2010 Wprowadzenie do sieci komunikacyjnych

Systemy Mechatroniczne
Wprowadzenie do sieci komunikacyjnych
Sieci komunikacyjne jako istotny czynnik integracji
Systemy
Mechatroniczne
Studia dzienne
14-01-2011
Michał Bartyś
2
Sieci komunikacyjne
1. Sieci komunikacyjne
1.1. Wprowadzenie
Sieci komunikacyjne
stanowią na obecnym poziomie rozwoju techniki
podstawowy element integracyjny infrastruktury
informacyjnej społeczeństw, systemów gospodarczych
oraz środków produkcji i usług.
Kanały komunikacyjne
to elementy składowe sieci komunikacyjnych.
Media transmisyjne
to fizyczne elementy składowe kanałów komunikacyjnych.
3
Sieci komunikacyjne
1. Sieci komunikacyjne
1.1. Rozległe sieci komunikacyjne
Rozległe sieci
komunikacyjne
to sieci komunikacyjne o zasięgu
globalnym. Sieci takie nazywane
są równieŜ sieciami typu WAN
(Wide Area Networks).
Rozległe sieci
komunikacyjne
to sieci o strukturze hybrydowej.
4
Sieci komunikacyjne
1. Sieci komunikacyjne
1.1. Rozległe sieci komunikacyjne
Cechy rozległych sieci komunikacyjnych
zasięg globalny
realizowane przez wyspecjalizowanych dostawców usług
sieciowych
powszechna dostępność
niejednorodność (heterogeniczność) kanałów
komunikacyjnych
pakietowy sposób wymiany informacji
zróŜnicowanie prędkości transmisji w róŜnych segmentach
sieci
brak determinizmu
wysoka prędkość transmisji danych
moŜliwość nieautoryzowanego dostępu do przesyłanej
informacji
5
Sieci komunikacyjne
1. Sieci komunikacyjne
1.1. Rozległe sieci komunikacyjne
1.1.1. Ograniczenia w zastosowaniach do automatyzacji procesów
Do istotnych ograniczeń w stosowalności sieci
komunikacyjnych do automatyzacji procesów
wytwórczych naleŜą:
brak determinizmu,
moŜliwość nieautoryzowanego dostępu do przesyłanej
informacji.
Determinizm
to cecha systemu lub sieci komunikacyjnej polegająca na
moŜliwości ścisłego określenia czasu transmisji informacji
do kaŜdego urządzenia sieciowego.
6
6
Sieci komunikacyjne
Przykład
1. Sieci komunikacyjne
1.1. Rozległe sieci komunikacyjne
1.1.2. Protokół TCP/IP
TCP
implementuje zadania
warstwy transportowej modelu
komunikacyjnego ISO/OSI.
Zapewnia wspólny mechanizm
organizacji wymiany danych
pomiędzy urządzeniami sieciowymi.
IP
implementuje zadania warstwy
sieciowej modelu komunikacyjnego
ISO/OSI.
Definiuje wspólny mechanizm
jednoznacznego adresowania
wszystkich urządzeń sieciowych.
7
Sieci komunikacyjne
Przykład
1. Sieci komunikacyjne
1.1. Rozległe sieci komunikacyjne
1.1.3. Adres IP
Adres IP
jednoznacznie identyfikuje kaŜde urządzenie sieciowe,
jest ciągiem binarnym 32 bitowym,
do jego zapisu stosowana jest notacja numeryczna i
symboliczna
w notacji numerycznej stosowane są dziesiętne interpretacje
4 oktetów binarnych, z których składa się adres IP
w notacji symbolicznej adresowi IP przyporządkowany jest
unikalny ciąg znaków alfanumerycznych
adresy IP naleŜą do 4 klas (A, B, C, D i E)
IANA (Organizacja Zarządzania Adresów Internetowych)
zajmuje się globalną dystrybucją adresów klasy A do
Regionalnych Rejestrów Internetowych, które z kolei zajmują
się dalszą dystrybucją adresów IP.
8
Sieci komunikacyjne
Przykład
1. Sieci komunikacyjne
1.1. Rozległe sieci komunikacyjne
1.1.4. Adres IP (przykład)
Przykład:
Urządzenie sieciowe ma następujący binarny adres IP
0000 1010 1000 0100 1000 0010 0010 1001
Adres ten składa się z czterech oktetów:
00001010.10000100.10000010.00101001
W notacji numerycznej heksadecymalnej adres ten moŜna
zapisać w postaci:
0A.84.82.29
W notacji numerycznej decymalnej adres ten moŜna zapisać
w postaci:
10.132.130.41
W notacji symbolicznej adres ten moŜna zapisać w postaci:
[email protected]
9
Sieci komunikacyjne
Przykład
1. Sieci komunikacyjne
1.1. Rozległe sieci komunikacyjne
1.1.5. Ramka IP
Ramka IP
strumień informacji dzielony jest na mniejsze
fragmenty (pola danych)
do kaŜdego pola danych dodawane są informacje o
charakterze logistycznym i kontrolnym
pole danych i informacje dodatkowe tworzą ramkę
IP zwaną takŜe pakietem IP.
