Systémy pro sběr a přenos dat
• počítačové sítě (Ethernet) v SPD aplikacích
Počítačové sítě a PDS
Obecná charakteristika – byly navrhovány pro kancelářské prostředí – především pro aplikace sdílení prostředků a zdrojů – jsou optimalizovány pro přenos velkého množství dat • dlouhé rámce linkové vrstvy • přenosová rychlost je obvykle vysoká (desítky až stovky Mbit/s) • velké množství režijní informace – problematické pro malé bloky dat
Počítačová síť (LAN) – nejrozšířenější standard (Ethernet) využívá náhodný přístup metodou CSMA/CD • není zaručeno doručení linkového rámce v reálném čase • dosažení krátkých a definovaných odezev není za standardních podmínek zajištěno
– zotavení se z chyb je implementováno ve vyšších vrstvách • tedy SW a pomalé
ARCNet
Rozšířil se zejména v průmyslových aplikacích Standardizován ANSI/ATA 878.7 – 1992 (aktualizován 1999) Fyzická vrstva – nejběžnější je koaxiální kabel s impedancí 93 • sběrnicová topologie, bez opakovačů až 300 m • hvězdicová topologie s aktivním centrálním prvkem umožňuje rozsah až 600 m – kroucená dvoulinka • sběrnicová topologie, max. 8 uzlů, rozsah do 130 m • alternativně je možno použít variantu EIA/TIA 485 – optické vlákno • jedno i mnohavidová • vzdálenost až několik km – signalizace využívá tzv. dipulsy – log. 1, absence dipulsu – log. 0
ARCNet
Linková vrstva – každý uzel má unikátní adresu (MAC ID) – řízení přístupu k médiu metodou Token-Passing • rámec ITT (Invitation To Transmit) • vlastník smí odeslat jeden datový rámec
– nově přidaný uzel zaruší rámec ITT a vyvolá tak nové vytvoření logického kruhu • iniciuje účastník s nejkratším timeoutem
– při vyjmutí uzlu jeho předchůdce vyhledá nového následníka – vyslání datového rámce PAC (Packet) předchází dotaz FBE (Free Buffer Enquiry) na schopnost příjemce jej přijmout • pozitivní (ACK – Acknowledgement) nebo negativní (NAK – Negative Acknowledgement )
ARCNet
Struktura linkového rámce SD
– – – – – – – –
SOH
SID
DID
DID
CP
SC
Data
SD (Start Delimiter), 6 x log. 1 – synchronizační sekvence SOH (Start Of Header), úvodní řídicí znak SID (Source Identification), adresa odesilatele DID (Destination Identification), adresa příjemce CP (Continuation Pointer), délka rámce SC (System Code), identifikuje protokol vyšších vrstev DATA, datové pole FCS (Frame Check Sequence), CRC16
Protokoly vyšších vrstev nejsou standardem definovány – obvykle TCP/IP + ???
