Протоколы Internet-мудрецов 

Протоколы Internet-мудрецов

Протокол Ethernet (стандарт IEEE 802.3) - наиболее распространенная технология локальных вычислительных сетей. Протокол Ethernet использует топологию типа звезда или общей шины с типом доступа Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/DC) для управления загрузкой линий связи.

Протокол CSMA/CD изначально создавался для конторских применений, не ориентированных на работу в жестко детерминированном реальном времени. И строго говоря, он не годится для систем управления технологическими процессами, поскольку технически невозможно гарантировать точное время отклика на событие (см. рис. 1.31).

Рис. 1.31

Алгоритм работы сети на базе протокола CSMA/CD выглядит следующим образом: любая из станций может инициировать передачу данных в произвольный момент времени. Несколько сообщений, переданных в один адрес, могут вступать в противоречие друг с другом - коллизию. В таком случае выполняется повторная посылка. Соответственно, чем больше станций в сети, тем больше возникает коллизий, и тем больше времени требуется для передачи сообщений.

Гарантированного интервала времени для завершения передачи не существует.

Charles Е. Spurgeon в своей книге "Ethernet: The Definitive Guide", O'Relly and Associates, 2000, приводит блестящую аналогию. Он пишет, что работа протокола CSMA/CD проистекает как товарищеский ужин в темной комнате:

"Каждый из сидящих за столом должен дослушать говорящего, прежде чем заговорит сам (Carrier Sense). Как только появляется просвет в разговоре, каждый из присутствующих имеет равные шансы сказать что-нибудь (Multiple Access). Если два человека начинают говорить одновременно, они тут же обнаруживают этот факт, и прекращают разговор (Collision Detection)".

Переведем на язык Ethernet:

Каждый из интерфейсов должен дождаться того момента, когда канал освободится, и только тогда он может начать передачу. Если кто-то другой уже осуществляет передачу, то в канале появляется признак, называемый носителем {Carrier). Все другие интерфейсы должны ждать окончания передачи, и освобождения канала перед тем, как сделать попытку собственной передачи. Этот процесс называется Carrier Sense.

Все интерфейсы Ethernet равны в своей способности посылать сообщения в сеть. Никто не может иметь более высокий приоритет по отношению к кому-либо другому. Именно это подразумевает множественный доступ (Multiple Access).

Поскольку прохождение сигнала по сети требует времени, первый бит переданного пакета не может достичь всех узлов одновременно. Следовательно, вполне реальной становится ситуация, когда два интерфейса решают, что сеть свободна, и начинают передачу в одно время.

Когда это происходит, Ethernet распознает "коллизию" (или "ситуацию" в понимании Льва Давидовича Ландау), останавливает передачу, и проводит ее повторно. Называется все это Collision Detect. Протокол CSMA/CD сконструирован для прямого доступа к общему каналу так, чтобы все станции имели возможность воспользоваться сетью. После каждой передачи очередного пакета, станции используют протокол CSMA/CD для определения, какая из станций воспользуется каналом следующей.

IP - Internet Protocol.
Сетевой протокол. Данные путешествуют по сети IP в форме пакетов. Каждый пакет состоит из заголовка (источник, получатель, и информация о самих данных), и собственно самого сообщения.

TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol).
Базовый протокол Интернета TCP отвечает за предоставление данных для передаваемых пакетов, и сборки их в пункте назначения. Протокол IP отвечает за доставку пакетов от источника к получателю. Когда TCP и IP встраиваются в приложения более высокого уровня, такие как HTTP, FTP, Telnet и т.д., то термином TCP/IP обобщается весь набор этих протоколов. Условная схема передачи сообщения иллюстрируется на диаграмме рис. 1.32.

Рис. 1.32

Хотя протокол TCP/IP обычно ассоциируется с сетью Интернет, он может использоваться и в локальных сетях (ЛВС). В этом случае при невысокой загруженности магистрали он обеспечивает приемлемую скорость передачи данных.

Однако в последнее время протокол TCP/IP стал использоваться в качестве транспортного протокола для обмена информацией между узлами гибридных систем автоматизированного управления технологическими процессами.

Общий цикл сканирования сети. Для того чтобы доступ к ресурсам сети осуществлялся корректно, все сетевые интерфейсы должны иметь возможность отвечать на события в течение вполне определенного интервала времени.

Цикл сканирования складывается из времени получения сигнала и времени выдачи управляющего воздействия. Этот временной отрезок называется общим циклом сканирования системы (round trip time).

Максимально возможная длительность цикла сканирования должна быть жестко ограничена с тем, чтобы каждый узел сети гарантированно получал и выдавал сообщения в течение заданного интервала времени.

Чем больше некоторый сегмент сети, тем больше времени требуется для передачи сообщений. Общее требование к конфигурации сети состоит в том, что заданный цикл работы сети должен соблюдаться при любых обстоятельствах, независимо от размера и сочетания сегментов. Руководства по конфигурации определяют правила комбинации сегментов с повторителями (repeaters), чтобы соблюсти временные ограничения для сети в целом.