do informacji logistycznych naleŜą: numer pakietu,
jego priorytet i długość w bajtach, sieciowe adresy
IP źródła informacji i przeznaczenia informacji
maksymalna długość łączna ramki jest ograniczona
do 65535 bajtów
10
Sieci komunikacyjne
Przykład
1. Sieci komunikacyjne
1.1. Rozległe sieci komunikacyjne
1.1.6. Ramka IP
Ramka IP nie gwarantuje, Ŝe informacja wysłana ze
źródła informacji dotrze do ujścia informacji. MoŜe się
zdarzyć tak, Ŝe pakiety dotrą do adresata w innej
kolejności niŜ zostały wysłane lub nie dotrą do niego
wcale.
Ze względu na konieczność podniesienia wiarygodności i
pewności przesyłania informacji w sieci stosowane są
dodatkowe sieciowe mechanizmy zabezpieczające. W
przypadku sieci Internet stosowany jest mechanizm
(protokół) TCP.
11
Sieci komunikacyjne
Przykład
1. Sieci komunikacyjne
1.1. Rozległe sieci komunikacyjne
1.1.7. Protokół TCP
Protokół TCP
jest protokołem
komunikacyjnym
zdefiniowanym na poziomie
warstwy transportowej modelu
komunikacji ISO/OSI
protokół ten jest realizowany
zgodnie ze sformalizowaną
procedurą nawiązania
komunikacji, której schemat
blokowy przedstawia rys. 2
procedura ta składa się z fazy
inicjacji komunikacji oraz fazy
transferów pakietów informacji
z potwierdzeniami ich przyjęcia
12
Sieci komunikacyjne
Przykład
1. Sieci komunikacyjne
1.1. Rozległe sieci komunikacyjne
1.1.7. Protokół TCP
Protokół TCP
w protokole stosuje się
numerację pakietów i sumę
kontrolną
numeracja pakietów pozwala
na ich właściwe uszeregowanie
w odbiorniku informacji i
kontrolę przypadków
ewentualnego zagubienia
pakietów
suma kontrolna pozwala na
weryfikację poprawności i
integralności informacji w
przesyłanych pakietach
13
Sieci komunikacyjne
1. Sieci komunikacyjne
1.2. Sieci lokalne
Lokalne sieci komunikacyjne
to sieci komunikacyjne o ograniczonym zasięgu i
ograniczonej liczbie urządzeń sieciowych. Sieci takie
nazywane są równieŜ sieciami typu LAN (Local Area
Networks).
14
14
Sieci komunikacyjne
1. Sieci komunikacyjne
1.2. Sieci lokalne
Cechy lokalnych sieci komunikacyjnych
zasięg lokalny (urządzenie, proces technologiczny,
budynek)
realizowane są bezpośrednio przez uŜytkowników
ogromna róŜnorodność realizacyjna
moŜliwość dołączenia do sieci WAN
wysoki poziom bezpieczeństwa informacji
moŜliwość realizacji sieci deterministycznych
zastosowania znajdują głównie do automatyzacji
produkcyjnych procesów ciągłych i dyskretnych,
maszyn i urządzeń oraz w automatyzacji budynków
stała prędkości transmisji w obrębie sieci
umiarkowane prędkości transmisji danych
15
15
Sieci komunikacyjne
1. Sieci komunikacyjne
1.2. Lokalne sieci komunikacyjne
1.2.1. Integracja sieci na poziomie przedsiębiorstwa
16
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach mechatronicznych
2.1. Rola i miejsce sieci LAN
2.1.1. Racjonalizacja zadań automatyzacji procesów
Cechy
wspólna magistrala komunikacyjna
moŜliwość zasilania urządzeń
pomiarowych i wykonawczych z sieci
istotna redukcja liczby połączeń
zmniejszenie kosztów instalacji,
uruchomienia i serwisu
moŜliwość zdalnego sterownia i
monitorowania procesu
moŜliwość zastosowania w warstwach
procesu i sterowania
determinizm
pewność i bezpieczeństwo przesyłu
informacji
17
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.2. Zdarzenia
2.2.1. System czasu rzeczywistego
Zdarzenie krytyczne czasowo
to zdarzenie procesowe, które musi być
obsłuŜone przez system sterowania w
ściśle określonym przedziale (oknie)
czasowym. Przekroczenie czasu obsługi
tego zdarzenia wywołuje skrajnie
niekorzystne następstwa z punktu widzenia
bezpieczeństwa procesu, jakości produktu
finalnego i wskaźników ekonomicznych.
