a megfelelő hálózat fizikai rétegével e g y ü t t . E z e k közül a t o v á b b i a k b a n a 802.3 szabvánnyal foglalkozunk, mert jelenleg ennek alkalmazása a legelterjedtebb. Az I E E E 802.3 s z a b v á n y 1—20 Mbit/s sebes­ ségű, C S M A / C D eljárást alkalmazó lokális háló­ zatok számára készült. A s z a b v á n y b a n a fizikai réteg is t ö b b részben kerül specifikálásra. A háló­ zat átviteli közege (pl. koaxiális kábel) különféle gyakorlati okokból sok esetben nem megy keresz­ tül a hálózatba kapcsolt készüléken (adatvégbe­ rendezésen), hanem a t t ó l n é h á n y méterre, fixen a falra, mennyezetre stb. rögzítve fut. A n é h á n y méter hosszú, egyszerű leágazások jelentősen el-

A megfelelő üzenetformátum előállítását, az á t v i e n ­ d ő adat becsomagolását (encapsulation), a M A C alréteg végzi. A z I E E E 802.3 s z a b v á n y b a n előírt ü z e n e t f o r m á t u m (MAC Frame F o r m á t ) a 3. ábrán látható. A z üzenet elején a preamble egy 101010. . . bitsorozat, mely lehetővé teszi a vevőáramkörök szinkronizálódását, és ezzel a vett jel helyes dekódolását. A hálózat soros v o n a l á n Manchester­ kódolást alkalmaznak, és a v e v ő - d e k ó d o l ó áram­ körnek a helyes szinkronizálódáshoz olyan bit­ mintára van szüksége, melynél a kódolt jelben minden bithez csak egy jelváltás tartozik. A z 1 0 1 0 . . . adatminta megfelel ennek. A preamble v é g é n k ü l d ö t t S F D byte jelzi a valódi üzenet

—i 7

1 byte

2/6

AcJotkap csolűti réteg

SFD

(kezdetjeU

Destination

1

byte

DTE

Preamble

byte

Address

(rendeltetési

2/6

Source

byte

(küldő állomás

cim)

Address cime )

átvitel

( Adatvégberende2es }

2

byte

Length (adatmező

PLS

46-1500

LLC

Data

(adatmező)

byte

Fizikai réteg

U byte

Frame Check (ellenőrző

Átviteli

közeg

kód)

H 310-3

2. ábra. Az I E E E 802.3 részei

XXXIX.

Sequence

I médium J

[H31Ö^1

Híradástechnika

iránya hossza)

évfolyam,

1988. 2. szám

3. ábra. Az I E E E 802.3 ü z e n e t f o r m á t u m a

65

kezdetét. A z állomáscímek implementáció-függőén 2 vagy 6 byte hosszúságúak. A rendeltetési címnél csoportcímek is megadhatók. A csoportcím speciális esete a „broadcast" cím, mely a hálózat összes állomását jelenti, a „broadcast" üzenetet minden állomás veszi. A z üzenet v é g é n k ü l d ö t t ellenőrző kóddal az a d a t á t v i t e l hibátlanságát lehet ellenőrizni. Ennek a C R C k ó d n a k a generáló polinomja: G(X)=X +X™+X +X +X +X™+X +X +X +X +X +X +X +X +1 32

11

10

23

8

7

22

5

ütközésdetektáló áramkör tehetetlenségi idejét. A körbefutási i d ő meghatározásánál természetesen az egyes hálózatszegmenseket összekötő jelismétlő (repeater) áramkörök késleltetési idejét is figye­ lembe kell venni. K e v é s átviendő adat esetén az előírt üzenethosszat az a d a t m e z ő valamilyen üres adattal történő kiegészítésével („pad") érik el. Azért, hogy egy állomás ne foglalhassa le hosszú időre a hálózatot, célszerű a maximális üzenethosszat is specifikálni.

