Реферат: Локальные сети
РЕФЕРАТ
по дисциплине: «Информационные сети и телекоммуникации»
на тему: «Локальные сети»
Ростов-на-Дону 2010 г.
Содержание
1. Особенности локальных сетей
2. Стандарты 802. х
2.1 Стандарт 802.3, сети Ethernet
2.2 Стандарт 802.5, сети Token ring
3. Промышленные сети (Fieldbus)
3.1 CAN сети
Список литературы
1. Особенности локальных сетей
Для локальных сетей характернанебольшая удаленность (обычно в пределах сотен метров), небольшое число узлов (впределах нескольких десятков) и в связи с этим простая топология связей. Благодаряэтим особенностям задачи организации взаимодействия существенно упрощаются и вряде случаев для работы локальных сетей требуется реализация толькоприкладного, канального и физического уровней модели OSI.Задачи остальных уровней существенно упрощаются и могут быть распределены междуприкладным и канальным уровнем. Особенно в промышленных сетях взаимодействиеможно описывать такой трехуровневой моделью.
Из-за простой топологии связей инебольшой удаленности в локальных сетях очень редко используют действующиеканалы связи. В этом случае оказывается более эффективным создавать специальныеканалы связи, хорошо согласующиеся с требованиями организации эффективнойпередачи данных. Практически всегда в локальных сетях линии связи находятся вобщем пользовании всех узлов, поэтому принято считать линии связи разделяемойсредой передачи данных. Т.е. обмен данными в локальной сети осуществляетсячерез разделяемую среду передачи данных.
В локальной сети все узлыиспользуют одну и ту же структуру кадров, одни и те же способы кодирования,поэтому одновременная передача нескольких сообщений невозможна. Конечно, кромезначительных преимуществ, такая организация имеет и недостатки. Производительностьсистемы передачи данных ограничивается возможностями используемой разделяемойсреды, при большой нагрузке может возникнуть заметная конкуренция, мешающаяработе. Надежность ниже из-за отсутствия дополнительных путей передачи данных. Однакопростота и возможность использования стандартных хорошо отработанных средстворганизации передачи данных привели к широкому распространению технологийлокальных сетей. Узлы могут получить доступ к разделяемой среде передачи данныхтолько поочередно, используя какой-либо механизм арбитража для управлениядоступом. Как правило, это не создает особых трудностей в работе локальной сети.
В локальных сетях используютсядве основные топологии связей: общая шина и кольцо. В качестве физических линийсвязи используют витую пару, коаксиальный кабель или оптоволокно. Уже влокальных сетях возникает необходимость в разделении понятий физической илогической топологии. Физическая топология определяется структурой физическихлиний связи, а логическая — путями передачи данных. Физическая и логическаятопология не всегда совпадают. Различия в топологиях зависят от применяемых всети коммуникационных устройств. Эти устройства могут просто ретранслироватьсигналы между сегментами сети, перераспределять сообщения между сегментами,определять направления и/или маршруты передачи данных. Особенно сложные функцииреализуются коммуникационными устройствами не в локальных сетях, а в сетях сосложной физической топологией.
В связи с использованиемразделяемой среды передачи данных на канальном уровне локальных сетейприходится решать 2 задачи: управление доступом к среде (MACуровень) и логической передачи данных (LLC уровень). Подготовкакадра для передачи данных на канальном уровне начинается с LLCуровня. Затем LLC — кадрпередается на MAC уровень и с помощью его процедурпроизводится передача уже MAC — кадра через физический уровень. При приеме данных последовательность обработкиобратная. С физического уровня поступает MAC — кадр, затем, освобождаясь от атрибутов MAC — кадра, он преобразуется в LLC — кадр.
Классические функции канальногоуровня информационной сети реализуются LLC процедурами.Они включают общую организацию передачи и управление передачей данных, контрольи восстановление искаженных или потерянных данных. MACпроцедуры обеспечивают доступ узлов к разделяемой среде передачи данных, ихадресацию в локальной сети, корректное распределение ресурсов при возникающейконкуренции за доступ к разделяемой среде.
Как и многие другие вопросыфункционирования информационных сетей, процедуры MAC и LLC стандартизованы. Следует отметить, что MACи LLC протоколывзаимонезависимы, т.е. каждый протокол MAC можетприменяться с любым протоколом LLC и наоборот. И всоответствии с принципами модели OSI протоколы MAC и LLC могут согласовываться сразличными протоколами и верхних, и нижнего (физического) уровней. Основныепроцедуры канального уровня в локальных сетях были стандартизованы в СШАкомитетом 802 IEEE и легли в основу стандартов ISO 8802. Несколько позже на основе тех же основных принциповбыли разработаны и стандартизованы технологии, так называемых, промышленныхсетей (Fieldbus).
2. Стандарты 802. х
Группа стандартов 802.1 — 802.12определяет технологии локальных компьютерных сетей на канальном и физическомуровнях.802.1 носит общий для технологий локальных сетей характер и относится куправлению сетевыми устройствами (мосты, коммутаторы) и организации межсетевоговзаимодействия.802.2 описывает процедуры LLC и вомногом повторяет HDLC протоколы.802.3 — это определениеMAC и физического уровней популярных компьютерных сетейEthernet.802.4 — определение MACи физического уровней сетей промышленной автоматики Token bus.802.5 — определение MAC и физического уровней компьютерных сетей Token ring. Остальныестандарты этой группы посвящены технологиям пока не получившим широкогораспространения.
Стандарт 802.1 покарассматриваться не будет. Основные вопросы этого стандарта, касающиеся работыкоммуникационных устройств (концентраторов, мостов, коммутаторов и шлюзов),будет рассмотрены позже вместе с вопросами структуризации сетей.
Стандарт 802.2 является LLC протоколом и определяет три возможных процедуры с разнымтипом сервиса. LLC1 — передача данных без установлениясоединения и подтверждения. LLC2 — с установлениемсоединения и подтверждением. LLC3 — без установлениясоединения, но с подтверждением. Тип сервиса задается применяемыми алгоритмами передачиданных и типами кадров. LLC — кадр содержит следующие поля: DSAP — адрес точки доступа сервиса назначения (1 байт), SSAP — адрес точки доступа сервиса источника, поле управления — тип кадра и другая служебная информация, поле данных. DSAPи SSAP необходимы для согласования работы протоколовверхнего уровня. Эти поля предусматривают возможность работы LLCпротокола под различными вышестоящими протоколами в разных узлах одной сети. Полеуправления такое же, как в HDLC протоколах, определяетте же самые процедуры.
MACпроцедуры, рассмотренные в стандартах 802. х, предполагают два типа топологиисвязей: шина и кольцо, и два метода доступа к разделяемой среде: вероятностныйи детерминированный. Вероятностный метод предполагает возможность доступа впроизвольные моменты времени и обеспечивается относительно простыми алгоритмамиуправления, но повышает вероятность конкуренции узлов в сети. Детерминированныйметод предполагает доступ узлов сети в определенном, заранее известном порядке.Это приводит к задержкам в передаче данных, но гарантирует доступ в течениепредсказуемого интервала времени. Такой метод требует более сложных алгоритмовуправления, т.к. возникает необходимость в определении очередности и контроледисциплины обслуживания. Достаточно часто в промышленных сетях применяютуправление доступом к разделяемой среде передачи данных, основанное напроцедурах взаимодействия ведущий-ведомый. Ведущий master-узелотвечает за дисциплину обслуживания и по заявкам ведомых slave-узловили поочередно разрешает использование общего канала связи в течениеограниченного времени. В настоящее время большее распространение получилвероятностный метод доступа.
