Структура физической среды Ethernet



Информационная сеть 10Base-T, использует в качестве среды две неэкранированные витые пары UTP телефонного кабеля. Сеть имеет звездообразную структуру благодаря тому, что узлы сети соединяются друг с другом через посредство специального устройства, называемого концентратором или хабом (hub). Концентратор, являясь многопортовым повторителем, усиливает полученный им сигнал и распределяет его по всем узлам, подключенным к концентратору, кроме узла, на который данный сигнал поступил. Если сигналы поступают сразу на два входа концентратора, то он фиксирует коллизию и формирует усиленный сигнал глушения передачи, состоящий из 32 бит (jam-последовательность). Благодаря подключению узлов сети через концентратор (см. рис.2.7), образуется единая среда передачи данных, эквивалентная общей шине (логическая общая шина). Как видно на рис.2.7, передатчик Тх каждого сетевого адаптера соединяется с приемником Rx соответствующего входа концентратора, а передатчик каждого выхода концентратора соединяется с входом приемника соответствующего сетевого адаптера. При скорости передачи 10 Мбит/с длина кабеля на витой паре между сетевым адаптером узла сети и концентратором не может превышать 100 м, что определяется полосой пропускания и затухания сигнала в витой паре.

 

Рис. 2.7.Структура сети 10Base-T: Тx – передатчик; Rx – приемник

 

Концентраторы можно соединять друг с другом тем же способом, что и с сетевыми адаптерами. Надежное распознавание возникающих в сети коллизий при минимальной длине пересылаемого кадра в 72 байт и уверенная синхронизация обменивающихся информацией узлов сети обеспечиваются при максимальном числе концентраторов между двумя любыми узлами не более четырех (правило четырех хабов). Общее число узлов в сети 10Base-T не должно превышать заданного стандартом предела в 1024 узла. Чтобы создать информационную сеть, насчитывающую сотни узлов, достаточно использовать двухуровневую иерархическую структуру, в которой корневой концентратор с несколькими десятками портов Tx –Rx обменивается информацией через каждый свой порт с ведомыми концентраторами, каждый из которых, в свою очередь, обеспечивает обмен информацией с несколькими десятками конечных узлов.

Максимальный диаметр сети 10Base-T при условии установки четырех хабов может, очевидно, достичь 500 м: по 100 м между хабами и еще по 100 м с каждого конца сети. Если требуется сеть большей длины, необходимо переходить на оптоволоконный стандарт 10Base –F, но тогда информационная сеть обойдется дороже.

Применение концентраторов приводит к разделению общего кабеля сети на отдельные кабельные отрезки, каждый из которых связан одним конечным узлом и подключен к центральному коммуникационному устройству. Наличие концентратора позволяет контролировать отдельные отрезки сети, отключая их в случае неисправности кабеля или сетевого адаптера. При этом сохраняется работоспособность остальной части сети.

Сигналы, передаваемые по линии связи, должны обеспечивать самосинхронизацию и отсутствие постоянной составляющей. Самосинхронизация состоит в определении приемником момента считывания данных по фронту приходящего информационного сигнала, а отсутствие постоянной составляющей необходимо для обеспечения возможности реализации трансформаторной гальванической развязки между приемником и передатчиком. Стандарт 10Base-T, как и другие сети Ethernet, обеспечивает выполнение указанных требований путем применения при передаче информации манчестерского кода. При манчестерском кодировании каждый такт, соответствующий передаче одного бита информации, организуется так, что значение бита, определяется перепадом потенциала в середине такта. Единица кодируется перепадом от отрицательного уровня к положительному, а ноль – обратным перепадом. При необходимости в начале такта производится служебный перепад потенциала, который не является информационным, но подготавливает перепад нужного характера в середине такта. Если С—битовая скорость передачи данных, то основная гармоника передаваемых сигналов имеет частоту С Гц при передаче последовательности либо одних нулей, либо одних единиц, но её частота равна С/2 Гц при передаче перемежающихся нулей и единиц.

Оптоволоконная сеть Ethernet, построенная в соответствии со стандартом 10Base-F, имеет такую же структуру, что и сеть стандарта10Base-T, показанная на рис.2.7. Только вместо витой пары здесь применяется многомодовое оптическое волокно с полосой пропускания не менее 500 МГц. Благодаря использованию оптоволокна максимальное расстояния между узлом и концентратором увеличивается до 2000 м при общей длине сети до 2500 м. Из-за повышенной стоимости оптоволоконного кабеля и связного оборудования оптоволоконные линии употребляют по преимуществу для связи между концентраторами, причем правило четырех хабов сохраняется.