+ +

16

i

2

4. A CSMA/CD eljárás implementálása A C S M A / C D hálózatelérési eljárás lényegét a 1. pontban már v á z o l t u k . A z eljárás h a t é k o n y működéséhez megfelelő időzítési előírásokat is be kell tartani. A z interfész egység feladatainak illusztrálására ezeket röviden felsoroljuk és az 1. t á b l á z a t b a n megadjuk a 10 Mbit/s sebességű implementáció, az Ethernet előírásait. A z e g y m á s utáni üzenetek m e g b í z h a t ó szét­ választása céljából az üzenetek közt meghatáro­ zott n a g y s á g ú jelszünetnek (interframe gap) kell lennie. E z é r t , h a egy állomásnak t o v á b b í t a n d ó üzenete van, akkor a soros busz szabaddá válása u t á n , (amit a v i v ő jel-érzékelő észlel), csak az előírt üzenetszünetnek megfelelő késleltetéssel kezdhet adni. A késleltetés közben azonban már nem szabad figyelembe venni a vivőjel-érzékelő állapotát.

ütközés A

üzenete

H310-A 4. ábra. T ú l rövid üzenet h a t á s a

A z üzenetek nem lehetnek egy adott értéknél rövidebbek, mert akkor az adóállomás esetleg nem érzékeli, hogy az üzenet a hálózat valamelyik szakaszán ütközésben került. Képzeljünk el pél­ dául k é t állomást (A és B), melyek a soros busz k é t v é g é n helyezkednekel, é s egyidejűleg adnak egy, a soros busz jelterjedési idejénél (t g) rövidebb üze­ netet (4. ábra). E z esetben egyik adóállomás sem érzékelné az ütközést, mert mire a másik adó jele h o z z á elérkezik, akkorra az ü z e n e t a d á s t már befejezte. Ugyanakkor a k é t üzenet a soros busz középső részén találkozik és ütközésbe kerül, és az ott l é v ő címzett (pl. a C állomás) számára az üzenet érthetetlen. A legkedvezőtlenebb esetet figyelembe v é v e , a minimális üzenethossznak meg kell haladnia a jelnek a soros buszon mindkét irányban t ö r t é n ő teljes végigfutási idejét (körbe­ futási idő, round-trip delay), hozzáadva m é g az

A z ütközés észlelésekor az állomás nem hagyhat­ ja abba azonnal az adást, azt az ütközés hangsú­ lyozása céljából m é g egy rövid ideig folytatni kell. E z azért szükséges, hogy az ütközésérzékelő áramkörök paraméterszórásait is figyelembe véve, mindegyik adóállomás biztosan érzékelje az ütkö­ zést. A z ütközéshangsúlyozási i d ő t nevezik m é g jam időnek (jam time), ütközésforszolási időnek. É r t é k é t ú g y választják meg, hogy biztosan na­ gyobb legyen, mint az ütközésórzékelő áramkörök tehetetlenségi, megszólalási ideje. A z ütközés u t á n az állomás egy várakozási idő leteltével kísérli meg ismét az üzenetet elkül­ deni (5. ábra). A hálózat állomásai az ütközés u t á n i ismételt adási szándéknál biztosan nem kerül­ nek ütközésbe, (az egyik állomás sikeresen elküldi az üzenetét, a t ö b b i pedig a busz foglaltságának érzékelése miatt nem kezd adni), ha az egyes állomások kivárási ideje közti különbség nagyobb a résidőnek (slot time) nevezett időegységnél. A várakozási i d ő t ezért a résidő egész számú többszörösének választják. A z időviszonyok elem­ zésével belátható, hogy a résidő nem más, mint a minimális üzenethossznál már e m l í t e t t körbefutási idő hozzáadva m é g az ütközéshangsúlyozási időt. Általános esetben kis átlagos elérési időt és nagy hasznos átviteli sebességet kapunk akkor, ha a s z a b v á n y b a n is előírt, „truncated binary exponential backoff" algoritmus szerint választjuk ki a várakozási időket. E szerint az ütközés utáni n-edik adási kísérletnél a várakozási i d ő a résidő

66

Híradástechnika

1. A hálózatelérési eljárás paraméterei az IEEE szerint, 10 Mbit/s átvitelnél Üzenetek közti szünet Minimális üzenethossz Maximális üzenethossz J a m idő R é s i d ő (slot time) Próbálkozások száma M e g j e g y z é s : 1 b i t i d ő = 0 , l /*s

táblázat 802.3

min. 9,6 /«s ' 512 bit = 64 byte 1518 byte 32 bitidő 512 bitidő max, 16

c

XXXIX.