FCS
Ethernet
Vznikl počátkem 70. let u firmy Xerox Varianta 10 Mbit/s vznikla ve spolupráci s DEC a Intel Později standardizován v rámci standardu IEEE 802, konkrétně 802.2 (podvrstva LLC – Logical Link Control) a 802.3 (podvrstva MAC – Medium Access Control) Existuje mnoho variant – různé fyzické topologie a přenosové rychlosti – shodná metoda řízení přístupu k médiu a formát rámce – mimo standard IEEE802 existují další formáty rámců
Jednotlivé varianty standardizovány jako IEEE802.3xx, kde xx je jedno či dvou písmenné označení – např. klasický 10Base2 je značen 802.3a – gigabitový Ethernet 1000Base-T je značen 802.3ab
Ethernet
Klasický Ethernet – přenosová rychlost 10 Mbit/s – 10Base5, tzv. tlustý (thick) koaxiální kabel • impedance 50 , sběrnice je zakončena terminátory • maximální délka segmentu 500 m, lze využít až 2 opakovače • uzly připojovány prostřednictvím samostatného budiče (MAU – Medium Attachment Unit), ten je k síťové kartě připojen prostřednictvím rozhraní AUI (Attachment Unit Interface) kabelem s délkou až 50 m • maximálně 100 uzlů v segmentu • obtížná instalace – neohebný kabel, drahé, dnes se již nepoužívá
– 10Base-F • dvojice mnohavidových optických vláken • transceiver (konvertuje elektrický signál na optický a zpět) je připojen prostřednictvím AUI • hvězdicová topologie, délka segmentu max. 2 km • možnost plně duplexní komunikace
Ethernet – 10Base2, tzv. tenký (thin) koaxiální kabel • impedance 50 , sběrnice je zakončena terminátory • maximální délka segmentu 185 m, lze využít až 2 opakovače • uzly připojovány prostřednictvím BNC-T konektoru, budič je součástí síťové karty – není zde žádné přípojné vedení
• maximálně 30 uzlů v segmentu • dnes se již nepoužívá, může dožívat
– 10Base-T, využívá kroucené páry kategorie 3 • tzv. strukturovaná kabeláž • hvězdicová struktura s centrálním prvkem – fyzický segment až 100 m, uzel centrální prvek
• pro každý směr komunikace separátní kroucený pár • možnost plně duplexní komunikace
Ethernet
Fast Ethernet - přenosová rychlost 100 Mbit/s – 100Base-TX • využívá kroucené páry kategorie 5 s impedancí 100 • hvězdicová topologie s centrálním prvkem • max. délka fyzického segmentu 100 m, uzel centrální prvek • maximální délka kolizního segmentu 210 m • možnost plně duplexní komunikace
– 100Base-T2 • vystačí s kroucenou dvoulinkou kategorie 3 • segment max. délky 100 m, uzel centrální prvek • využívá 2 páry kabelu • není příliš rozšířen (nasazoval se ve starých budovách vybavených strukturovanou kabeláží kategorie 3)
Ethernet – 100Base-T4 • vystačí s kroucenou dvoulinkou kategorie 3 • segment max. délky 100 m, uzel centrální prvek • využívá všechny 4 páry kabelu (3 pro data, 1 pro detekci kolizí) • není příliš rozšířen (nasazoval se ve starých budovách vybavených strukturovanou kabeláží kategorie 3)
– 100Base-FX • dvojice optických vláken • hvězdicová topologie s centrálním prvkem • max. délka segmentu 412 m pro mnohavidové a 2 km pro jednovidové vlákno • možnost plně duplexní komunikace
Ethernet
Gigabitový Ethernet - přenosová rychlost 1000 Mbit/s – 1000Base-T • využívá 4 kroucené páry kategorie 5, 5e nebo 6 s impedancí 100 • hvězdicová topologie s aktivním centrálním prvkem • max. délka segmentu 100 m • obvykle plně duplexní komunikace
– 1000Base-SX, LX • • • •
mnohavidová resp. jednovidová optická vlákna hvězdicová topologie s aktivním centrálním prvkem max. délka segmentu 500 m resp. 2 km (v praxi i 20 km) plně duplexní komunikace
Ethernet
Linková vrstva – MAC (Medium Access Control) • definuje základní formát rámce a přístupovou metodu
– LLC (Logical Link Control) • poskytuje spojovanou či nespojovanou službu vyšším protokolovým vrstvám
