Systémy pro sběr a přenos dat
• počítačové sítě v SPD aplikacích • ArcNet • Ethernet
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 Ω
• 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 (3 Mbit/s) 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
Varianty fyzické vrstvy
Klasický Ethernet – přenosová rychlost 10 Mbit/s – 10Base5, tzv. tlustý (thick) koaxiální kabel • impedance 50 Ω, 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
– 10Base2, tzv. tenký (thin) koaxiální kabel • impedance 50 Ω, 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
Fast Ethernet - přenosová rychlost 100 Mbit/s – 100Base-TX • využívá kroucené páry kategorie 5 s impedancí 100 Ω • 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)
– 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
Gigabitový Ethernet - přenosová rychlost 1000 Mbit/s – 1000Base-T • využívá 4 kroucené páry kategorie 5, 5e nebo 6 s impedancí 100 Ω • 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
Linková vrstva OSI
IEEE 802
Network layer
LLC
Network layer
802.2 Logical link control Data link layer
MAC
Physical layer
802.11 802.3 802.5 CSMA-CD Token Ring Wireless LAN
Various physical layers
Other LANs
Physical layer
Linková vrstva – v 802.2 existuje nespolehlivá i spolehlivá (volitelně) služba – více spojení současně rozlišeno prostřednictvím LSAPs
C
A A
Reliable frame service C
Unreliable Datagram Service
LLC
LLC
LLC
MAC
MAC
MAC
MAC
MAC
MAC
PHY
PHY
PHY
PHY
PHY
PHY
Podvrstva MAC
CSMA/CD – náhodný přístup s detekcí kolizí – aby byla kolize spolehlivě detekovatelná, musí mít rámec minimální délku (64B – tzn. 46B dat ), max. 1500B dat – kolizní okénko (doba nezbytná pro šíření signálu celým segmentem) – při detekci kolize signál JAM (48 bitů)
Podvrstva MAC – CSMA/CD – při opakované kolizi exponenciální back-off (maximální hodnota intervalu čekání na pokus o vysílání se prodlužuje – náhodný výběr z intervalu <0 .. 2k – 1>, k = 1 .. 10 Packet? No Sense Carrier
Send
Detect Collision Yes
Discard Packet attempts < 16
attempts == 16
Jam channel b=CalcBackoff(); wait(b); attempts++;
Formát MAC rámce 802.3 MAC Frame 7 Preamble Synch
1 SD
6 Destination address
Start frame
6 Source address
2 Length
Preamble slouží k synchronizaci přijímače SD – start delimiter – 10101011 – umožňuje rozpoznat začátek rámce
Information
64 - 1518 bytes
– 7 bajtů 10101010
4
Padding – doplnění minimální délky rámce
Pad
FCS
Formát MAC rámce 802.3 MAC Frame 7
1
Preamble Synch
SD
6 Destination address
Start frame
0
Single address
1
Group address
6 Source address
Local address
1
Global address
Length
4 Information
Pad
64 - 1518 bytes
Cílová adresa – unicast,multicast – broadcast (FFYFF)
0
2
Globální adresa – 1. 3 bajty identifikují výrobce – např. 00-00-0C pro Cisco – zbytek přiřazuje výrobce
Lokální adresy – definovány správci sítě
FCS
Formát MAC rámce 802.3 MAC Frame 7 Preamble Synch
1 SD
6 Destination address
Start frame
6 Source address
2 Length
4 Information
64 - 1518 bytes
Délka rámce – 64 – 1518 bajtů – pro 1Gb a 10Gb existují i tzv. Jumbo frames – 9000B
Padding – zajišťuje minimální délku rámce pro příliš „krátká“ data
FCS – CRC s generujícím polynomem CCIT-32 – mimo úvodní synchronizační sekvence – rámce s chybným CRC jsou ignorovány
Pad
FCS
LSAP (Link Service Access Point) 1 or 2 bytes 1 byte Source Control SAP Address
1 byte Destination SAP Address
Source SAP Address
Destination SAP Address C/R
I/G 1
Information
7 bits
1
I/G = individuální nebo skupinová adresa C/R = příkazový rámec nebo odpověď
7 bits Příklady LSAP adres: 06 IP paket E0 Novell IPX FE OSI packet AA SNAP
Další 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 (repeater) – – – – – –
pracuje ve fyzické vrstvě slouží ke zvýšení fyzického dosahu sítě poskytuje obnovu signálu (časování, napěťové úrovně Y) typicky propojuje dva segmenty se shodnou komunikační rychlostí „nerozumí“ (neinterpretuje) žádné informace aby fungovala metoda CSMA/CD, musí šířit kolize • odtud pojem kolizní doména – zahrnuje všechny fyzické segmenty, do nichž se šíří kolize, vzniklá v kterémkoli z nich – počet opakovačů je omezen vzhledem ke zvýšení maximálního zpoždění v rámci kolizní domény (obvykle na 2-4) – využívaly se především ve sběrnicových variantách (10Base5, 10Base2)
Propojování v Ethernetu