évfolyam,

1988. 2. szám

r-szerese, és r egy egyenletes eloszlású v é l e t l e n egész szám a 0 . . . (2*—1) t a r t o m á n y b a n , ahol & = min (n, 10). Magyarán, az első kísérletnél az r 0 vagy 1 lehet, a második kísérletnél 0 , 1 , 2 vagy 3, a harmadiknál 0, 1, 2 . . . 7 és í g y t o v á b b , de az r t a r t o m á n y a maximum (2 —l)-ig növekszik. Az r generálásánál ügyelni kell arra, hogy az egyes állomásokban előállított véletlen számok k ö z t ne legyen korreláció. 10

(

Elküldendő üzenet

üzenet keretezés

a l a k í t o t t a k i az Intel cég a ,,Bitbus" egyszerű ipari hálózatot. A közepes sebességű, h a t é k o n y protokollokat használó L A N csatolókhoz azonban már feltétle­ nül L S I elemeket is kell használni, az elfogadható méret és ár eléréséhez. E r r e saját fejlesztési gyakor­ latunkból hoznék példát, az M M M T — H N S lokális h á l ó z a t kialakítását (7). Az M M T — H N S h á l ó z a t alkalmazási területén (pl. mérőkészülékek é s mikroszámítógépek háló­ zatba kapcsolása) a n é h á n y száz kbit/s á t v i t e l i sebesség elegendő, ezért jelenleg egy 125 kbit/s és egy 0,75 Mbit/s sebességű v á l t o z a t o t implementál­ tunk. Ebben a s e b e s s é g t a r t o m á n y b a n m é g nem kell speciális koaxiális kábel, és az a d ó - v e v ő áram­ körök is egyszerűbben és olcsóbban realizálhatók. A z M M T — H N S egy hierarchikus hálózati rend­ szer. A l h á l ó z a t o k b a n centrális vezérlést is l e h e t ő v é tesz, a magasabb szinten C S M A / C D hálózatelérési eljárást alkalmaz. A hálózat fejlesztésének meg­ kezdésekor m é g nem voltak elérhetők a speciális L A N vezérlő I C - k , de s z á m í t o t t u n k ezek megjele­ nésére, és ezért i g y e k e z t ü n k a h á l ó z a t o t minél jobban illeszteni az akkoriban készülő I E E E 802 s z a b v á n y t e r v e z e t h e z . A z adatkapcsolat vezérlése ( L L C ) az I E E E 802.2 s z a b v á n y n a k megfelelően történik. A C S M A / C D hálózatelérési procedúra (MAC) logikailag az I E E E 802.3 s z a b v á n y t k ö ­ veti, de a konkrét paraméterek a kisebb sebesség és a nagyobb hálózathossz, valamint a felhasznált L S I I C tulajdonságai miatt mások. A hálózatba k ö t e n d ő készülékek egy részénél lehetőség van a készülék mikroprocesszoros bu­ szára csatlakozni. Ahol erre nincs m ó d , oda egy különálló, esetleg a készülékbe is beépíthető mikroprocesszoros csatoló egységet terveztünk, mely a készülékhez egy s z a b v á n y o s V24/RS232 soros interfészen keresztül vagy párhuzamos por­ ton keresztül csatlakozik.