MAC – CSMA/CD – náhodný přístup s detekcí kolizí (signál JAM) • aby byla kolize spolehlivě detekovatelná, musí mít rámec minimální délku (64 B) – kolizní okénko (doba nezbytná pro šíření signálu celým segmentem)
– při opakované kolizi exponenciální back-off (střední hodnota intervalu pokusů o vysílání se prodlužuje v mocninách 2) – efektivní metoda pro vytížení sběrnice do cca 30% kapacity • poté začne množství kolizí růst a od cca 70% propustnost klesá
Ethernet
Formáty rámců Ethernet II
802.3 + 802.2
802.3 SNAP
802.3
příjemce
příjemce
příjemce
příjemce
odesilatel
odesilatel
odesilatel
odesilatel
typ
délka
délka
délka
dest.SAP
0xAA
source SAP
0xAA
řízení
řízení
0xFFFF
protokol
data rámce
data rámce
data rámce
data rámce
CRC
CRC
CRC
CRC
Propojování v Ethernetu
Opakovač, rozbočovač (repeater, hub) – slouží ke zvýšení fyzického dosahu sítě – aby fungovala metoda CSMA/CD, musí šířit kolize • odtud pojem kolizní doména – zahrnuje všechny fyzické domény, do nichž se šíří kolize vzniklá v kterékoli z nich – počet opakovačů je omezen vzhledem ke zvýšení maximálního zpoždění v rámci kolizní domény (obvykle na 2) – využívaly se především ve sběrnicových variantách (10Base5, 10Base2) – v sítích se strukturovanou kabeláží je analogií rozbočovač (hub), který se chová shodně, poskytuje však vyšší počet portů – výhodou těchto prvků byla velmi nízká cena, nevýhodou je rozšiřování kolizní domény a tím zvyšování pravděpodobnosti vzniku kolizí s rostoucím počtem uzlů v ní – mohou propojovat segmenty s různou fyzickou technologií, ale pouze se shodnou přenosovou rychlostí
Propojování v Ethernetu
Most, přepínač (bridge, switch) – pracují v linkové vrstvě, nešíří kolize (na jejich portech končí kolizní doména) – umožňují lokalizaci prostřednictvím filtrování a cíleného předávání rámců dle jejich MAC adres • příslušné seznamy adres si vytvářejí dynamicky odposlechem komunikace – v síti nesmějí existovat smyčky (rámec by mohl běhat pořád dokola) • řešeno logickým rozpojením existujících fyzických smyček – algoritmus Rapid Spanning Tree
– mosty sloužily především k filtraci provozu, měly nízký přepojovací výkon, přepínače jsou naopak zaměřeny na cílené předávání – kolizní doména je obvykle tvořena pouze přepínačem a uzlem sítě – v případě plně duplexní komunikace nedochází ke kolizím vůbec – mohou propojovat fyzické technologie s různou přenosovou rychlostí
Ethernet v průmyslových aplikacích
Pozitiva – prověřená a stále se vyvíjející technologie, rostoucí rychlost – vysoké množství dodavatelů, vynikající poměr cena/výkon
Negativa – vznikl jako kancelářský, nikoliv průmyslový systém • nižší odolnost vůči prostředí • existují i průmyslové varianty – problematické sdílení kabeláže pro komunikaci i napájení • existují řešení – nedeterminismus Ethernetu a z něj vyplývající nevhodnost pro aplikace pracující v reálném čase (včasnost, současnost) • existují řešení
Ethernet stále více proniká do průmyslových aplikací a to i do těch, které byly doménou specializovaných technologií
Ethernet v průmyslových aplikacích
Co musí být zajištěno? – schopnost práce v reálném čase – bezpečnost (z pohledu přenosu dat) • rámec obsahuje 32 bitový CRS • standardem je nespojovaná a nespolehlivá služba
– bezpečnost (z pohledu neoprávněného přístupu) • shodná technologie „svádí“ k propojení systémů, které by jinak propojeny nebyly vůbec nebo na zcela jiné úrovni
– robustnost a spolehlivost v průmyslovém prostředí – standardy vyšších vrstev vhodné pro oblast průmyslové automatizace • roztříštěnost protokolů vyšších vrstev (mnoho konkurenčních standardů) může omezit rozsah nasazení Ethernetu v průmyslových aplikacích
Ethernet v průmyslových aplikacích