Если спецификации по длине и комбинации сегментов не соблюдаются, синхронизация сети нарушается, компьютеры не могут общаться в требуемых временных пределах, и могут вообще прекратить взаимодействие.

Более сложные сети, построенные на разнородных сетевых ресурсах, строятся в соответствии с правилами построения мультисегментных конфигураций по стандарту Ethernet. Эти правила включают ограничения на общее количество сегментов и повторителей, которое может быть в сети для соблюдения временных ограничений на цикл сканирования.

Протокол с эстафетной передачей ISO 8802-4/IЕЕЕ 802.4.
Передача эстафеты осуществляется по следующим правилам(рис. 1.33):

  • Только одна станция может инициировать передачу.
  • В станции может находиться только один Token (Жетон, Эстафета).
  • Каждая станция может начать передачу в соответствии с циклом сканирования сети, например, раз в секунду.
  • Таким образом, возможность появления коллизий исключена - Token пробегает по всем станциям сети за 1 секунду.
  • Гарантируется односекундный отклик на событие.
Рис. 1.33

Существует яркий пример многолетнего успешного применения этого протокола. В системах семейства Centum фирмы Йокогава используется протокол Vnet (ISO 8802-4/IEEE 802.4) с эстафетной передачей сообщений. Centum гарантирует односекундный цикл взаимодействия всех станций системы (см. рис. 1.34, 1.35).

Коммуникационный протокол Vnet. Детерминированный протокол с эстафетной передачей систем семейства Centum, соответствующий стандарту ISO 8802-4/IEEE 802.4, носит название Vnet. Для уменьшения нагрузки на сеть используется метод управления по событиям. Передаче подлежат тэги и данные. Пакеты данных не подвергаются компрессии, поэтому упрощается программное обеспечение, и соответственно возрастает его надежность.

Во многих гибридных системах управления используются различные модификации протокола Ethernet на основе Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), соответствующие стандарту ISO 8802-3/IEEE 802.3. Сущность его сводится к тому, что каждый узел сети отслеживает загрузку линии, и осуществляет передачу только тогда, когда определяет, что линия свободна.

Если из-за того, что другой узел также требует линию для передачи, возникает коллизия, то оба узла прекращают передачу. Чтобы избежать повторной коллизии оба пережидают некоторое произвольное количество времени перед следующей попыткой передачи.

Рис. 1.34
Рис. 1.35

В результате нагрузка на сеть возрастает, а реальная пропускная способность по сравнению с потенциальной пропускной способностью существенно уменьшается (см. рис. 1.36).

Рис. 1.36

Чтобы уменьшить нагрузку на сеть, используется компрессия данных. Однако компрессия и декодирование в свою очередь увеличивает нагрузку процессоров. Это естественно сказывается на надежности и собственно самих данных, и человеко-машинного интерфейса, и станций управления.

Протоколы Ethernet (CSMA/CD) и его интернетовские надстройки типа TCP/IP вполне применимы для офисных приложений, когда вероятность коллизий невелика. Но для систем управления технологическими процессами, где предъявляются жесткие требования к циклу сканирования и безусловному выполнению функций реального времени, исследование ограничений на их применение в реальных приложениях должно быть проведено очень тщательно.

Поэтому когда преподносится, что некая гибридная система с сетевым протоколом Ethernet TCP/IP способна включать 100 контроллеров, 60 рабочих станций, 30,000 сигналов ввода-вывода и 50,000 архивируемых тэгов, но не говорится, каков при этом гарантированный цикл сканирования всей этой прорвы оборудования и информации, остается только руками развести.

Сравнительные характеристики протоколов Vnet (ISO 8802-4/IEEE 802.4) и Ethernet (CSMA/CD - ISO 8802-3/IEEE 802.3) приведены в таблице 1.3.

Таблица 13 Сравнение характеристик протокола Vnet (ISO 8802-4/IEEE 802.4) и Ethernet (CSMA/CD - ISO 8802-3/IEEE 802.3)

Item ISO 8802-4/IEEE 802.4 (Vnet) ISO 8802-3/IEEE 802.3 (CSMA/CD & TCP/IP)
Possibility of access competition
  • None
  • Large
Response
  • Response time is Deterministic
  • Retry time is of Millisecond order
  • Response time is not Deterministic
  • Retry time is of Second order
Communication performance
  • High
  • Uses only three layers of ISO/OSI model (Open System Interconnection)
  • Lower than Vnet
  • Ethernet based on CSMA/CD uses full seven Layers of ISO/OSI model
Dual redundant bus control
  • Bus communication card perform control
  • Each bus used Alternately
  • CPU performs the control.
  • Each bus is independent (In somecases, each bus has a different IP address)
Standard compatibility
  • Conforms to ISO 8802-4 / IEEE 802.4
  • Conforms to 1 ISO 8802-3 / IEEE 802.3.
  • There is no dual redundant Standard
Maintainability

Can support the following functions:

  • On-line FCS addition
  • FCS start and stop
  • Crash-dump function
Many competitors' systerns cannot support i the functions listed in the left column