System czasu rzeczywistego
to system gwarantujący obsługę zdarzeń
krytycznych czasowo.
18
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.2. Czas cyklu sieci
2.2.1. Przykład
Czas cyklu sieci
definiuje maksymalny czas jaki jest
konieczny do realizacji operacji
przesłania informacji o procesie.
Sieci komunikacyjne
wpływają w istotny sposób na czas
obsługi zdarzeń krytycznych czasowo.
19
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.3. Elektroniczny czas reakcji
2.3.1. Definicja
Elektroniczny czas reakcji
to łączny czas konieczny do realizacji czynności
komunikacyjnych i przetworzenia informacji wejściowych
procesu.
Tre = Tm +2 — Ts + Tm
20
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.4. Całkowity czas reakcji
2.4.1. Definicja
Całkowity czas reakcji
to łączny czas konieczny do uzyskania informacji z przetworników
pomiarowych, realizacji czynności komunikacyjnych, przetworzenia
informacji wejściowych i realizacji operacji sterowania urządzeń
wykonawczych.
Tr = Tre + Tp + Tz
21
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.5. Determinizm
2.5.1. Definicja
Deterministyczny system sieciowy
jest systemem o przewidywalnym czasie cyklu sieci Tm
Czas cyklu sieci w procesach przemysłowych wynosi od
0,1µs .. 500 ms.
22
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.5. Determinizm
2.5.1. Wymagania
Wymagania na determinizm sieci
są najwyŜsze w warstwie procesowej (obiektowej) i
warstwie sterowania. Wymagania na determinizm w
warstwie zarządzania procesu nie są konieczne.
23
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.6. Model referencyjny ISO/OSI
2.6.1. Funkcje warstw modelu
Model referencyjny systemów sieciowych
Definiuje usługi sieciowe warstwowego wirtualnego
systemu sieciowego.
24
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.6. Model referencyjny ISO/OSI
2.6.1. Funkcje warstw modelu
Sieci LAN wykorzystywane w systemach mechatronicznych
korzystają głównie z usług warstw: fizycznej, łącza danych i
aplikacyjnej (1,2,7). Sieci takie nazywane są sieciami
polowymi lub sieciami typu fieldbus.
25
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.7. Topologia sieci
2.7.1. Definicja
Topologia sieci
definiuje opis wzajemnych powiązań pomiędzy
urządzeniami sieciowymi.
Topologia sieci
jest zaleŜna głównie od specyfikacji warstwy fizycznej
sieci. RównieŜ specyfikacja warstwy łącza danych musi
wspierać topologię lub topologie moŜliwe w danej sieci.
KaŜda sieć komunikacyjna
moŜe być realizowana w jednej lub wielu róŜnych
topologiach.
26
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.7. Topologia sieci
2.7.1. Rodzaje
Rodzaje topologii sieci
magistrala
łańcuch
drzewo
pierścień
gwiazda
siatka
point-to-point
peer-to peer
27
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.7. Topologia sieci
2.7.2. Topologia magistrali
Topologia magistrali
charakteryzuje się tym, Ŝe wszystkie
urządzenia sieciowe są dołączone do
wspólnej linii komunikacyjnej.
Wymiana informacji pomiędzy
urządzeniami sieciowymi wymaga
określenia adresów nadajnika i
odbiornika lub odbiorników
informacji. W tym przypadku
informacje rozprzestrzeniane w sieci
są zaopatrywane w adres odbiorcy
informacji.
28
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.7. Topologia sieci
2.7.2. Topologia magistrali
Liczba urządzeń
moŜliwych do dołączenia do magistrali
jest ograniczona. Maksymalna liczba
moŜliwych do dołączenia urządzeń
jest zaleŜna
od specyfikacji i sposobu realizacji
warstwy fizycznej.
Przykłady
Sieci przemysłowe: PROFIBUS,
CAN, MODBUS
29
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.7. Topologia sieci
2.7.3. Topologia drzewa
Topologia drzewa
jest elastyczną i popularną
topologią sieciową.
MoŜliwe jest tworzenie gałęzi
drzewa z
segmentów sieci o topologii
magistrali przez
zastosowanie wzmacniaków.
Rozrost drzewa
nie jest jednak nieograniczony.
Przykłady
Sieci przemysłowe: MODBUS,
PROFIBUS, AS-i.
30
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.7. Topologia sieci
2.7.4. Topologia gwiazdy
Topologia gwiazdy
Charakteryzuje się tym, Ŝe
wszystkie urządzenia sieciowe
są dołączone bezpośrednio do
jednego wspólnego urządzenia
sieciowego, którym jest
rozgałęźnik lub koncentrator.