2.1 Стандарт 802.3, сети Ethernet
Ethernetв настоящее время является наиболее распространенным стандартом локальныхкомпьютерных сетей. Его область применения не ограничивается классическимикомпьютерными сетями. Очень часто при построении многоуровневых системуправления на нижних уровнях применяют системы на основе стандартов промышленныхсетей, а для передачи данных между управляющими компьютерами на верхних уровнях- сети Ethernet. Эта распространенность свидетельствуето высокой эффективности при относительно невысоких затратах на создание иэксплуатацию. Стандарт 802.3 определяет параметры физического уровня ипроцедуры MAC уровня локальной сети.
Физический уровень стандартапредполагает скорость передачи данных 10 Мбит/сек, 100 Мбит/сек. Существуютверсии стандарта с более высокими скоростями передачи данных. Конечно, речьидет о физической скорости формирования и передачи сигналов, эффективнаяскорость передачи данных всегда ниже. В качестве линий связи предусматриваетсяиспользование витой пары, коаксиального кабеля или волоконно-оптического кабеля.Сигнальное кодирование на скорости 10 — манчестерский код, на скорости 100 — код NRZ.
MACуровень предполагает логическую топологию общая шина и вероятностный методдоступа CSMA/CD (коллективныйдоступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий). Это является основнойособенностью сетей Ethernet. Все MACкадры, передаваемые по общей шине, принимаются всеми узлами сети. Необходимостьв обработке кадра определяется каждым узлом самостоятельно по MACадресу узла назначения. Для идентификации передатчика каждый кадр такжесодержит MAC адрес узла источника. Естественно, что впределах одной сети узлы должны иметь уникальные MACадреса. Все необходимые процедуры MAC уровняреализуются устройством, называемым сетевым адаптером.
Доступ к среде передачи данныхосуществляется следующим образом. Все узлы постоянно прослушивают линию связи. Еслилиния связи занята, т.е. идет передача кадра, до тех пор, пока линия неосвободится, больше ни один из узлов не имеет права начинать передачу. Если втекущий момент времени линия связи свободна, каждый узел имеет право начатьпередачу. Из-за случайного характера передачи кадров узлами сети, всегда естьопределенная вероятность того, что несколько узлов одновременно начнут передачу.Такая ситуация, называемая коллизией, является нормальным, хотя и нежелательнымявлением. При коллизии корректная передача данных невозможна, поэтому все узлыдолжны прекратить передачу и затем, позже предпринять новую попытку передачи. Дляобнаружения коллизий сетевые адаптеры содержат специальные детекторы коллизий.
Между передачами кадров должнавыдерживаться специальная пауза длительностью 9,6 мкс. Это время необходимокаждому сетевому адаптеру для обработки принятого кадра. Если корректный MAC кадр адресован другим узлам, после обработки сетевымадаптером он отбрасывается. Если — адресован этому узлу, кадр передаетсявышестоящим уровням для дальнейшей обработки.
Как законченное сообщение, MAC кадр имеет строго определенную структуру. Передача всегданачинается с преамбулы длиной 7 байт (10101010), затем следует начальный разделительSFD (10101011), далее — адрес назначения DA (6 байт), адрес источника SA (6байт), длина поля данных (2 байта), данные (0 — 1500 байт, если поле данныхменее 46 байт, оно дополняется до 46 байт для корректного обнаружения коллизий),контрольная сумма CRC — 32. Сетевойадаптер при приеме кадра должен распознавать следующие ошибки: длинный кадр (более1518 байт), короткий кадр (менее 64 байт), «болтливый» кадр (длинныйс неправильной CRC), ошибка выравнивания (не кратнобайту), ошибка CRC.
Адрес назначения DA может быть трех типов: уникальный MAC — адрес узла приемника (первый байт 00hили 02h), широковещательный адрес (все элементы FF-FF…), групповой адрес (первый байт01). Уникальный MAC — адресопределяется производителем сетевого адаптера и назначается комитетом IEEE (2 байта — код производителя, 3 байта — серийный номер).Адрес источника SA всегда уникальный. LLC — кадр целиком помещается в поле данных MAC — кадра. CRC контролирует все полякадра, начиная с DA.
Максимальная эффективнаяскорость передачи данных зависит от длины кадра. Для физической скорости 10Мбит/сек при коротких кадрах она составляет 5,48 Мбит/сек, а при длинных кадрах- 9,76. Очевидно, что это только теоретически достижимая скорость, т.к. такиезначения возможны при отсутствии коллизий. При высокой нагрузке на разделяемуюсреду передачи данных вероятность коллизий существенно повышается, а реальнаяскорость передачи данных соответствующим образом снижается. Считается, что сетиEthernet эффективно работают при нагрузке до 30%. Прибольшем трафике постоянные коллизии могут практически заблокировать передачуданных.
Коллизии и алгоритмы выходаиз коллизий.
Коллизия — одновременнаяпередача сигналов несколькими узлами, обнаруживается специальными детекторамиколлизий, содержащимися в сетевых адаптерах каждого узла. Опознавание коллизийпроизводится с помощью контроля уровня сигналов в линии связи. При волновомсопротивлении 50 Ом и выходном токе передатчика 40 мА, уровень нормальногосигнала не превышает 1 В. При коллизии, когда сигналы формируются одновременнодвумя передатчиками, уровень сигнала достигает 2 В. Детектор коллизий реагируетна сигналы, уровень которых превышает 1,5 В. Отсюда вытекает первое ограничениена длину линии связи (10Base-5 — 500 м, 10Base-2 — 185 м, 10Base-Т — 100 м). Вприемниках должны надежно идентифицироваться и обычные сигналы манчестерскогокода, и сигналы коллизий. Длина линий связи может быть увеличена только спомощью дополнительных коммуникационных устройств — повторителей иконцентраторов (хабов). Следует иметь в виду, что существуют жесткиеограничения и на предельную длину, и на количество коммуникационных устройств,так называемое «правило 5-4-3».
Это правило задает следующиетребования к физической топологии:
общее количество кабельныхсегментов может быть различным, но допустимы только «древовоидные» структурысвязей, между любой парой узлов должен существовать только один путь;
между любой парой узловмаксимальное количество кабельных сегментов — 5, максимальное количество хабов — 4, активных сегментов, содержащих хотя бы 1 узел — 3.
Кроме ограничений на длину линийсвязи из-за ослабления сигналов действуют ограничения, связанные с задержкойсигналов из-за конечной скорости распространения. Эти ограничения являютсяболее существенными. Для надежного распознавания коллизий всеми узлами сетинеобходимо, чтобы время передачи кадра превышало время двойного оборота PDV. Только в этом случае коллизии будут надежно определятьсядаже для самых удаленных друг от друга узлов сети. PDVзависит от типа линии связи и от ее длины, а минимальная длина кадра ограниченав стандарте.
При обнаружении коллизии узелдолжен прервать передачу в любом месте кадра и вместо сигналов манчестерскогокода передать jam-последовательность. Все сетевыеадаптеры принятые данные просто отбрасывают без обработки. Повторная передачакадра разрешена через время кратное интервалу отсрочки TS=51,2мкс. Причем интервал времени выбирается случайным образом по следующему правилу:
T = TSx (0-2 n),
где n (номерпопытки не более 10)
Таким образом, время задержкидля повторной передачи лежит в пределах от 0 до 52,4 мсек. Если после 16попыток передача не состоялась, на верхний уровень выдается сообщение оневозможности передачи данных.