Funkce v reálném čase X CSMA/CD – provoz při nízkém vytížení sítě (do 1%) • pravděpodobnost vniku kolize je velmi nízká
– zabránění vzniku kolize využitím „nadřazené“ deterministické metody • Master – Slave, Token Passing, TDMA …
– důsledné využití přepínačů a plně duplexní komunikace • kolize vlastně nemůže vzniknout • ale POZOR na kolize uvnitř přepínačů – může dojít ke ztrátám rámců, zejména při vysokém vytížení přepínače (i na jiných portech)
• částečně lze řešit prioritizací rámců • roste zpoždění v síti, existuje poměrně velký jitter, vnesený přepínači
Ethernet v průmyslových aplikacích
Funkce v reálném čase – prioritizace rámců (QoS na linkové vrstvě) • musí být podporována jak přepínači, tak uzly sítě – v případě současného požadavku v uzlu na prioritní i neprioritní komunikaci musí mít prioritní přednost
• definována standardem IEEE 802.1p
– využití VLAN (IEEE 802.1 • oddělení prioritní a neprioritní komunikace – má i bezpečnostní aspekty
– využití separátních sítí pro prioritní a neprioritní komunikaci • uzly musí být vybaveny dvěma fyzickými rozhraními
– časová synchronizace uzlů • prostřednictvím protokolu PTP (Precision Time Protocol, IEEE 1588)
– protokoly vyšších vrstev nesmí vnášet další problémy • zde je problém např. s TCP
Ethernet Powerlink
Vznikl v roce 2001 v Rakousku (Bernecker + Rainer IndustrieElektronik) – především pro aplikace řízení pohonů
Využívá standardní Fast Ethernet HW (čipy) – některé jiné standardy vyžadují specielní řešení
Pro časovou synchronizaci je využit protokol PTP Řízení přístupu k médiu využívá princip „Delegated Token“ Nejsou využity přepínače – pouze rozbočovače – není jitter, kolizím je zabráněno jinak
Pro nekritickou komunikaci lze využít TCP/IP – např. parametrizace, monitoring
Aplikační protokoly jsou inspirovány standardem CANopen
Ethernet Powerlink
Umožňuje využít Ethernet jak v segmentech s realtime komunikací (rozšíření linkové vrstvy), tak s časově nekritickou komunikací (TCP/IP) a tuto nekritickou komunikaci přenášet i k zařízením v realtime segmentech
Ethernet Powerlink
Protokolový zásobník podporuje časově kritickou i nekritickou komunikaci
– kromě klasické MAC adresy má každé zařízení tzv. node ID – z něj potom vyplývá část IP adresy (je-li IP použito) – real-time segmenty se do vnější IP sítě připojují přes NAT
Ethernet Powerlink
Linková vrstva – jednotlivé přenosy probíhají v rámci tzv. komunikačního cyklu postupně ve třech fázích • startovací fáze - synchronizace • isochronní fáze – jednotlivým uzlům je postupně povoleno vyslat časově kritická data (producent – konzument) • asynchronní fáze – jednomu z uzlů je povolen přenos časově nekritických dat – např. IP rámců
Ethernet Powerlink
Linková vrstva – přenosy v isochronní fázi mohou být multiplexovány, např. v každém 2 cyklu se mohou na tomtéž místě přenášet rámce různého uzlu
Ethernet Powerlink
Vyšší vrstvy zásobníku – časově kritická komunikace • obdoba PDO objektů standardu CANopen
– podobná správa prostřednictvím NMT (Network Management) – adresář objektů, přístup prostřednictvím a SDO • SDO lze přenášet i v UDP rámcích
– nad nimi přímo využity CANopen profily zařízení – časově nekritická komunikace • v zásadě libovolný protokol (nejčastěji IP) a pro něj typické protokoly vyšších vrstev (TCP, HTTP, FTP …) • lze zde tunelovat i jakýkoliv jiný protokol
Další standardy využívající Ethernet
Foundation Fieldbus HSE – část standardu Foundation Fieldbus (viz. minulé téma)
MODBUS TCP/IP – přenos aplikačního protokolu MODBUS prostřednictvím Ethernetu a TCP/IP
Profinet I/O – vazba na PDS standard Profibus
EtherNet IP – vazba na PDS systémy DeviceNet a ControlNet
a další proprietární standardy