Rozbočovač (hub) – v sítích se strukturovanou kabeláží je analogií opakovače rozbočovač, 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 – existují pro 10 a 100 Mbit/s sítě – pro Gb Ethernet – Buffered Distributor – mohou propojovat segmenty s různou fyzickou technologií (metalika, optika), 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 (forwarding) rámců dle jejich MAC adres • příslušné seznamy adres si vytvářejí dynamicky odposlechem komunikace – učení se
– 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 Y
– 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 Y) • 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
Auto Negotiation
10Base-T – pro testování linky vysílá Test Link Pulse
Vyšší standardy – standardní Test Link Pulse označen jako NLP (Normal Link Pulse) – pro „vyjednávání“ využity sekvence FLP (Fast Link Pulse)
Auto Negotiation
Auto Negotiation
Základní (base) a následné (next page) „stránky“ Selector – 00001 pro 802.3
Technology Ability – informace o podporovaných verzích a konfiguracích
Auto Negotiation
RF – remote fault Ack – potvrzení – nastaví se po trojím přijetí shodných dat
XNP (extended next page), NP (next page) – slouží k přenosu konfiguračních a synchronizačních informací pro vyšší standardy (Gb, 10Gb) – volitelné
Auto Negotiation
NP – dvě varianty (obdobně XNP, jen delší sekvence) – message page – unformatted page – končí se „nulovou“ zprávou
Auto Negotiation
XNP – varianta „extended message page“
Auto Negotiation
dohoda na nejvyšším shodném podporovaném standardu pozor – netestuje kabeláž – zakázat varianty nedostupné kvůli variantě kabeláže musí uživatel (správce)
XNP (extended next page), NP (next page) – slouží k také k přenosu konfiguračních a synchronizačních informací pro vyšší standardy (Gb, 10Gb) – volitelné
Napájení koncových zařízení po Ethernetu (802.3at – 2009)
PoE (Power over Ethernet) – PD – powered device – PSE – power sourcing equipment
pouze pro 10Base-T, 100Base-TX a 1000Base-T umožňuje: – detekovat schopnost poskytovat a využívat PoE • důležité – možnost zničení nekompatibilních zařízení
– dynamicky dohadovat potřebný příkon – zachovat bezpečnost zařízení • bezpečné napětí (SELV)
Power over Ethernet
2 základní varianty zdroje – integrován s DTE (např. v přepínači), typické – samostatný
různé varianty pro 10/100Base-T a 1000Base-T
Power over Ethernet
varianty pro 10Base-T a 100Base-TX PSE integrován v DTE
Power over Ethernet
varianta A pro 1000Base-T PSE integrován v DTE
Power over Ethernet
Varianta B pro 1000Base-T PSE integrován v DTE
Power over Ethernet
varianta A pro 10Base-T a 100Base-TX PSE jako samostatné zařízení
Power over Ethernet - detekce
PSE testuje přítomnost PD napětí zdroje naprázdno až 30 V napětí při testu < 10V měří se ve 2 bodech, určí se odpor linky Pokud R < 26,5 kΩ a R > 19 k Ω, pak akceptováno
Power over Ethernet - klasifikace
identifikace varianty vzájemné přizpůsobení se varianty na fyzické nebo na linkové vrstvě
fyzická vrstva – měření odběru na straně PSE
― ―
v jednom nebo 2 krocích pokud je požadavek vyšší než možnosti, nezapne se
linková vrstva ― ― ―
využívá se LLDP (Link Layer Discovery Protocol) specifické TLP (type, length value) prvky Informace o typu zařízení, max. příkonu apod.
Virtual LAN (VLAN)
realizace „samostatných“ virtuálních LAN se sdílenou fyzickou infrastrukturou oddělení komunikace v jednotlivých sítích ―
včetně specifického broadcastu v rámci VLAN
implementace prostřednictvím aktivních prvků infrastruktury ― ―
přepínače (mosty) uživatelské MAC rámce obsahují tzv. tagy
součástí tagu může být i informace o prioritě MAC rámce
definováno standardem IEEE802.1Q ― částečně vychází z IEEE802.1D (specifikace standardních přepínačů)
Virtual LAN (VLAN)
uživatelské MAC rámce jsou vždy přiřazeny do právě jedné VLAN ― ―
přímo – rámec obsahuje daný tag nepřímo – tag je doplněn přepínačem dle portu, z něhož dorazil
Spanning Tree algoritmus je implementován pro každou VLAN ―
―
MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol) ― volba kořenového „root“ prvku pro VLAN ― nalezení kořenového portu (s nejnižší „cenou“) ― volba aktivního a případného záložního portu specifické protokoly pro komunikaci mezi mosty
Virtual LAN (VLAN)
typ 0x8100 – indikace VLAN VID (VLAN ID) ― ― ―
0, pouze info o prioritě 1, standardní hodnota pro ingress, lze změnit 0xfff, rezervováno jako „wildcard“
PCP – priorita CFI (canonical format identificatio) ― 0 – little endian, 1 big endian