При увеличении скорости передачиданных, например замена спецификации 10 Base на 100Base, ужесточаются топологические ограничения. В первуюочередь это связано с требованиями надежного обнаружения коллизий. Дляструктуризации сети требуется применение специальных коммуникационных устройств.
Домен коллизий — это сеть, вкоторой узлы распознают коллизию независимо от того, в какой части сети онапроизошла. При слишком больших доменах коллизий сеть может стать неэффективной.В этом случае сеть разделяют на несколько доменов коллизий (логическихсегментов) применением мостов или коммутаторов. Такая структуризация сетипозволяет не только снизить нагрузку на каждый домен, но и смягчить ограниченияпо предельному числу узлов и максимальной длине линий связи.
2.2 Стандарт 802.5, сети Token ring
В этих сетях применяютдетерминированный метод доступа с логической топологией кольцо. Право напередачу данных узлы в сети получают поочередно, передавая по кольцуспециальный служебный кадр — token. Каждый узел,получив token (маркер), может заменить его собственнымкадром данных или передать маркер дальше по кольцу. Сигналы в кольце передаютсявсегда в одном направлении, т.е. поступают от соседнего узла, находящегося вышепо кольцу, и передаются другому соседнему узлу, находящемуся ниже по кольцу. Теоретическикольцо может содержать минимум два узла. Переданный кадр должен совершитьполный оборот по кольцу и вернуться к отправителю. Только узел-источник можетизъять кадр из кольца, все остальные узлы могут только передавать его дальше покольцу. После оборота по кольцу передаваемый кадр заменяется маркером, которыйпоступает в следующий узел, и т.д.
Спецификации физического уровняопределяют скорости передачи данных 4 и 16 Мбит/сек, физическая топология — звезда. Узлы подключатся через специальное коммуникационное устройство — MSAU. MSAU формирует логическоекольцо, обеспечивая передачу сигналов на вход узла (сверху по кольцу) и приемна выходе узла (вниз по кольцу). При неработающем узле обеспечивается передачасигналов в обход узла для сохранения корректности работы. Предусмотренаспециальная процедура включения узла в кольцо, и включение узла и выключениеприводит к кратковременной потере работоспособности.
В целом, организация работы сетисущественно сложнее, чем в сети Ethernet. В сетях стопологией общая шина и вероятностным доступом все узлы обладают равноправнымдоступом и выполняют одинаковые процедуры. В Token ring процедуры управления работойсущественно сложнее, поэтому функции узлов различны. Основные задачи управлениявыполняет один узел — активный монитор, все остальные узлы — резервные мониторы.При отключении активного монитора автоматически выполняется процедураназначения нового активного монитора, его функции по заранее определенномуалгоритму возлагаются на один из резервных мониторов.
Активный монитор следит закорректностью работы кольца: формирует и отправляет маркер, контролируетдвижение кадров в кольце, обеспечивает синхронизацию и т.д.
3. Промышленные сети (Fieldbus)
Термин Fieldbus — промышленные сети — это технологии передачи данных,ориентированные на применение в задачах управления техническими объектами. Объектомуправления может служить и относительно простой бытовой агрегат, и промышленноетехнологическое оборудование, и целое производство. Требования, предъявляемые ксистемам передачи данных, могут быть различными и зачастую весьмапротиворечивыми. Основой построения промышленных сетей являются процедуры иалгоритмы, которые показали высокую эффективность и гибкость в классическихкомпьютерных сетях. Следует иметь в виду, что технологии телекоммуникационныхсетей достаточно просто и полно согласуются с современными требованиями итенденциями в системах управления. Это постоянно возрастающая «интеллектуализация»всех устройств, необходимость в функциональной гибкости, простота модернизации,работа в реальном масштабе времени, высокая надежность, управляемость исамовосстанавливаемость при нештатных ситуациях, низкие затраты на создание иэксплуатацию.
Естественно, что одного решенияна все случаи найти невозможно. В настоящее время применяются и продолжаютразвиваться несколько сетевых технологий. Это Foundaition Fieldbus, Profibus,CAN сети и другие. Первые двапротокола содержат по две различные технологии передачи данных: на нижнемуровне сети — система передачи данных низкоскоростная (31,5 кбит/с) длялокальных систем управления, на верхнем уровне — Ethernet(100 Мбит/с) для объединения локальных систем в единые АСУ. Протоколы содержатсредства организации взаимодействия между этими двумя сетевыми уровнями. В CAN сети протоколы определяют тольконижний уровень сети, но с большими функциональными возможностями. В то же времянет никаких препятствий для организации взаимодействия с болеепроизводительными телекоммуникационными технологиями с помощью средстввыходящих за рамки CAN протокола.
В большинстве промышленных сетейиспользуют топологию связей — общая шина. Такая топология является наиболееэффективной в силу простоты реализации, функциональной гибкости, легкостимодернизации действующих систем, низкой стоимости. В большинстве протоколов вкачестве линий связи используют витые пары. Важными требованиями, которымдолжны удовлетворять промышленные сети, являются высокая надежность инеобходимость работать в условиях высокого уровня помех, создаваемых работающимтехнологическим оборудованием.
3.1 CAN сети
CANпротокол, созданный фирмой Bosch для автомобильнойэлектроники в 80-х годах, хорошо согласуется с основными требованиями нижнегоуровня промышленных сетей. Он обладает высокой гибкостью, неразрушающимарбитражем доступа к шине, встроенными эффективными средствами контроля идиагностики с возможностью отключения дефектных узлов. В настоящее время CAN сети — одна из наиболееперспективных технологий промышленных сетей. CANпротокол давно вышел за рамки фирменной разработки и утвержден в качествемеждународного стандарта. Существует ряд международных организаций иобъединений, которые обеспечивают необходимый уровень стандартизации. Например,организация CiA объединяет более 300 фирм, которые либоразрабатывают и производят средства для построения CANсетей, либо заняты их внедрением в различных сферах; CANпротоколы поддерживаются международной ассоциацией автомобильных инженеров SAE.
CANпротокол, так же как и другие протоколы локальных сетей, определяет 2 уровнямодели OSI — физический иканальный. Технология передачи данных основана на тех же принципах: использованиеобщих ресурсов, стандартизация алгоритмов и процедур, интеллектуализациясредств реализации этих алгоритмов и процедур. Для прикладных задач протокол ненуждается в реализации остальных уровней модели OSI ипоэтому очень часто описывается упрощенной трехуровневой моделью. Третийприкладной уровень выходит за рамки CAN протокола иобычно называется HLP протоколом. В настоящее времяприменяют различные HLP протоколы, хотя в ряде случаевих применение необязательно. В то же время HLPпротоколы могут существенно облегчить согласование требований прикладных задачс возможностями CAN сети.
CANпротокол в рамках стандартов ISO11898, ISO11519 и J1939 (SAE)утвержден на базе протокола CAN 2.0 A/B (Bosch) и определяет физический иканальный (MAC) уровни телекоммуникационной сети. Вотличие от классических компьютерных сетей, CAN сетиориентированы на передачу сообщений небольших размеров — до 8 байт. Благодаряряду особенностей поддерживают работу в реальном масштабе времени,мультимастерность, прием и обработку сообщений любым количеством узлов сети,неразрушающий механизм арбитража, самоконтроль и самодиагностику узлов, любойузел обладает возможностью запрашивать необходимые данные. Все эти особенности,а также размеры и формат сообщений, сформированные по требованиям системуправления техническими объектами, определяют высокую эффективность ипопулярность CAN сетей.