5. ábra. A C S M A / C D eljárás folyamatábrája

5. L A N illesztők áramköri felépítése A kissebességű, egyszerű protokollokat használó hálózatok interfészei m é g viszonylag egyszerűen felépíthetők általános célú M S I integrált áramkö­ rökből is, de gazdasági és megbízhatósági megfon­ tolásokból itt is célszerű L S I elemeket használni. Egyszerűbb hálózatoknál előfordul, hogy az illesztő már nem is egy külön I C , hanem össze van integ­ rálva a mikroprocesszorral, mikro vezérlővel. J ó példa erre a Philips MAB8400 mikroprocesszor, vagy az Intel 8044 típusú mikrovezérlő. A z MAB8400 egy IKi busz interfészt tartalmaz. A z P C busz kissebességű, rövid (10 m) hálózat. A 8044 típus a jól bevált 8051 mikrovezérlő kiegészí­ tése egy soros kommunikációs interfésszel, mely a H D L C / S D L C protokollt támogatja. E z u t ó b b i v a l Híradástechnika

XXXIX.

évfolyam,

1988. 2. szám

H a mikroprocesszor áll rendelkezésre, rögtön felmerül az a gondolat, hogy a hálózatelérési eljárás és az a d a t v é d e l e m lehető legnagyobb részét szoftver segítségével implementáljuk. E z esetben ugyanis a hardver nagyon egyszerű lehet. E z t a lehetőséget m e g v i z s g á l v a megállapítottuk, hogy m á r 100 kbit/s sebességű átvitelnél, egy közönséges 8 bites processzorral (pl. Z80) a teljesen szoftver implementálás gyakorlatilag használha­ tatlan. Például egy 16 bites soros C R C k ó d generá­ lása, 2 MHz-es Z80 processzort feltételezve, csak kb. 25 kbit/s sebességgel történhet. (A byte-soros generálás ugyan gyorsabb, de a hibavédelmet rontja.) Miután e g y é r t e l m ű v é v á l t , hogy a funkciók egy részét feltétlenül hardverben kell realizálni, minél nagyobb integráltságú és emellett k ö n n y e n beszerezhető elemeket kerestünk erre a célra. Végül is a Z 8 0 — S I O I C bizonyult a számunkra legkedvezőbbnek. ( E z az I C szocialista relációban is beszerezhető.) A Z 8 0 — S I O I C t á m o g a t j a a H D L C / S D L C protokollt, ami alkalmas lokális hálózatokban történő felhasználásra is. A H D L C / S D L C üzenetformátum a 6. ábrán látható. A H D L C / S D L C formátum n y i t ó flagje 67

betöltheti a preambíe es a kezdetjei funkcióját. A címmezőben a rendeltetési állomás címe van. E n n é l is értelmezve van a minden állomás számára érvényes, „broadcast" c í m , ami a csupa 1 értékű bitet t a r t a l m a z ó c í m . H a a Control mezőben és az a d a t m e z ő elején elhelyezzük a küldő állomás címét ós az üzenethosszra v o n a t k o z ó információt, akkor az üzenet logikailag hasonló lesz az I E E E 802.3 üzenetformátumához.

8

bit

bit

8

bit

Nyitó

flag

Címmező

Control

mező továbbítás

Adatmező

16

bit

Ellenőrző

6

bit

Záró

iránya

kód

flag

H 310-6 6. ábra. A H D L C / S D L C ü z e n e t f o r m á t u m

A Z802.3—SIO I C a C R C ellenőrző kódot adáskor automatikusan hardverben generálja, vételkor pedig szintén generálja és ellenőrzi. Ü z e n e t v é t e l ­ nél elvégzi a címösszehasonlítást, és a megfelelő ü z e m m ó d beállításánál csak a beprogramozott saját címre és a „broadcaast" címre érkező üze­ neteket veszi.