Przykłady
Sieci przemysłowe: AS-i,
Industrial Ethernet
31
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.7. Topologia sieci
2.7.5. Topologia pierścienia
Topologia pierścienia
jest charakterystyczna tym, iŜ
pomiędzy sąsiednimi
urządzeniami sieciowymi
istnieją bezpośrednie
połączenia (połączenia typu
point-to-point). Połączenia te
tworzą łańcuch, który po
zamknięciu tworzy pierścień.
Przykład
Sieć przemysłowa InterBus.
32
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.7. Topologia sieci
2.7.5. Topologia pierścienia
Topologia pierścienia
W takiej sieci wymiana
informacji pomiędzy
urządzeniami polega na tym,
Ŝe w jej przesłaniu biorą udział
wszystkie urządzenia sieciowe
pomiędzy nadajnikiem i
odbiornikiem informacji.
Przykład
Sieć przemysłowa InterBus.
33
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.7. Topologia sieci
2.7.5. Topologia pierścienia
Przykład
Jeśli urządzenie A chce przesłać
informację do urządzenia D, to
najpierw urządzenie A przesyła tę
informację do urządzenia B, a
następnie urządzenie B przesyła ją
do urządzenia C, a to z kolei
przesyła ją do urządzenia D. Dla
sprawdzenia poprawności
transmisji urządzenie D wysyła
zwrotnie kopię otrzymanej
informacji do urządzenia A, ale za
pośrednictwem urządzeń E i F.
Przykład
Sieć przemysłowa InterBus.
34
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.7. Topologia sieci
2.7.5. Topologia pierścienia
Przykład (c.d.)
Po uzyskaniu informacji
urządzenie A moŜe sprawdzić
jej poprawność.
W sieci o topologii
pierścieniowej kaŜde
urządzenie sieciowe odgrywa
automatycznie rolę
wzmacniaka.
Przykład
Sieć przemysłowa InterBus.
35
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.8. Prędkość transmisji
2.8.1. Wpływ warstwy fizycznej
Prędkość transmisji
w sieci zaleŜy od specyfikacji jej
warstwy fizycznej oraz
zastosowanego kanału
podkładowego.
36
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.8. Prędkość transmisji
2.8.1. Wpływ długości segmentów sieci
Prędkość transmisji
w sieci jest funkcją długości segmentów sieci.
37
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.8. Prędkość transmisji
2.8.1. Regeneracja sygnału
Wzmacniak
pozwala na wydłuŜenie
zasięgu całej sieci. Pozwala
równieŜ na zwiększenie
prędkości przesyłania
informacji dzięki moŜliwości
podziału sieci na krótkie
segmenty.
38
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.9. Media transmisyjne
2.9.2. Wymagania i zalecenia
Wymagania i zalecenia
kable miedziane są stosowane w realizacjach wszystkich
moŜliwych topologii sieci,
naleŜy stosować kable niskorezystancyjne (tzn. o duŜym
przekroju przewodnika),
naleŜy stosować kable o niskiej pojemności wzajemnej Ŝył i
pojemności pomiędzy Ŝyłami i uziemieniem,
naleŜy uziemiać ekrany wszystkich kabli wyłącznie w jednym
punkcie łącząc je z uziomem w konfiguracji gwiazdy,
naleŜy unikać prowadzenia kabli komunikacyjnych
równolegle z kablami zasilania energetycznego,
w miarę moŜności naleŜy krzyŜować trasy kablowe pod
kątem prostym.
39
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.9. Media transmisyjne
2.9.2. Kabel światłowodowy
Kabel światłowodowy
Stosowane są dwa zasadnicze
typy kabli światłowodowych:
jednomodowy
wielomodowy
40
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.9. Media transmisyjne
2.9.2. Wymagania i zalecenia
Wymagania i zalecenia
kable światłowodowe są stosowane zwłaszcza w topologiach
łańcuchowych i pierścieniowych,
kable światłowodowe są stosowane zwłaszcza w warunkach
występowania silnych zakłóceń elektromagnetycznych
kable światłowodowe są stosowane zwłaszcza w warunkach
występowania róŜnicy potencjałów pomiędzy urządzeniami
sieciowymi
kable światłowodowe są stosowane zwłaszcza w przypadku
zapewnienia bardzo duŜej prędkości transmisji.
w sieciach LAN stosowane są zwykle światłowody jednomodowe
w sieciach WAN stosowane są zwykle światłowody wielomodowe
kable światłowodowe są droŜsze od kabli miedzianych
41
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.10. Rodzaje transmisji
2.10.1. Definicje
Kanał podkładowy
jest fizycznym ośrodkiem transmisji.
Kanał komunikacyjny
jest transmisyjnym kanałem
logicznym. W jednym kanale
pierwotnym (podkładowym)
moŜe być wydzielony
jeden lub więcej kanałów
komunikacyjnych.