Конечно, многие вопросыпостроения сети выходят за рамки CAN протокола. Решениюэтих вопросов посвящены HLP протоколы. Это, например,возможность передачи сообщений больших размеров и основные алгоритмы контроля ивосстановления утерянных сообщений (LLC процедуры),инициализация сети с автоматическим определением параметров передачи данных,способы определения идентификаторов в сети и их распределение между узлами,структура сообщений и многое другое.
Основными особенностями CAN сети являются механизм неразрушающего арбитража доступа кразделяемой среде передачи данных и отсутствие явно определенной адресацииузлов и сообщений. В большинстве случаев реализуется адресация сообщений. Побитовыйнеразрушающий арбитраж доступа к разделяемой среде передачи данных (общей шине)реализуется использованием рецессивного и доминантного уровней сигналов. Спомощью доминантного сигнала уровень приоритета устанавливается для сообщений,а не для узлов, хотя и используется близкий к Ethernetметод вероятностного доступа с прослушиванием несущей.
Для построения CANсети применяются стандартные аппаратные средства: CAN — контроллеры и трансиверы (приемопередатчики). Многиеведущие производители выпускают такие устройства в виде интегральных схем. Трансиверыобеспечивают прием и передачу сигналов по линиям связи (физический уровень), а CAN — контроллеры управляют доступомк разделяемой среде передачи данных, а также производят подготовку и обработкупередаваемых кадров (канальный и частично физический уровень)
3.1.1 Физический уровень CAN сети
Передача сигналов производитсяпо двухпроводной линии, классический вариант — витая пара. Могут применяться идругие физические линии связи, например, предусматривается возможность передачипо линии связи и сигналов, и питающего напряжения. Скорость передачи данныхстандартизована и может лежать в диапазоне от 10 кбит/с до 1 Мбит/с. Из-заособенностей алгоритма арбитража применяется сигнальный код NRZ,а максимальная длина линии связи и скорость передачи данных жестко связаны. Времядвойного оборота, которое определяется задержкой сигналов, должно быть меньшедлительности одного битового интервала. На количество узлов ограничений нет.
Побитовый неразрушающий арбитражиспользует доминантный и рецессивный уровни сигналов в линии связи. Если трансиверыдвух узлов формируют разные уровни сигналов, то в линии связи будетпередаваться доминантный уровень. Протокол предполагает контроль уровня сигналав линии связи параллельно с передачей, если сигнал в линии отличается отпередаваемого, узел обязан прервать передачу. Таким образом, передача сообщенияс доминантными сигналами всегда будет продолжаться, а передача сообщения срецессивными сигналами может быть прервана при одновременной работе несколькихтрансиверов.
CANпротокол амплитуду сигналов жестко не определяет, границы сигналов заданы науровне 1/3 от напряжения питания. При стандартном напряжении 5 В эти границысоставляют 1,5 В и 3,5 В. Доминантный сигнал (0) соответствует напряжениюбольше 3,5 В на шине CAN H и напряжению меньше 1,5 В на шине CAN L. Рецессивный уровень (1) — одинаковые напряжения на обеих шинах. Входы трансиверов идентифицируют сигналыпо разности напряжений, поэтому синфазные помехи не приводят к искажениюсигналов. Для повышения надежности в трансиверах рекомендуется применять стандартныесредства гальванической развязки.
Синхронизация требует выделениясинхросигналов из принимаемых сигналов.Т. к. код NRZпредполагает переключение сигналов только на границах битовых интервалов,протокол запрещает передачи длинных последовательностей одинаковых сигналов. Используемыйалгоритм бит-стаффинга реализует добавление противоположного бита после любойпоследовательности, содержащей пять одинаковых бит. Это позволяет обеспечитьнадежную синхронизацию при передаче произвольных битовых последовательностей. Крометого, последовательности, содержащие более пяти одинаковых бит подряд,используются как сообщения об ошибках.
Тактовые генераторы всех узловавтономны и должны работать на номинально одинаковых частотах. Для обеспечениянадежной синхронизации битовый интервал (время передачи одного бита,определяемое скоростью передачи) разбивается на временные кванты (периодтактовых импульсов). В битовом интервале по стандарту может содержаться от 8 до25 временных квантов. Для синхронизации всегда используется первый временнойквант каждого битового интервала, а идентификация сигнала производится впоследней четверти битового интервала (sample point). Максимальное расхождение вовременных границах не превышает одного временного кванта для узлов с несколькоотличающимися реально тактовыми частотами (частоты совпадают только номинально).И это расхождение не выводит точку идентификации (sample point) за допустимые пределы. Синхроимпульсыформируются по каждому переключению из доминантного в рецессивный уровень. Т.к.бит-стаффинг запрещает в кадре передачу более 5 одинаковых бит подряд,синхроимпульсы будут формироваться не реже одного раза за десять битовыхинтервалов. Разница в тактовых частотах узлов сети не должна приводить кошибкам синхронизации за этот период, что несложно обеспечить современнымиаппаратными средствами.
Рекомендуемые значения скоростейпередачи (с указанием максимальной длины линий связи), временных квантов (величинаобратная тактовой частоте) и количества временных квантов в битовом интервалеприведены в таблице. Стандартное номинальное значение тактовой частоты,необходимое для синхронизации на максимальной скорости, равно 8 МГц.
Для решения основных задачфизического уровня выпускаются интегральные схемы трансиверов для различных стандартныхнапряжений питания и типов линий связи в соответствии с требованиями CAN протокола.
3.1.2 Канальный уровень CAN сети
Реализация процедур CAN протокола производится специальными аппаратнымисредствами — CAN контроллерами. Эти контроллеры выпускаютсялибо в виде отдельных интегральных схем, либо являются встроенными элементамиболее сложных устройств. CAN контроллер в комплекте сИС CAN трансивера обеспечивает работу локальной сети,реализуя все необходимые функции: от управления доступом к разделяемой средепередачи данных (MAC — процедуры) до передачи сигналовпо линии связи. Для HLP протоколов остаются толькофункции настройки сети: автоматический выбор и задание скорости передачи,поддержка алгоритмов контроля сообщений, передача сообщений большого объема,автоматическое распределение идентификаторов в сети и т.п. Эти задачи могутбыть решены без HLP протоколов, при проектировании сетиможно вручную задать все необходимые параметры и режимы и произвести настройку CAN контроллеров. HLP протоколыпозволяют автоматизировать эти процедуры и в ряде случаев изменять их впроцессе работы.
CAN сетьмультимастерная, т.е. все узлы имеют равные права доступа. Если шина свободна,каждый из узлов в произвольный момент времени может начинать передачу сообщения(кадра). Все передаваемые сообщения принимаются всеми узлами, CANконтроллер каждого узла содержит фильтр сообщений. Этот фильтр может бытьнастроен на обработку сообщений с определенными идентификаторами, все остальныесообщения будут игнорироваться. Т.е. сообщения в сети могут приниматься иобрабатываться любым числом узлов в зависимости от настройки их входныхфильтров. Это позволяет, например, обрабатывать сообщения одного датчика всемиузлами, которым эти данные необходимы.