6. VLSI LÁN illesztés Mint azt az előzőekben már említettük, nagy teljesítményű L A N illesztések gyakorlatilag már csak speciális L S I , V L S I áramkörökkel realizál­ hatók. E z e k alkalmazása azonban kisebb teljesít­ m é n y ű hálózatokban is indokolt lehet, mert teher­ mentesítik a host processzort, és a költségeket is csökkenthetik. A felmerülő igények kielégítésére az I C g y á r t ó k az utóbbi 1—-2 évben felvették választékukba a L A N illesztő IC-ket illetve I C készleteket. E z e k közül a fontosabbak az alábbiak: — Intel I C készlet az I E E E 802.3 szerinti (CSMA/ /CD) hálózatokhoz: 82586 L A N Coprocessor 82588 Single Chip L A N Controller 82501 Ethernet Serial Interface 82C502 Ethernet Tranceiver Chip — Advanced Micro Devices I C készlete I E E E 802.3 szerinti hálózatokhoz: Am7990 L A N Network Controller ( L A N C E ) Am799lA/92A Serial Interface Adapter Am7995 Ethernet Tranciever — Texas Instruments TMS380 I C készlet az I B M Tokén Ring hálózathoz (TMS38051, TMS38052 Ring interface, TMS38020 Protocl Handler, TMS38010 Communication Processor, T M S 38030 System Interface) — Motorola MC68824 T o k é n Bus Controller az I E E E 802.4 szerinti t o k é n vezérlésű hálózathoz Mint azt a bevezetőben már indokoltuk, most csak a C S M A / C D illesztéseket ismertetjük. Mind az Intel, mind az A m chip készlet hasonló módon particionálja a L A N illesztést (7. ábra). A lokális hálózat kábeléhez egy tranciever csatlakozik, mely tartalmazza a nagy bemenő ellenállású (100 kOhm) vevőáramkört, a buszmeg­ hajtó áramkört és az ütközésérzékelő áramkört. Az ütközésérzékelő a jelamplitudót ellenőrzi; ha k é t vagy t ö b b a d ó ad a soros buszra, akkor a jelamplitudó t ö b b mint 50%-kai meghaladja a névleges értéket, és ezt érzékeli a tranceiver. A tranceivert a soros interfész áramkörrel, a jó zavarvédettség érdekében szimmetrikus vonal, sodrott érpár köti össze. Ennek az AUI interfésznek a jelei:

A Z 8 0 — S I O IC-be integrált funkciókat kihasz­ n á l v a a L A N illesztő egységet sikerült egy egy­ szeres szélességű E U R Ó P A kártyára felépíteni. A z L L C réteget és a backoff algoritmust a host mikroprocesszor implementálja szoftverben, a M A C réteg többi időzítési funkcióját és az adat­ kódolást, ütközésdetektálást M S I , S S I elemekkel realizáltuk. Elkészítettük az önálló mikropro­ cesszoros L A N illesztő k á r t y á t is, melynek mérete természetesen nagyobb. A tervezett alkalmazások­ ban a hálózattal k e d v e z ő tapasztalatokat szerez­ tünk. Megvizsgáltuk, hogy az é l ő b b e m l í t e t t illesztés hogyan viselkedik élénk adatforgalmú állomás esetén. Megállapítottuk, hogy a 0,75 Mbit/s sebes­ ségű hálózatnál a hálózatelérés, az üzenetkezelés a Z80 processzort m á r nagymértékben leterheli és ilyenkor a külön processzoros v á l t o z a t o t cél­ szerű használni. A z átviteli sebességet, az állomás adatforgalmát pedig csak akkcr lehet növelni, ha intelligensebb, nagyobb integráltságú L A N vezérlő I C - t alkalmazunk.

A soros interfész áramkör (Intel 82501 vagy Am7991/92) tartalmazza a Manchester kódoló és dekódoló áramköröket, és a L A N vezérlő IC-hez már normál logikai jelszintekkel csatlakozik. Meg­ jegyezzük, hogy kisebb hálózatoknál előfordul, hogy a költségek csökkentésére a trancievert a készülékben helyezik el (pl. Cheapernet), de a galvanikus elválasztás igénye miatt a tranceiver^

68

Híradástechnika

— adandó adat — vett adat — ütközés a soros buszon Az adatjelek Manchester kódolásúak, éppúgy, mint a soros buszon, az ütközésérzékelésnél pedig a tranceiver egy 10 MHz-es négyszögjelet ad. E z a jelkódolás lehetővé teszi a transzformátoros csatolást, ami megoldja az illesztett készülék és a lokális hálózat közti galvanikus elválasztást.

XXXIX.