42
42
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.10. Rodzaje transmisji
2.10.1. Transmisja szerokopasmowa
Transmisja informacji
Stosowane są dwa zasadnicze
rodzaje transmisji informacji:
wąskopasmowa
szerokopasmowa
Transmisja szerokopasmowa
pozwala na wydzielenie w jednym kanale podkładowym wielu
kanałów komunikacyjnych zajmujących szerokie spektrum
częstotliwości. Komunikacja taka stosowana jest np. do jednoczesnej
transmisji cyfrowego sygnału telewizyjnego, telefonii cyfrowej i
internetu. Komunikacja szerokopasmowa ze względów
ekonomicznych nie jest stosowana w sieciach LAN. Jest natomiast
stosowana w sieciach WAN.
43
43
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.10. Rodzaje transmisji
2.10.2. Transmisja wąskopasmowa
Transmisja wąskopasmowa
polega na tym, Ŝe w kanale
komunikacyjnym o określonej
charakterystyce częstotliwościowej
realizowane są multipleksowane
czasowo kanały komunikacyjne w
miejsce modulacji i podziału
częstotliwości stosowanego w
transmisji szerokopasmowej.
Transmisja wąskopasmowa
stosowana jest w sieciach LAN.
44
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.10. Rodzaje transmisji
2.10.3. Transmisja synchroniczna
Transmisja synchroniczna
polega na zsynchronizowaniu nadajnika i
odbiornika informacji przez wykorzystanie
właściwości samosynchronizujących
odpowiednio zakodowanego sygnału w
kanale podkładowym. W tym celu
stosowane są róŜne metody kodowania
sygnału np. dwufazowy kod Manchester.
Odbiornik informacji na podstawie
uzyskanego sygnału z nadajnika odtwarza
sygnał i fazę jego sygnału zegarowego.
Dzięki temu moŜliwa jest synchronizacja
wzajemna nadajnika i odbiornika.
45
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.10. Rodzaje transmisji
2.10.3. Transmisja synchroniczna
Transmisja synchroniczna (c.d.)
Po dokonaniu synchronizacji, moŜliwe jest
przesłanie teoretycznie nieograniczonej
liczby bitów informacji pomiędzy
nadajnikiem i odbiornikiem. NaleŜy
jednak pamiętać, Ŝe zmiana kierunku
przepływu informacji, tzn. zamiana ról
nadajnika i odbiornika wymaga ponownej
synchronizacji.
Tryb pracy synchronicznej jest
wykorzystywany w sieciach LAN (np.
AS-i). Jego główną zaletą jest brak
konieczności ciągłej synchronizacji
nadajnika i odbiornika informacji.
46
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.10. Rodzaje transmisji
2.10.4. Transmisja asynchroniczna
Transmisja asynchroniczna
polega na zsynchronizowaniu nadajnika i
odbiornika przez wykorzystanie
właściwości synchronizujących specjalnie
wyróŜnionego bitu zwanego bitem
startu.
W przypadku stosowania transmisji
asynchronicznej transmitowana
informacja dzielona jest na krótkie,
zwykle ośmiobitowe odcinki, które są
zaopatrywane dodatkowo w bit
kontrolny i bit stopu. Całość tworzy tzw.
ramkę lub znak.
47
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.10. Rodzaje transmisji
2.10.4. Transmisja asynchroniczna
Transmisja asynchroniczna (c.d.)
W obrębie znaku poszczególne bity
kodowane są w równych odstępach
czasu. Natomiast ramki mogą być
transmitowane w całkowicie
dowolnych chwilach czasowych. Stąd
synchronizacja nadajnika i odbiornika
informacji następuje zawsze z chwilą
wystąpienia synchronizującego bitu
startu ramki.
48
Sieci komunikacyjne
2. LAN w systemach automatyzacji
2.10. Rodzaje transmisji
2.10.4. Transmisja asynchroniczna
Transmisja asynchroniczna (c.d.)
Tryb pracy asynchronicznej jest
wykorzystywany w sieciach LAN (np.
HART, PROFIBUS). Jego główną
zaletą jest brak konieczności
utrzymywania ciągłej synchronizacji
nadajnika i odbiornika informacji.
Jego wadą jest konieczność transferu
dodatkowych bitów
synchronizacyjnych.
49
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.1. Rodzaje sposobów dostępu do sieci
3.1.1. Definicje
Sieć
Jest zbiorem funkcjonalnie połączonych wzajemnie
urządzeń.
Protokół sieciowy
to sformalizowana procedura dostępu i wymiany
informacji w sieci.
Dostęp do sieci
moŜe być dostępem:
kontrolowanym (deterministycznym)
przypadkowym (niedeterministycznym)
50
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.1. Rodzaje sposobów dostępu do sieci
3.1.1. Dostęp do sieci
Kontrolowany dostęp do sieci
polega na tym, Ŝe kaŜde urządzenie sieciowe ma ściśle
określone prawa oraz tryb dostępu do innych urządzeń
sieci. Prawa te są egzekwowane przez wyróŜnione
urządzenia sieciowe.