Сети Fast Ethernet применяются, если необходимо многократно увеличить пропускную способность. Структура сетей Fast Ethernet такая же, как и у сетей 10Base-T/10Base-F: древовидная, построенная на концентраторах (см. рис.2.7). Основным отличием является сокращение диаметра сети до 200 м для сетей 100Base-TX и примерно до 300 м для сетей 100Base-FX, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз. Соответственно уменьшается запас времени на ликвидацию последствий коллизий. Увеличение диаметра сетей за указанные пределы возможно за счет применения коммутаторов. Коммутаторы выполняют те же функции, что и концентраторы, но одновременно они разделяют сети Ethernet на автономные сегменты, так что коллизии, возникающие этих сегментах, через коммутатор не передаются. Ограничение коллизий пределами отдельного сегмента позволяет наращивать длину сети путем последовательного соединения сегментов.

 

Контроллерные и полевые сети

На контроллерном уровне (уровень 2, см. рис.2.6),помимо сетевой технологии Ethernet используются и многие другие типовые решения. Из них отметим сеть Profibus (PROcess FIeld BUS), разработанную немецкими компаниями SIEMENS, BOSCH и KLOCKNER—MÖLLER. Собственно, на контроллерном уровне работает сеть Profibus-FMS (Fiebld Bus Message Specification), но в комплекте оборудования для систем автоматизации имеется также вариант сети Profibus-DP (Distributed Periphery), обслуживающей цепи низовой автоматики, исполнительные и измерительные устройства. Сеть Profibus использует стандарты физического и канального уровней OSI-модели, а также обеспечивает интерфейс между канальным и прикладным уровнями. Управление связью на контроллерном уровне обеспечивается передачей маркера по контроллерному кольцу. Контроллеры ПЛК в составе информационного кольца являются ведущими (master) узлами для нижнего (полевого) уровня управления, состоящего из исполнительных и измерительных устройств (ИУ). Последние по отношению к ведущим (контроллерным) узлам являются ведомыми(slave). Сеть может состоять из 122 узлов, часть которых могут быть ведущими узлами. Сообщение-маркер передается от одного ведущего узла к другому. Каждый контроллер, получивший маркер, имеет право на доступ к общей шине Profibus на строго регламентированное время. В это время он обменивается информацией со своими ведомыми узлами и с ЦУВМ. Протокол Profibus предусматривает следующие команды обмена информацией:

SDN (послать данные без подтверждения);

SDA (послать данные с подтверждением);

SRD (послать и запросить данные);

CSRD (циклическая посылка и запрос данных).

Обнаружение и исправление ошибок в процессе передачи данных производится с помощью кодов Хемминга с кодовым расстоянием 4, т.е. в пересылаемом кадре будут обнаружены 2 ошибочных бита и один из них может быть восстановлен.

На нижнем уровне управления для высокоскоростного обмена информацией с ИУ применяется сеть Profibus-DP. В ней интерфейс физического уровня базируется на стандарте RS485. Максимальная скорость обмена информацией достигает 12 Мбит/с при длине связного кабеля не более 100 м, а при длине в 1200 м она уменьшается до 100 кбит/с. Заметим, что DP-протокол является нижним уровнем протокола Profibus-FMS.

Наиболее распространенным протоколом нижнего (полевого) уровня управления, обеспечивающего управление исполнительными устройствами и сбором технологической информации, является Modbus. Этот протокол разработан фирмой MODICON (Франция). Физический интерфейс сети Modbus чаще всего базируется на стандартах RS232C, RS422 и RS485. Сеть строится по принципу ведущий – ведомый (master – slave). Предполагается, что один ведущий узел может обеспечить обмен информацией с группой до 247 ведомых узлов. Ведущий узел инициирует обмен информацией двух типов:

1) запрос – ответ, когда ведущий узел ведет обмен информацией только с одним ведомым узлом;

2) широковещательная передача (broadcast), когда ведущий узел обращается ко всем ведомым узлам сети одновременно, путем выставления адреса 0.

Для кодирования передаваемых данных используется код ASCII. При обмене информацией запрос со стороны ведущего узла включает в себя код команды, адрес ведомого узла, к которому обращен запрос, поле данных фиксированного размера, сами данные и контрольная кодовая комбинация (CRC-код). Команды, предусмотренные протоколом Modbus, позволяют реализовать следующие функции:

· чтение или запись битов;

· чтение или запись регистров;

· функции диагностики;

· программные и другие функции.

Данный протокол отличается простотой логики и независимостью от типа интерфейса.

 


Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 158;