évfolyam,

1988. 2. szám

és a soros interfész áramkört nem integrálják egy tokba. A z Am7990 ( L A N C E ) LAN vezérlő az Ethernet, Oheapernet v á l t o z a t o t (lOMbit/s) implementálja az I E E E 802.3-ból. A z Intel választékában kétféle L A N controller is található. A 82588 egy kisebb sebességű vezérlő, max. 5 Mbit/s sebességig hasz­ nálható külső soros interfész áramkörrel. A 2 Mbit/s sebességig viszont kihasználható az IC-be integrált Manchester kódoló-dekódoló áramkör. E g y soros busz foglaltság-figyelő és egy ütközésérzékelő logika is be van építve, mely utóbbi az a d a n d ó jel és a vonalon érzékelt jel logikai összeha­ sonlításával működik. A Manchester kódolás szabá­ lyait megsértő jeleket is ütközésnek tudja érzé­ kelni. E z utóbbi funkciók kihasználásával a kisebb i g é n y ű hálózatok olcsóbbak realizálhatók. A z Intel 82586 L A N társprocesszor viszont egy nagyon intelligens, gyors L A N vezérlő, mely nem csak a 10 Mbit/s sebességű hálózatokban használ­ h a t ó , hanem a kisebb sebességű és eltérő protokollú hálózatokban is.

mikroprogramozott parancs e g y s é g vezérli. E z a k é t e g y s é g egyidejűleg is tud funkcionálni. A rendszervezérlő processzorral a kapcsolatot a közös memória területen keresztül és az Interupt és Channel Attention vonalakkal tartja. ( E z utóbbi k é t vonal a 8. ábrán nincs külön f e l t ü n t e t v e . )

LAN

felé

Ado interf.

Vevő interf

Mikroutosítás

20

16 byte FIFO

16 byte FIFO

Parancs (Command I egység

Adat interf. egység

A 82586 L A N társprocesszor funkcionális t ö m b ­ v á z l a t a a 8. ábrán l á t h a t ó . A nagy átviteli sebes­ ség miatt a soros interfész felőli csatlakozásnál 16 byte kapacitású Í T F O puffer van beiktatva mind az adó, mind a v é t e l ágba. A z ü z e n e t v é t e l t a mikroprogramozott v é t e l egység, az adást a

ROM

Vétel (Receive) egység

16

MUX

DMA vezérlő 14 csatorna)

Busz interfész egység

Cím legfelső bitjei

Rendszer ó r o «•, és vezérlő jelek

LAN SOROS BUSZ

"i—r

16

Adó-yeyő ó romkor ütközésérzékelővel (Pl. Intel &2C502)

MAU

Multiplexeit odat és cím

( R E N D S Z E R

AUI

KÉSZÜLÉK Soros interfész^ kódoló/dekódoló (Pl. Intel 82501)

LAN vezérlő (Pl. Intel 82586)

CPU

PLS

MAC

""1

Készülékbusz

Memória

Egyéb készülék-erőforrás

EH3! 7. ábra. V L S I L A N illesztés v á z l a t a

Híradástechnika

XXXIX.

évfolyam,

1988. 2. szám

B U S Z )

|H3lO-8|

8. ábra. Az Intel 82586 társprocesszor t ö m b v á z l a t a

A 82586 tulajdonságainak, működésének rész­ letes ismertetésére itt nincs m ó d , csak n é h á n y fontosabb, érdekesebb tulajdonságát emeljük k i . A 82586 minden külön kiegészítés nélkül csat­ l a k o z t a t h a t ó a 82186, 82188 processzorokhoz, de más 8 vagy 16 bites processzorokhoz is egyszerűen csatlakoztatható. J ó memória kihasználással dolgozik, képes a memória blokkok automatikus linkelésére, ezért nem kell a maximális üzenethossznak megfelelő méretű puffereket kijelölni. A hálózatelérés ós az üzenetformátum paramé­ terei programozhatók, mint például a preamble és a cím hossza, az üzenetek közti szünet hossza, a minimális üzenethossz, a résidő nagysága, a próbál­ kozások száma, 16 vagy 32 bites ellenőrző k ó d stb. A felhasználás megkönnyítésére a default értékek az Ethernetnek megfelelőek. A 82586 integrált áramkörnek b e é p í t e t t önteszt funkciói is vannak. A z I C külső csatlakozásainak m e g b o n t á s a nélkül ki tud alakítani egy belső visszavezetést (internál loopback), amikor is az 69