Przypadkowy dostęp do sieci
polega na tym, Ŝe kaŜde urządzenie sieciowe ma
moŜliwość transmisji w kaŜdej chwili lub wówczas gdy
sieć nie jest zajęta.
51
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.2. Procedura Master/Slave
3.2.1. Definicje
Procedura Master-Slave
jest protokołem komunikacyjnym
definiującym kontrolowany dostęp do
sieci przez wyróŜnione urządzenie
zwane urządzeniem nadrzędnym lub
masterem.
Wszystkie inne urządzenia w sieci pełnią
rolę urządzeń podporządkowanych
(podrzędnych). Urządzenia te
nazywane są równieŜ urządzeniami typu
slave.
52
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.2. Procedura Master/Slave
3.2.1. Definicje
Sieć Master-Slave
jest zbiorem urządzeń sieciowych
składających się z jednego urządzenia
nadrzędnego i wielu urządzeń
podporządkowanych połączonych
wspólną magistralą sieciową.
Prawo inicjowania cyklu sieciowego
przysługuje wyłącznie jednostce nadrzędnej.
Rozkaz
jest prawem do zarządzania siecią. Prawo to przysługuje
wyłącznie jednostce nadrzędnej.
53
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.2. Procedura Master/Slave
3.2.2. Opis procedury
Adres
jest unikalnym kodem kaŜdego
urządzenia podrzędnego sieci.
Jednostka nadrzędna nie posiada
adresu.
Rozkazy
występują w dwóch postaciach:
rozkazów adresowanych i
rozkazów nie adresowanych.
54
54
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.2. Procedura Master/Slave
3.2.2. Opis procedury
Odpowiedź
Jednostki podporządkowane są
obowiązane udzielać odpowiedzi na
rozkazy adresowane. Jednostki
podporządkowane nie mogą odpowiadać na rozkazy nie adresowane.
Prędkość transmisji
wszystkich urządzeń w sieci musi być identyczna.
Konfiguracja sieci
polega na nadaniu adresów wszystkim podporządkowanym
urządzeniom sieciowym i ustawieniu identycznych parametrów
transmisji wszystkich urządzeń sieciowych.
55
55
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.3. Procedura typu token
3.3.1. Definicje
Token
jest formą nie materialnego
prawa do zarządzania siecią.
Token najczęściej posiada postać
krótkiej informacji.
Prawo do zarządzania
siecią.
Urządzenie sieciowe posiadające
token ma wyłączne prawo do
zarządzania siecią, ale wyłącznie
na czas przetrzymywania tokena.
56
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.3. Procedura typu token
3.3.1. Definicje
Czas przetrzymywania
tokena
jest ściśle zdefiniowany dla
kaŜdego urządzenia sieciowego.
Prawo przetrzymywania tokena
mają tylko i wyłącznie wyróŜnione
urządzenia sieciowe.
Rotacja tokena
Następuje wyłącznie pomiędzy wyróŜnionymi w sieci
urządzeniami odgrywającymi rolę urządzeń
nadrzędnych.
57
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.3. Procedura typu token
3.3.2. Opis
Pierścień logiczny
jest wirtualną siecią urządzeń
nadrzędnych, w której
podstawowym elementem wymiany
jest token.
Konfiguracja sieci
polega na ustaleniu urządzeń
nadrzędnych i podrzędnych, ustaleniu
czasów i sposobu przekazywania
tokena pomiędzy urządzeniami
nadrzędnymi, zaadresowaniu urządzeń
sieciowych i ustaleniu wspólnej
prędkości transmisji.
58
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.3. Procedura typu token
3.3.2. Hybrydowa procedura dostępu
Hybrydowa procedura
dostępu
to procedura dostępu do sieci, w
której pierścień logiczny
wykorzystywany jest do
przekazywania uprawnień do
zarządzania siecią pomiędzy
urządzeniami nadrzędnymi,
natomiast kaŜde z urządzeń
podporządkowanych współpracuje z
urządzeniami nadrzędnymi zgodnie
z procedurą typu master-slave.
59
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.4. Procedury typu CSMA
3.4.1. Zasady
Inicjalizacja cyklu sieci
w sieci z procedurą dostępu typu CSMA przez dowolne
urządzenie sieciowe jest moŜliwa gdy:
urządzenie sieciowe Ŝąda dostępu do sieci,
sieć nie jest zajęta.
Czas dostępu do sieci
jest w procedurze CSMA bliŜej nieokreślony. Urządzenie
sieciowe jest w stanie określić, Ŝe sieć jest zajęta, ale nie
jest w stanie określić na jak długo.
60
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.4. Procedury typu CSMA
3.4.2. Sposoby ponawiania prób dostępu do sieci
Śledzenie ruchu w sieci w sposób ciągły
pozwala na uzyskanie przez urządzenie sieciowe dostępu
do sieci natychmiast po stwierdzeniu przez nie, Ŝe sieć
jest nie zajęta.