При попытке одновременной передачикадров несколькими узлами работает механизм поразрядного неразрушающегоарбитража, обеспечивающего первоочередной доступ сообщениям с высоким уровнемприоритета (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection andArbitration on Message Priority — CSMA/CD+AMP). Передача приоритетногосообщения будет продолжена, а остальные узлы должны прервать передачу доосвобождения шины. Уровень приоритета определяется положением и количествомдоминантных бит в поле арбитража, в котором передается идентификатор сообщения.Меньшему значению идентификатора соответствует более высокий уровень приоритета.
Каждый передающий узел, формируясигналы на шине, контролирует ее состояние и продолжает передачу до тех пор,пока состояние шины и передаваемые сигналы совпадают. Прекращение передачипроисходит только при передаче рецессивного бита, если одновременно какой-либодругой узел передает доминантный бит. При этом узел, формирующий доминантныйбит, передачу сообщения продолжит.
Содержание передаваемых данныхобозначается 11-битным идентификатором (29-битный идентификатор в расширенномформате), стоящим в самом начале сообщения. Особенностью является то, что этотидентификатор определяет приоритет сообщения. Кроме того, идентификаторыприсваиваются не узлам, а сообщениям и определяются содержащимися в сообщенияхданными. Такой тип рассылки сообщений называется «схема адресации,ориентированная на содержимое». При этом один узел может отправлятьсообщения с различными идентификаторами в зависимости от характера передаваемыхданных, а также принимать и обрабатывать сообщения с различнымиидентификаторами в зависимости от настройки входных фильтров.
В результате применения схемыадресации, ориентированной на содержимое, обеспечивается высокая степеньконфигурируемости и гибкости системы. Добавление в сеть новых узлов можетосуществляться без модификации аппаратной или программной части сети.
CANпротокол предусматривает два алгоритма передачи данных:
передающий узел самостоятельнопередает кадр данных, остальные узлы его принимают и обрабатывают;
узел может послать запрос нанеобходимые данные, по этому запросу узел-источник данных передает сообщение,которое, как и в первом случае, принимается и обрабатывается.
Данные передаются в кадре данных(data frame),а для запроса данных предусмотрен кадр запроса (remote frame), имеющий сходную структуру. Кадрдля передачи по шине состоит из семи основных полей. CAN протокол поддерживаетдва формата кадров (стандартный и расширенный), которые различаются толькодлиной идентификатора (ID).
Кадр стандартного форматаначинается стартовым битом «начало кадра» (SOF — Start of Frame). Заним следует поле арбитража, содержащее 11-битный идентификатор и бит RTRзапроса удаленной передачи (Remote Transmission Request). Этот бит указывает,передается ли кадр данных (0) или кадр запроса (1), в котором отсутствует поледанных.
Управляющее поле содержит битрасширения идентификатора (IDE — identifier extension), который указывает типформата кадра — стандартный (0) или расширенный (1). (В расширенном форматепосле бита IDE следуют 18 дополнительных бит идентификатора). Кроме того, вэтом поле находятся зарезервированный для будущего применения бит R0 и четыребита DLC для указания длины поля данных. За управляющим полем идут поле данных(0-8 байт) и поле (15 бит + рецессивный бит ограничителя этого поля) циклическогоконтроля CRC, используемое для контроля кадра (x15 + x14+ x10 + x8 + x7 + x4 + x3+ 1).
Поле подтверждения (АСК) состоитиз области АСК длиной в 1 бит и ограничителя поля АСК. АСК-бит помещается нашину передатчиком как рецессивный (логическая 1). Приемники, корректнопринявшие эти данные, преобразуют его в логический 0, делая его доминантным. Такимобразом, передающий узел получает подтверждение, что хотя бы один приемникправильно принял его сообщение. Сообщения подтверждаются приемниками независимоот результата тестирования данных при приёме.
Конец сообщения указывается EOF (7 рецессивных бит), после которого идет пауза. Длинапаузы равна минимальному количеству битов (3 бита), отделяющих последовательныесообщения.
В отличие от других шинныхсистем, в CAN протоколе не используются подтверждающие сообщения. Вместо этогоон сигнализирует о возникших ошибках передачи. Всего в CAN-протоколереализовано пять механизмов проверки на наличие ошибок. Флаг ошибки — этосообщение, содержащее 6 доминантных бит подряд. Другие узлы, приняв такуюпоследовательность, также могут передать флаг ошибки. Поэтому максимальнаядлина этого поля может достигать 12 доминантных бит. Завершается кадр ошибкиограничителем флага ошибки из 8 рецессивных бит, после стандартной паузы (3бита), прерванная кадром ошибки передача должна быть повторена.
Первые три алгоритма контроляреализованы на уровне сообщений:
Циклический контроль. Контролируемыеполя кадра от SOF до CRC. Прииспользовании этого метода в конце передачи добавляются биты циклическогоизбыточного кода. При приеме сообщения происходит его повторное вычисление исравнение с полученным кодом циклического контроля. Если эти два значения несовпадают, то выявляется ошибка CRC.
Контроль кадра. Проверяетсясоответствие структуры передаваемого кадра его фиксированному формату и размеру.Ошибки, которые могут возникнуть при проверке кадра, получили название «ошибкиформата».
Ошибки подтверждения. Как ужеранее было сказано, принятые кадры подтверждаются всеми приемниками. Еслипередатчик не получил никакого подтверждения, то это может означать, чтоприемники обнаружили ошибку (искажено поле АСК), либо приемники вообщеотсутствуют в сети.
Следующие два алгоритма определенияошибок реализованы в протоколе CAN на битовом уровне:
Мониторинг шины. Одна изособенностей CAN сети состоит в том, что передающий узел может контролироватьсвой собственный сигнал на шине во время передачи. Таким образом, каждый узелможет наблюдать за уровнем сигнала на шине и определять различие переданного ипринятого бита. Расхождение сигналов в поле арбитража требует прекращенияпередачи, а расхождение в других полях кадра генерирует ошибку.
Заполнение битами. В CANиспользуется сигнальный код NRZ. Однако, если подряд идет слишком много битов содним и тем же значением, то возможен сбой синхронизации. Если в сообщенииподряд идут пять битов с одинаковым значением, то передатчик автоматическивставляет дополнительный бит. Этот бит автоматически удаляется из сообщенияприемниками. Если будет получено шесть последовательных битов с одним и тем жезначением, то по CAN протоколу это считается ошибкой.
Если в течение передачи кадрахотя бы одна станция обнаружит ошибку по любому из алгоритмов контроля (локальнаяошибка), то она передает кадр ошибки, который аварийно завершает текущуюпередачу. В этом случае все узлы сети не обрабатывают принятое сообщение, чемдостигается непротиворечивость данных во всей сети. Узлы сети, не обнаружившиеошибку, после приема кадра ошибки должны повторить передачу кадра ошибки (глобализацияошибки), поэтому максимальная длина этого поля может достигать 12 доминантныхбит. Завершается кадр ошибки ограничителем флага ошибки из 8 рецессивных бит,после стандартной паузы (3 бита), прерванная кадром ошибки передача должна бытьповторена. Как правило, повторная передача начинается в течение периодавремени, соответствующего передаче 23 битов, отсчитываемого с моментаобнаружения ошибки.
Для реализации процедурсамоконтроля каждый узел CAN сети содержит два счетчика:счетчик ошибок приема (REC) и счетчик ошибок передачи (TEC). Счетчики автоматически инкрементируются послеобнаружения каждой ошибки и декрементируются после корректной передачи илиприема кадра. В зависимости от состояния счетчиков ошибок узел может находитьсяв одном из трех состояний: активной ошибки, пассивной ошибки, отключен от шины.