adóinterfész az adás-adat jelet nem adja k i a tranceiver chip felé, hanem belül a vevőinterfészre kapcsolja, és ezzel az IC-ben a majdnem teljes adási és vételi a d a t ú t ellenőrizhető. A „ D i a g n o s e " utasí­ t á s hatására külön öntesztet végez a backoff algoritmus áramkörein. A „ D u m p " utasítás pedig a belső regiszterek t a r t a l m á t (több, mint 100 byte) átírja a memóriába. A lokális hálózat vizsgálatát, ellenőrzését elő­ segítő funkciókat is tartalmaz a társprocesszor. Többek k ö z ö t t regisztrálja az adott üzenet elkül­ désénél t ö r t é n ő ütközések számát, kiolvasható a sérült keretezésű vagy hibás ellenőrző kóddal (CRC) vett üzenetek száma. Az ún. Promiscuous ü z e m m ó d b a n , a rendeltetési címtől függetlenül, a hálózatra kerülő összes ü z e n e t e t veszi. A beépített T D R (Time Domain Reflectometer) funkció a hálózat kábelének meghibásodási helyét segít megkeresni. A T D R funkció megméri, hogy a kábel szakadása vagy rövidzára k ö v e t k e z t é b e n reflektált jel mennyi idő m ú l v a érkezik vissza az állomáshoz, és a mért időből egyszerűen kiszámít­ h a t ó a hibahely hozzávetőleges távolsága. IRODALOM [1] Metcalf, R. M., Boggs, D. R.: Ethernet: Distributed Packet Switching for L o c a l Computer Networks. Com. A C M , Vol. 19 (1976), No 7, pp 395—404

[2] Crane, R.: Ethernet designer's guide. Microprocessors, Vol. 6 (1982), No. 8, pp. 405—412. [3] Stieglitz, M.: L o c a l Network Access Tradeoffs Comp. Des., 1981., No. 10, pp. 163—168. [4] Fromm, I.: Local Area Networks ( L A N ) — lokale Netze. Elektroniker, 1985, No. 11, pp. 65—70. [5] Dr. Sebestyén Béla: A l a p s á v ú hálózatok. Számítás­ technika, 1985, No. 12, p. 3. [6] Dr. Sebestyén Béla: S z a b v á n y o s í t á s (Helyi háló­ zatok V I I . ) Számítástechnika, 1986, No. 2, pp. 2, 20. [7] Máthé János: Az H N S helyi hálózati rendszer. Magyar elektronika, Vol. 2. (1985), No. 3, pp. 23—29. [8] Mazgon Sándor—Huszty Gábor—Rajkai György: A z I S D N mint új fogalom. Magyar elektronika, Vol. 3 (1986), No. 4, pp. 42—53. [9] A N S I / I E E E Std. 802.2—1985. Logical L i n k Control [10] A N S I / I E E E Std 802.3—1985: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD). [11] A N S I / I E E E Std 802.4—1985: Token-Passing Bus Access Method and Physical L a y e r Specifications. [12] A N S I / I E E E Std 802.5—1985: T o k é n R i n g Access Method and Physical L a y e r Specifications. [13] Webb, M.: Build a V L S I - b a s e d Workstation for the Ethernet Enviroment. E D N , 1984, Febr. 23. [14] Dahlberg, B., Gopen, Gh.: V L S I Solutions for Tiered Office Networks; Intel, 1984.3 [15] Dahlberg, B.: Chips Support Two Local Area Networks. Comp. Des., 1981., No. 6. [16] Dr. Sebestyén Béla: H e l y i számítógép-hálózatok. Műszaki K ö n y v k i a d ó , 1987