Kolizja
występuje wówczas, gdy dostęp do sieci uzyskuje w
danym momencie czasowym więcej niŜ jedno urządzenie
sieciowe pracujące w trybie nadawczym.
61
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.4. Procedury typu CSMA
3.4.1. Zasady
Ponawianie próby dostępu do sieci
skuteczny dostęp do sieci wymaga zwykle realizacji
pewnej (losowej) liczby dostępów przez urządzenie
sieciowe. Czas dostępu jest zatem zmienną losową.
Procedury CSMA a determinizm sieci
Losowy czas dostępu do sieci czyni je w ogólności
sieciami niedeterministycznymi.
62
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.4. Procedury typu CSMA
3.4.2. Sposoby ponawiania prób dostępu do sieci
Sposoby ponawiania prób dostępu do sieci
losowy
śledzenia ruchu w sieci
Losowy sposób ponawiania prób dostępu do
sieci
polega na tym, Ŝe urządzenie sieciowe dokonuje
losowania przedziału czasowego, po którym ponowi próbę
dostępu do sieci. W przypadku ponownego nie uzyskania
dostępu, następna próba dostępu do sieci będzie
realizowana po czasie losowanym z grupy dłuŜszych
przedziałów czasowych, aŜ do skutku.
63
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.4. Procedury typu CSMA
3.4.3. Sposoby rozwiązywania kolizji
Kolizje
występują w sieciach typu CSMA niezaleŜnie od
realizacji sposobu dostępu do sieci.
Prawdopodobieństwo wystąpienia kolizji
jest tym większe im większe jest obciąŜenie sieci.
Wykrywanie kolizji
urządzenia sieciowe nadając informację, jednocześnie ją
odbierają z sieci. Porównując obie informacje mają
moŜliwość detekcji, czy nie nastąpiła kolizja. Procedura
dostępu SSMA z detekcją kolizji nazywa się procedurą
CSMA/CD.
64
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.4. Procedury typu CSMA
3.4.3. Sposoby rozwiązywania kolizji
Procedura CSMA/CD
nie zapobiega wystąpieniu kolizji.
Sygnał zagłuszenia
jest wysyłany przez urządzenie sieciowe natychmiast po
detekcji kolizji sieciowej. Sygnał ten dociera do
wszystkich innych urządzeń sieciowych informując je o
wystąpieniu kolizji. Po detekcji tego sygnału urządzenia
sieciowe będące w konflikcie odłączają się z sieci i
ponawiają do niej dostęp ale dopiero po losowo dobranym
odcinku czasu.
65
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.4. Procedury typu CSMA
3.4.4. Zapobieganie wystąpieniu kolizji
Procedura CSMA/CA
jest procedurą zapobiegającą wystąpieniu kolizji.
Zapobieganie wystąpieniu kolizji
polega na tym, Ŝe urządzenia śledzą stan zajętości sieci w
sposób ciągły. Po zwolnieniu sieci rozpoczynają
natychmiast cykl dostępu do sieci. Jeśli przynajmniej dwa
urządzenia sieciowe Ŝądają dostępu do niej w tej samej
chwili czasowej, to następuje rozpoczęcie procedury
arbitraŜu.
66
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.4. Procedury typu CSMA
3.4.4. Zapobieganie wystąpieniu kolizji
ArbitraŜ
polega na ustaleniu priorytetu sieciowego przesyłanej
informacji. Priorytety są wysyłane przez urządzenia
sieciowe na samym początku transmitowanych informacji.
Po ustaleniu, które z urządzeń wysyła informację o
wyŜszym priorytecie, następuje automatyczne odłączenie
z sieci tych urządzeń, których informacje mają niŜszy
priorytet i kontynuowanie transmisji informacji o
najwyŜszym priorytecie.
67
Sieci komunikacyjne
3. Dostęp do sieci
3.4. Procedury typu CSMA
3.4.4. Zapobieganie wystąpieniu kolizji
Procedura CSMA/CA a determinizm sieci
Zasadniczo sama procedura CSMA/CA jako taka nie
zapewnia determinizmu sieci.
Natomiast poprzez zastosowanie odpowiedniego
implementacji warstwy aplikacyjnej (warstwa 7 modelu
referencyjnego ISO) moŜna osiągnąć efekt determinizmu.
68
Sieci komunikacyjne
Przykład
4. Sieć komunikacyjna AS-i
4.1. Sieć AS-i
4.1.1. Otwarte systemy sieciowe
Otwarty system komunikacyjny
jest systemem komunikacyjnym o powszechnie dostępnej
specyfikacji. Nad rozwojem otwartych systemów
komunikacyjnych czuwają niezaleŜne od producentów
organizacje ponadnarodowe.