Состояние активной ошибкиявляется основным для узла CAN сети и предполагает егонормальное функционирование. При обнаружении ошибки в этом состоянии узелпосылает кадр активной ошибки (6 доминантных бит). Состояние активной ошибкибудет продолжаться до тех пор, пока число ошибок в любом из счетчиков непревышает 127. Если число ошибок превышает 96, микроконтроллеру узла передаетсясообщение о критическом числе ошибок. При числе ошибок более 127, но менее 256узел переходит в состояние пассивной ошибки.
Состояние пассивной ошибкисвидетельствует о часто повторяющихся ошибках. Узел из этого состояния можетсамостоятельно вернуться к активной ошибке, если число ошибок в счетчикахстанет менее 128. При обнаружении очередной ошибки узел имеет право передатьтолько кадр пассивной ошибки (6 рецессивных бит), который не может изменитьтекущую передачу любого другого узла. При повторении прерванной передачи этогоузла должна быть сделана дополнительная пауза (8 рецессивных бит) для того,чтобы не мешать передаче кадров других узлов.
Если число ошибок в любом изсчетчиков превысит 255, узел должен отключиться от шины (на практике REC содержит только 8 дв. разрядов и поэтому число ошибокприема не может превысить этот порог). Самостоятельно CANконтроллер узла не может вернуться в рабочее состояние. Если произведен внешнийсброс, CAN контроллер возвращается в состояние активнойошибки и после паузы 128х11 (1408) может передавать сообщения.
CANпротокол определяет правила накопления числа ошибок в счетчиках REC и TEC. В зависимости от видаошибки увеличение числа ошибок в счетчиках может быть от 1 до 8 при обнаруженииоднократной ошибки. Декремент содержимого счетчиков в состоянии активной ошибкипроизводится всегда только на 1. Это позволяет присваивать разные весаразличным ошибкам. Например, обнаружение ошибки при приеме увеличивает REC на единицу одновременно с отправкой кадра активной ошибки;если принимается доминантный бит после отправки узлом кадра активной ошибки, REC увеличивается на 8, т.к это означает, что только данныйузел обнаружил ошибку. Успешный прием кадра узлом уменьшает REC(если он был не нулевым) на 1 в состоянии активной ошибки; если узел был всостоянии пассивной ошибки, в REC устанавливаетсявеличина от 119 до 127 (т.е. при TEC менее 128 узелперейдет в состояние активной ошибки).
Любой узел может также послатькадр перегрузки (overload frame), если, во-первых, он не успевает обрабатыватьпоступающие сообщения и не может обеспечить прием следующего сообщения,во-вторых, при приеме доминантных бит в паузе между кадрами (это может означатьпотерю синхронизации при приеме). Кадр перегрузки имеет такой же формат, как икадр ошибки, но передается всегда только после завершения приема кадра. А кадрошибки может быть передан только в процессе передачи кадра. Кадр перегрузки неувеличивает состояние счетчиков ошибок и не приводит к повторной передачекадров. Допускается передача узлом не более 2 кадров перегрузки подряд.
В соответствии со всемипроцедурами контроля:
передача кадра считаетсяуспешной, если не обнаружено ошибок до конца поля EOF;
прием кадра считается успешным,если не обнаружено ошибок и в течение межкадрового интервала (3 бита после EOF).
Необходимо помнить, что CAN протокол не содержит эффективных средств контроля ивосстановления искаженных данных кроме процедуры контроля CRC.Процедуры LLC не предусмотрены, несмотря на высокуюпомехоустойчивость возможны выпадения и вставки. Если необходимы дополнительныесредства контроля данных, они должны реализовываться HLPпротоколами.
В настоящее время выпускают CAN контроллеры, которые поддерживают одну из трех версийпротокола. Версия CAN 2.0Aподдерживает работу только с кадрами стандартного формата, имеющими 11-битныйидентификатор. CAN 2.0B passive обеспечивает передачу кадровстандартного формата, а прием и обработку кадров и стандартного формата, ирасширенного формата с 29-битным идентификатором. CAN 2.0B activeобеспечивает обработку кадров обоих форматов.
/>
Рис.1. Архитектура CAN контроллера
Очевидно, что CANконтроллер должен содержать буферные ЗУ и для передаваемых данных, и для принимаемыхданных. Реализация процедур CAN протокола, как правило,производится аппаратно с передачей через трансивер выходных сигналов узла (Tx) и входных сигналов с шины (Rx). Приемныйфильтр аппаратно производит селективную запись принимаемых кадров по их идентификаторамв буферное ЗУ. Предполагается, что буфер передачи должен обеспечивать хранение,по крайней мере, одного сообщения, а буфер приема — не менее двух сообщений. Чащевсего CAN контроллеры имеют больший объем буферных ЗУ. Доступк данным в буферных ЗУ может производиться по алгоритму FIFOлибо в более сложных реализациях с учетом уровня приоритета, определяемогоидентификатором. Интерфейс CAN контроллера суправляющим микроконтроллером узла — стандартный. Через этот интерфейспроизводится настройка параметров, режимов, приемного фильтра и т.п., а такжеобмен данными с CAN шиной. В настоящее времяпроизводится достаточно большое число управляющих микроконтроллеров, которыесодержат встроенные средства для обмена данными по CANсети.
В связи с тем, что CAN протокол определяет только процедуры физического и MAC уровней, а построение сети требует решения и другихзадач, связанных, например, с процедурами LLC,процедурами автоматического выбора параметров и режимов при инициализацииработы узлов, разработаны так называемые CAN HLP протоколы.
К настоящему времени известноуже более четырех десятков CAN HLP. Среди CAN HLP наибольшее распространение всистемах промышленной автоматизации получили четыре, поддерживаемых ассоциациейCiA: CAL/CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet и SDS.
3.2 Сети PROFIBUS
Комплекс коммуникационныхсредств для решения задач автоматизации SIMATIC NET (Siemens)содержит три самостоятельных технологии передачи данных для разных уровнейуправления: AS-интерфейс, сеть Profibus,сеть Industrial Ethernet. Области применения каждой технологии показаны на рис.2.Industrial Ethernet — технология классических компьютерных сетей и на верхнемуровне управления решает задачи информационного взаимодействия подсистемуправления. AS-интерфейс с упрощенными алгоритмамиорганизации передачи данных предназначен для обеспечения связи междудвухпозиционными элементами локальных систем управления: датчиками,исполнительными устройствами, контроллерами нижнего уровня и т.п. Profibus содержат средства для реализации и техническоговзаимодействия локальных систем управления, и информационного взаимодействияподсистем управления.
3.2.1 AS-интерфейс
AS-интерфейс (международныйстандарт EN 50 295) реализует обмен данными следующим образом:
AS-интерфейс является системой содним ведущим устройством. Это устройство опрашивает поочерёдно все ведомые,ожидая от каждого ответ. Максимальное число ведомых устройств — 31, цикл опроса- 5 мс.
Адрес ведомого устройстваявляется его идентификатором. Присвоение адреса происходит в системе AS-интерфейсатолько один раз.
/>
Рис.2. Коммуникационныесредства SIMATIC NET
Установку адреса можно выполнитьлибо с помощью специального модуля задания сетевых адресов, или с помощьюведущего устройства. Адрес постоянно хранится в ведомом устройстве.
Ведущее устройство контролируетсигналы в линии связи, а также передаваемые данные и распознаёт ошибки передачиили выход из строя ведомых.
Замена или добавление ведомыхустройств в режиме нормальной работы не окажет влияние на обмен данными сдругими ведомыми устройствами.
Физические характеристикиинтерфейса:
2-жильный кабель для передачисигналов и подачи напряжения питания. Мощность, которая может быть подана наведомое устройство, зависит от используемого блока питания AS-интерфейса. Длявыполнения соединений предлагается кабель специального типа, исключающийподключение с неправильной полярностью и позволяющий производить подключениепользовательских модулей AS-интерфейса методом прокалывания оболочки кабеля.
Древовидная топология сети придлине кабеля до 100 м. Древовидная топология AS-интерфейса позволяетиспользовать любую точку сегмента кабеля как начало новой ветви. Суммарнаядлина всех сегментов может достигать 100 м.
Сигналы физического уровняпередаются по протоколу RS485 со скоростью 31,25 кбит/с.
В AS-интерфейсе используютсясообщения с постоянной длиной. Отпадает необходимость в сложных процедурахуправления передачей и установления длины сообщений или формата данных. Этопозволяет ведущему устройству поочерёдно опрашивать все ведомые устройства за 5мс и обновлять данные как на ведущем, так и на ведомых устройствах в пределахэтого цикла. Ведомые устройства являются каналами ввода и вывода AS-интерфейса.Они активны только тогда, когда вызываются ведущим устройством и выполняютопределённые действия или передают ответы на ведущее устройство по его команде.Каждое стандартное ведомое устройство может принимать 4 бита данных ипередавать также 4 бита.
В системах SIMATIC роль ведущихустройств играют коммуникационные процессоры (CP), которые управляют обменомданных, или системы распределенного ввода/вывода (шлюзы, обеспечивающие доступк исполнительным механизмам и датчикам, например, из PROFIBUS DP).
3.2.2 Сеть Profibus-DP
Технологии сетей PROFIBUS (Siemens) подразделяются на 3 протокола: DP, FMS и PA. Profibus-DP оптимизирован для быстрого обмена данными между системамиавтоматизации и децентрализованной периферией. FMS-сервисы (Fieldbus MessageSpecification) обеспечивают большую гибкость при передаче больших объемовданных. Profibus-DP и Profibus-FMS (стандарт EN 50170) применяют одинаковуютехнику передачи и единый протокол доступа к шине и поэтому могут работатьчерез общий кабель. PROFIBUS-PA — специальная концепция, позволяющая подключатьдатчики и приводы, находящиеся во взрывоопасной зоне.
Физический уровень реализован попротоколу RS485 с соответствующими ограничениями поскорости и расстоянию. (Могут использоваться также волоконно-оптические или беспроводныеканалы связи). Физически система PROFIBUS состоит из нагруженной с двух сторонактивной линии — шинной структуры, которая обозначается, как сегмент шины RS485.Предельные параметры сети приведены в табл.1. К кабельному сегменту можно постандарту RS-485 подключить до 32 устройств. Стандартные скорости: 9.6 кбит/с,19.2 кбит/с, 45.45 кбит/с, 93.75 кбит/с, 187.5 кбит/с, 500 кбит/с, 1.5 Мбит/с,3 Мбит/с, 6 Мбит/с или 12 Мбит/с.
Таблица 1
Топология Общая шина или древовидная с использованием повторителей Линия связи Экранированная витая пара Длина кабельных сегментов1000м для скорости 187,5 кбит/с
400 м для скорости 500 кбит/с
200 м для скорости 1,5 Мбит/с
100 м для скорости 3,6 и 12 Мбит/с
Количество последовательно подключенных повторителей Не более 9 Количество узловНе более 32 на кабельном сегменте,
не более 127 в сети с повторителями
В сетях PROFIBUS используютсяметоды доступа “Token Bus" (сеть с передачей маркера или маркерное кольцо)для активных станций и “Master-Slave" (Ведущий-Ведомый) — для пассивных. Алгоритмдоступа не зависит от конкретной среды передачи данных и реализуется следующимобразом:
Все активные узлы (ведущие) формируютлогическое маркерное кольцо, имеющее фиксированный порядок, при этом каждыйактивный узел «знает» другие активные узлы и их порядок в логическомкольце (порядок не зависит от расположения активных узлов на шине).
Право доступа к каналу передачиданных, так называемый “маркер”, передаётся от активного узла к активному узлув порядке, определяемом логическим кольцом.
Если узел получил маркер (адресованныйименно ему), он может передавать пакеты. Время, отпущенное ему на передачупакетов, определяется временем удержания маркера. Как только это времяистекает, узлу разрешается передать только одно сообщение высокого приоритета. Еслитакое сообщение отсутствует, узел передаёт маркер следующему узлу в логическомкольце. Маркерные таймеры, по которым рассчитывается максимальное времяудержания маркера, конфигурируются для всех активных узлов.
Если активный узел обладаетмаркером и для него сконфигурированы соединения с пассивными узлами (соединения«ведущее устройство — ведомое устройство»), производится опроспассивных узлов (например, считывание значений) или передача данных на этиустройства (например, передача команд).
Пассивные узлы никогда непринимают маркер.
При инициализации сети каждомуузлу назначается адрес в диапазоне 0-126. Активные узлы, подключенные кPROFIBUS, упорядочены по возрастанию их адреса в логическом маркерном кольце. Времяодного обращения маркера через всех активных участников называется временемобращения маркера. Устанавливаемое заданное время обращения маркера Ttr(Time target rotation) определяет максимально разрешенное время обращениямаркера.
Адреса всех имеющихся на шинеактивных узлов заносятся в LAS (List of Active Station — список активныхстанций). Для управления маркером при этом особенно важны адреса предыдущейстанции PS (Previous Station), от которой маркер поступает, и следующей станцииNS (Next Station), которой маркер передается. LAS также нужен, чтобы притекущей работе исключать из кольца вышедших из строя или дефектных активныхучастников и, соответственно, принимать вновь появившихся участников без помехтекущему обмену данными по шине.
Метод Master-Slave дает возможностьмастеру (активному узлу), который имеет право прямой передачи, опрашиватьназначенных ему Slaves (пассивных узлов). Мастер при этом имеет возможностьпередавать и принимать сообщения от Slave. Цикл обмена между DP-Master и однимDP-Slave состоит из кадра запроса (Request Frame), отправляемого DP-Master, ипередаваемого DP-Slave ответа или кадра подтверждения (Response Frame).
При инициализации сети должнысогласовано задаваться различные временные параметры, необходимые для контроляработы сети по тайм-аутам. При обмене данными DP-Slave реагирует накадры-запросы Data_Exchange DP-Master (класс 1), который его параметрировал иконфигурировал. Другие сообщения DP-Slave не обрабатывает. Внутрипользовательских данных нет дополнительных управляющих или структурныхэлементов для описания передаваемых данных, то есть передаются чистыепользовательские данные. С помощью кадров запрос-ответ можно обмениватьсяданными между DP-Master и DP-Slave в обоих направлениях объемом до 244 байт. Форматыкадров канального уровня:
Кадр с фиксированной длиной
SD1 DA SA FC FCS ED
Кадр с фиксированной длиной поляданных
SD3 DA SA FC Data unit (l=3 байта) FCS ED
Кадр с переменной длиной поляданных
SD3 LE LEr DA SA FC Data unit (l=0-244 байта) FCS ED
Кадр квитирования
SC
Кадр-token(маркер)
SD4 DA SASC (Single Character) отдельныйсимвол, используется только для квитирования (SC = E5h);
SD1-SD4 (Start Delimiter) стартовыйбайт для отличия различных форматов (SD1 = 10h, SD2 = 68h, SD3 = A2h, SD4 = DCh);
LE / LEr (LEngth) байт длины,указывает длину информационных полей для кадров с переменной длиной;
DA (Destination Adress) байтадреса узла — приемника;
SA (Source Adress) байт адресаузла — источника;
FC (Frame Control) контрольныйбайт содержит информацию о службе для данного сообщения и приоритет сообщения;
Data Unit поле данных, можеттакже содержать возможные расширения адреса;
FCS (Frame Check Sequence) проверочныйбайт, содержит контрольную сумму;
ED (End Delimiter) оконечныйбайт, указывает на завершение кадра (ED = 16h).
При приеме кадров могут бытьраспознаны следующие ошибки:
ошибки символьного формата (четность,переполнение, ошибка кадра);
ошибки протокола;
ошибки разделителей начала иокончания;
ошибки байта проверки кадра;
ошибки длины кадра.
Кадр, у которого обнаруженаошибка, повторяется, по крайней мере, один раз. Имеется возможность повторятькадры до 8 раз (шинный параметр Retry). Наряду с передачей данных «точка-точка»,могут осуществляться также передачи во многие точки Broadcast и Multicast. При коммуникацияхBroadcast активный участник посылает сообщение всем остальным участникам (Masterи Slave). Прием данных не квитируется. При коммуникациях Multicast активныйузел посылает сообщение группе участников (Master и Slave). Прием данных такжене квитируется.
В некоторых случаях необходимо,чтобы шинный цикл DP по времени оставался постоянным (рис.3) и, следовательно,обмен данными должен происходить строго периодически. Это находит применение,например, в технике электроприводов для самосинхронизации нескольких приводов. Вотличие от нормального DP цикла при постоянном по времени цикле в DP-Masterрезервируется определенная часть времени для ациклической передачи данных. Постоянныйпо времени DP-цикл может быть установлен только в системе с одним мастером.
/>
Рис.3. Циклический обмен в PROFIBUS DP
При спроектированнойперекрестной связи DP-Slave отвечает не кадром one-to-one (Slave → Master), а специальнымкадром one-to-many(Slave → m). Таким образом, входные данные Slave,содержащиеся в ответном кадре, предоставляются не только соответствующемумастеру, но и всем узлам шины.
Интерфейс PROFIBUS DP в функциональных модулях SIMATICS7 (Siemens) может поддерживаться встроенными интерфейсамимодулей, с помощью дополнительных интерфейсных DP-модулейили коммуникационных процессоров.
Таблица 2
/>
Службы с различными алгоритмамиобмена данными (табл.2) вызываются через точки доступа к службе SAP (ServiceAccess Point) из вышестоящего уровня. В PROFIBUS-FMS используются эти точкидоступа для адресации логических коммуникационных связей. В PROFIBUS-DP и PAприменяемые точки доступа строго упорядочены. У всех активных и пассивныхучастников можно использовать параллельно несколько точек доступа. Различаются точкидоступа источника SSAP (Source Service Access Point) и точкидоступа цели DSAP (Destination Service Access Point).
DP-Slave в системе SIMATIC S7 (Siemens) по структуре и функциям подразделяются на 3 группы:
Компактные DP-Slave, модули сфиксированной структурой портов ввода/вывода, доступных для передачи данных.
Модульные DP-Slave,. модули спрограммируемой структурой портов ввода/вывода, доступных для передачи данных.
Интеллектуальные DP-Slave (I-Slave),как правило, контроллерные модули с передачей данных не из портов ввода/вывода,а из доступного в PROFIBUS адресного пространства ОЗУ.
Для решения типовыхкоммуникационных задач в PROFIBUS используются профили, объединяющие в единыйкомплекс необходимый набор сетевых средств. Профили также указывают наборкоммуникационных функций, которые должны поддерживать используемые техническиесредства.
Для PROFIBUS FMS определеныследующие профили:
Коммуникации между контроллерами(профиль 3.002). Этот коммуникационный профиль устанавливает, какие FMS-службыприменяются для коммуникаций между контроллерами (PLC). Установлены службы,параметры и типы данных, которые каждый PLC должен поддерживать.
Профиль для автоматизации зданий(профиль 3.011). Это отраслевой (специализированный) профиль и основа длямногих открытых стандартов в автоматизации зданий. Описывает, какосуществляется обмен, управление, регулирование, обслуживание, обработка иархивирование сигналов в системах автоматизации зданий через FMS.
Коммутационные низковольтныеприборы (профиль 3.032) Этот профиль определяет алгоритмы работы низковольтныхкоммутационных приборов при коммуникациях через FMS.
Установлены следующие профилиPROFIBUS-DP:
Профиль NC/RC (профиль 3.052). Профильописывает управление и обслуживание роботов через PROFIBUS-DP. На основанииконкретной блок-схемы алгоритма описывается движение и программное управлениероботом.
Профиль Encoder дляпреобразователя угол-код (профиль 3.062). Профиль описывает подключение Encoderк PROFIBUS-DP. Определены основные и дополнительные функции такие, какмасштабирование сигналов и расширенная диагностика.
Профиль для приводов сизменяемым числом оборотов (профиль 3.072). Ведущие производители приводов разработалиобщий PROFIDRIVE-профиль. Профиль устанавливает, как приводы параметрируются ипередают заданные и истинные значения, содержатся необходимые установки длявида работы регуляторов скорости и позиционирования. Профиль устанавливаетосновные функции приводов и дает свободное пространство для пользовательскихрасширений. Профиль содержит описание пользовательских функций DP илиальтернативных функций FMS.
Профиль для управления инаблюдения HMI (Human Machine Interface) (профиль 3.082). Профиль устанавливаетдля средств HMI правила подключения через PROFIBUS-DP к компонентамавтоматизации. Профиль использует для коммуникаций расширенные функцииPROFIBUS-DP.
Профиль для защищенной от ошибокпередачи данных через PROFIBUS-DP (профиль 3.092) В этом профиле устанавливаютсядополнительные механизмы защиты данных для коммуникаций с защищенными от ошибоккомпонентами.
В целом, коммуникационныетехнологии Profibus являются завершенными интерфейсными средствами для системавтоматизации. Эта завершенность, с одной стороны, существенно облегчает ихприменение. Но, с другой стороны, снижает функциональную гибкость и возможностьизменения алгоритмов работы в соответствии с какими-либо требованиями. ИнтерфейсыProfibus реализованы в полной мере в функциональных модулях различногоназначения, предлагаемых фирмой Siemens для решениязадач автоматизации в промышленности.
Список литературы
1. Уолрэнд Дж. Телекоммуникационные и компьютерные сети. — М.: Постмаркет,2007.
2. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии,протоколы. — СПб.: «Питер», 2004.
3. Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. Основы локальных сетей. — М.: 2005.
4. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Основы сетей передачи данных. — СПб.: «Питер»,2005.
5. Хамбракен Д. Компьютерные сети: Пер. с англ. — М.: ДМК Пресс, 2004.
6. Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. Локальные сети. Архитектура, алгоритмы,проектирование. — М.: ЭКОМ, 2009.
7. Нанс Б. Компьютерные сети: Пер. с англ. — М.: «БИНОМ», 2006.