69
69
Sieci komunikacyjne
Przykład
4. Sieć komunikacyjna AS-i
4.1. Sieć AS-i
4.1.1. Otwarte systemy sieciowe
Kompatybilność
(ang. interoperability) jest cechą systemu sieciowego
polegająca na moŜliwości bezkolizyjnej współpracy
urządzeń na poziomie sprzętowym, programowym i
funkcjonalnym.
Specyfikacja otwartego systemu komunikacyjnego
zapewnia moŜliwość uzyskania kompatybilności urządzeń
sieciowych produkowanych przez róŜnych producentów.
70
70
Sieci komunikacyjne
Przykład
4. Sieć komunikacyjna AS-i
4.1. Sieć AS-i
4.1.1. Otwarte systemy sieciowe
Zamienność
(ang. interchangebility) jest cechą polegająca na
równowaŜności funkcjonalnej urządzeń sieciowych
produkowanych przez róŜnych producentów (np.
czujników indukcyjnych).
71
71
Sieci komunikacyjne
Przykład
4. Sieć komunikacyjna AS-i
4.1. Sieć AS-i
4.1.1. Otwarte systemy sieciowe
Sieć AS-i
jest komunikacyjnym otwartym systemem sieciowym
typu LAN przeznaczonym głównie do automatyzacji
produkcyjnych procesów dyskretnych na poziomie
warstwy produkcji.
72
72
Sieci komunikacyjne
Przykład
4. Sieć komunikacyjna AS-i
4.1. Sieć AS-i
4.1.1. Otwarte systemy sieciowe
Sieć AS-i
jest komunikacyjnym otwartym systemem sieciowym
typu LAN przeznaczonym głównie do automatyzacji
produkcyjnych procesów dyskretnych na poziomie
warstwy produkcji.
73
73
Sieci komunikacyjne
Przykład
4. Sieć komunikacyjna AS-i
4.1. Sieć AS-i
4.1.2. Definicja sieci
Sieć AS-i
jest komunikacyjnym otwartym systemem sieciowym
typu LAN przeznaczonym głównie do automatyzacji
produkcyjnych procesów dyskretnych na poziomie
warstwy produkcji.
Sieć AS-i
jest przeznaczona do komunikacji lokalnej pomiędzy
urządzeniami komunikacyjnymi wymieniającymi
stosunkowo niewielkie ilości informacji.
W sieci AS-i zdefiniowano
procedurę master-slave dostępu urządzeń do sieci.
74
74
Sieci komunikacyjne
Przykład
4. Sieć komunikacyjna AS-i
4.1. Sieć AS-i
4.1.3. Specyfikacja sieci
Sieć AS-i
jest obecnie stosowana w dwóch specyfikacjach: AS-i 2.0
i AS-i 2.11.
Maksymalna
liczba urządzeń typu slave jest równa 31 w specyfikacji
AS-i 2.0.
Maksymalna
liczba urządzeń typu slave jest równa 32 w specyfikacji
AS-i 2.11.
75
75
Sieci komunikacyjne
Przykład
4. Sieć komunikacyjna AS-i
4.1. Sieć AS-i
4.1.4. Podział urządzeń podporządkowanych
Urządzenia podporządkowane
dzielą się na dwie grupy:
urządzenia inteligentne zawierające interfejsy
komunikacyjne sieci AS-i
urządzenia sprzęgające pozwalające na dołączenie
do sieci AS-i urządzeń, które konstrukcyjnie nie są
wyposaŜone w interfejsy komunikacyjne tej sieci.
76
76
Sieci komunikacyjne
Przykład
4. Sieć komunikacyjna AS-i
4.1. Sieć AS-i
4.1.5. Struktura sieci
Sieć AS-i
złoŜona jest z:
jednostki nadrzędnej
zasilacza specjalnego AS-i
jednostek podporządkowanych
urządzeń sprzęgających
zasilaczy zewnętrznych (opcja)
77
77
Sieci komunikacyjne
Przykład
4. Sieć komunikacyjna AS-i
4.1. Sieć AS-i
4.1.9. Magistrala AS-i
Magistrala AS-i
jest magistrala dwuprzewodową.
Maksymalna długość magistali sieci AS-i
jest ograniczona do 100m.
Magistrala
nie wymaga stosowania rezystorów terminalnych.
Topologia
magistrali AS-i jest dowolna.
78
78
Sieci komunikacyjne
Przykład
4. Sieć komunikacyjna AS-i
4.1. Sieć AS-i
4.1.10. Kabel AS-i
Kabel AS-i
jest kablem dwuŜyłowym nieekranowanym o charakterystycznym profilu i Ŝółtej izolacji. Kabel przygotowany jest do
wykonywania połączeń elektrycznych w technologii
zacinania.
79
79
Dziękuję za uwagę
Zajęcia współfinansowane przez Unię Europejską w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego