Список литературы
Кузин, А.В., Демин, В.М. Компьютерные сети: Учебное пособие. – М.: Форум: ИНФРА-М, 2005. – 192 с.
Максимов, Н.В., Попов, И.И. Компьютерные сети: Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования. – М.: Форум: ИНФРА-М, 2003. – 336 с.
Олифер, В.Г., Олифер, Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПб.: Питер, 2006. – 392 с.
Технические характеристики и анализ производительности Industrial Ethernet 1. Введение в Indusrtial Ethernet
1980
г.
группа
компаний
(Xerox, Intel и Digital
Equipment)
выпустила Ethernet версии
1.0. После
ряда улучшений версия 2.0 была принята
почти без изменений в 1983 как IEEE
802.3 стандарт.
В настоящее время, Industrial
Ethernet это
бесспорный стандарт Ethernet сетей
в промышленности, например, в автомобильной
и индустрии процессов. Создание Fast
Ethernet началось
в июне 1993 , когда более 50 производителей
сформировали Fast
Ethernet альянс,
с целью создания спецификации для 100
Мбитного Ethernet.
Эта группа включала в себя производителей
таких важных сетевых компонентов как
адаптеры, хабы, повторители, переключатели,
маршрутизаторы и т.д. Цель была в как
можно более быстром создании нового
стандарта одинаковом для многих
производителей. В июне 1995 Fast
Ethernet стандарт IEEE
802.3u (100BaseT)
был сформирован. Fast
Ethernetпредоставляет
возможность пошагового внедрения 100
Мбайтной технологии. Пользователю не
надо менять всю сеть сразу. Это одна из
основных причин популярности Fast
Ethernet сейчас
и в будущем.
При
использовании очень простой физики,
данные сети отличаются простой,
надежностью и дешевизной. Надежность
сети можно увеличить в несколько раз,
с соответственным увеличением стоимости.
Их особенностью является постоянная
скорость передачи – 10 Мбит/сек или 100
Мбит/сек (Fast
Ethernet)
и использование средств соединения,
характерных не только для промышленной
сферы. Существует несколько типов
сетей Industrial
Ehternet в
зависимости от физики, на которой они
построены. В первую очередь разделяют
оптоволоконные и электрические сети.
Электрические сети бывают на основе
триаксильного кабеля (не для Fast
Ethernet)
и на основе промышленной экранированной
(необязательно) витой пары. Любой из
типов может использоваться с другими.
У каждого из типов есть своя область
применения. Окончательная модель сети
на основе Industrial
Ehternet для
конкретного примера может быть довольно
сложной, см рис. 1
Рис.1
Пример сети на основе ^ Industrial
Ethernet
Основным
общим элементом сетевой топологии Industrial
Ethernet является
центральная магистраль. Она может иметь
разную структуру: линия (не для Fast
Ethernet),
кольцо, звезда или комбинировать данные
типы. Для прокладки центральной магистрали
обычно используется оптоволоконный
кабель, толстыйEthernet кабель
или витая пара. Для Industrial
Ethernet ограничение
на их длину довольно жесткие.
^ 2.
Использование Indusrtial Ethernet
Европейский
стандарт EN
50173 описывает
кабельные стандарты для информационных
целей, он производит зональную градацию
для приложений использующих разные
типы сетей. В соответствии с ним Industrial
Ethernet используется
на офисном или уровне менеджмента
(Tertiary
Area).
В дополнение к классическим применениям,
таким как управление процессами, Industrial
Ethernet широко
используется в ряде новых приложений
(работа с видео, например). С
помощью TCP/IP протокола
автоматизационные сети могут быть
присоединены к сетям более высоких
уровней без использования шлюзов
(gateways).
Для соединения используются стандартные
маршрутизаторы. В дальнейшем планируется
разработка новых проектов в секторе
информационных технологий (IT)
в автоматизации, для которого Industrial
Ethernet представляет
идеальный базис. Возможно также
использование мультимедийных приложений
на базе 100 мбитного Industrial
Ethernet.
^ 3.
Совместимость с другими сетями
Industrial
Ethernet совместима
с другими стандартами промышленных
сетей, такими как Profibus и ASI.
Примером совместимости может служить
сетевая архитектура Simatic
NET,
предлагаемая фирмой Siemens (см.
рис. 2). Устройства, реализованные в ней
предлагают возможность гибкого перехода
с одного автоматизационного уровня на
другой.
рис.
2 Сетевая архитектура на базе Simatic
NET
^ 4.
Описание Indusrtial Ethernet
4.1
Сравнение Ethernet и Fast Ethernet
Одна
из основных причин широкого применения Fast
Ethernet во
всем мире это большая схожесть ее
с Ethernet. Стандарт ^ Fast
Ethernet основывается
в основном на классическом
стандарте Ethernet для
витой пары (10BaseT)
с фактором передачи выросшим с 10 до 100
Мбит/сек. Преимущества для пользователя
очевидны, так как продолжает использоваться
уже существующая технология.
Общие
факторы для Ethernet и Fast
Ethernet сетей
следующие:
·
Формат данных
Кратчайший
пакет: 64 байт
Самый
длинный: 1518 байт
Длина
адресного поля: 48 байт
·
Техника доступа: CSMA/CD
·
Одинаковый кабель (за исключением
коаксильного)
·Использование
повторителей
Разница
между сетями заключается в возросшей
скорости ^ Fast
Ethernet,
а как причина этого в следующем.
·
Общий объем сетей Fast Ethernet существенно
меньше, чем у Ethernet сетей:
Для
обеспечения правильности работы техники
обнаружения коллизий CSMA/CD время
доставки пакета данных от одного узла
к другому было ограничено. Именно
ограничение этого времени, зависящего
от скорости передачи данных, привело к
уменьшению общего объема сети. Если
для Ethernet это
4520 м, то для Fast
Ethernet это
- 412 м. Максимальный размер Fast
Ethernet сети
при использовании витой пары - 205 метров.
При использовании оптоволоконного
кабеля - 320 метра. Для сравнения,
простая 10BaseT сеть
может быть длиной до 500 метров.
· ^ Нет
Fast Ethernet стандпрта для коаксильного
кабеля:
Для Fast
Ethernet стандарты
следующие:
100BaseT4 с
4 витыми парами для кабеля 3, 4, 5
категорий
100BaseTX с
2 витыми парами для кабеля 5
категории
100BaseFX для
оптоволоконного кабеля 62.5/125 мм (2
волокна)
Ethernet же
может быть на основе витой пары (10BaseT),
оптоволокна (10BaseFL)
и коаксильного кабеля
(10Base5, 10Base2).
· Правила
построения Fast Ethernet сетей существенно
отличаются от Ethernet правил
конфигкурирования:
Так,
например, Fast
Ethernet может
содержать максимум 2 повторителя
(У Ethernet –
не больше 2 повторителей между
узлами).
^ 4.2
Сети на основе промышленной витой
пары.
Это 10BASE-T (или 100BASE-T с
более высокой скоростью передачи – до
100 Мбит/сек) сети с использованием техники
доступа ^ CSMA/CD.
Передача происходит по 100 Ом витой паре.
Для присоединения терминальных устройств
используется RJ-45 соединитель
или более грубый Sub
D.
Основная магистраль, которая строится
на основе так называемого установочного
кабеля присоединяется либо к звездообразному
разветвителю, либо телекоммуникационным
выходам либо к patch панели. Patch панель
служит для гибкого соединения с
помощью patch кабеля
- установочного кабеля и звездообразного
разветвителя. К телекоммуникационным
выходам присоединяются с помощью attach кабеля
терминальные устройства (иногда через
трансивер).
^ Промышленная
витая пара (10BASE-T) основывается
на IEEE
802.3i стандарте
для витой пары (10BASE-T).
Физикой передачи является
двухжильныйS/STP кабель
(экранированная/изолированная витая
пара) с сопротивлением 100 ом. Коннекторы
для нее, это всегда соединения конец-к-концу
между двумя электрически активными
компонентами. Это означает наличие
постоянной прямой связи между одним
из DTE и
портом некого сетевого компонента.
Сетевой компонент ответственен за
повторение получаемых сигналов и
распределение полученных данных между
портами вывода. Максимальная длина
соединения между станцией и сетевым
компонентом (называемого сетевым
сегментом) не должна превышать 100 м. для
промышленных сетей на основе витой
пары
^ IEEE
802.3u (100BASE-TX) спецификация
определяет передачу в 100 Мбит по кабелю
с витой парой категории 5 с двумя парами.
Это означает, что кабельная система для
промышленных сетей с витой парой может
использоваться для Fast
Ethernet без
каких либо ограничений. Объем сети
ограничен 412 м для 100BASE-TX.
^ 4.3
Сети с использованием триаксильного
кабеля.
Структура
сети схожа со строением сети на основе
витой пары, отличие заключается в том,
что подключение к магистральной линии
происходит с использованием тонкого
триаксильного кабеля. Вместо
телекоммуникационных выходов используются
трансиверы, к которым могут присоединяться
на прямую или через специальные
разветвители терминальные устройства.
Для присоединения терминальных устройств
используется AUI/IT интерфейс
^ 4.4
Сети на основе оптоволоконного
кабеля
Оптоволоконная
версия Industrial
Ethernet основывается
на стандарте IEEE
802.3 (10BASE-FL,
10 Мбит). Средством передачи является
оптоволоконный кабель со стеклянными
волокнами типа 62.5/125 m м. Оптоволоконная
связь это всегда связь конец к концу
между двумя электрически активными
компонентами. Это означает наличие
прямой связи между сетевым устройством
и портом другого сетевого устройства.
Сетевое устройство ответственно за
повторение получаемых сигналов и
разбиение их на выходные данные во все
порты вывода. Так в оптической сети SIMATIC
NET Industrial Ethernet эти
задания выполняются OLM и
звездообразным распределителем ASGE.
Спецификация IEEE
802.3u (100BASE-FX)
определяет 100 Мбитную передачу по двум
стеклянным оптоволоконным кабелям
62.5/125 m м. В ^ Industrial
Ethernet используются BFOC коннекторы,
как и для 10BASE-FL стандарта.
Как уже было сказано, протокол CSMA/CD накладывает
ограничения по длине сети в 412 м. Хотя
оптоволоконная технология приспособлена
для использования на более больших
расстояниях. Высокоскоростная способность
передачи оптоволоконного соединения
используется в полной мере только в
технологии переключений. Дублированная
кольцевая структура на основе OSM и
ORM. С Industrial
Ethernet ORM (менеджер
оптического дублирования), шинная
структура из OSM может
быть выстроена на основе дублированного
оптического кольца , подключением ORM к
обоим концам 100 Мбитной шины. При времени
переконфигурации в 0.3 сек, можно управлять
в оптическом кольце до 50 OSM и
1 ORM,
с общей длиной кабеля до 150 км. Максимальное
расстояние между двумя OSM или
одним OSM и ORM -
3000 м.
^ 4.5
Протоколы Indusrtial Ethernet и способы
передачи.
Техника
доступа CSMA/CD.
Industrial
Ethernet использует
технику множественного доступа к шине
с прослушиванием несущей и исправлением
коллизий. Пересылка данных происходит
кадрами.
Техника
пересылки такая:
устройство, которое хочет переслать информацию, определяет, есть ли передача данных, если есть, то оно ждет окончания передачи;
после окончания передачи оно посылает данные, каждый кадр данных содержит адрес устройства – получателя;
если после освобождения шины, данные по ней пытаются одновременно послать два устройства, то возникает коллизия. С помощью специального механизма устройства определяют ее и повторяют попытку передачи через произвольный промежуток времени, выбранный из определенного интервала. Если повторная попытка также заканчивается коллизией, то временной интервал удваивается;
Подобная
техника доступа основывается на том,
что все устройства в сети имеют равные
приоритеты и, следовательно, равные
права доступа к шине. Она накладывает
серьезные ограничения на длину сети
(см. главы 4.2.1 и 4.2.2).
Прослушивание
линии, если она свободна, то пересылка
данных:
Распознавание
адреса станциями
Обнаружение
коллизий
Ожидание
повторной передачи
Данные
в ^ Industrial
Ethernet,
при пересылки из одного приложения в
другое проходят через стек протоколов
см. рис 2 Переход с одного уровня на
другой происходит через специальные
точки доступа (SAP- точки доступа к
службе).
рис
2. Стек протоколов ^ Industrial
Ethernet
К
исходному пакету данных, исходящему из
приложения, при прохождении через
сетевые уровни, службы этих уровней
добавляют специальную информацию,
необходимую для задания места доставки
исходного пакета и правильности его
доставки. При прохождении по сетевому
кабелю на физическом уровне пакет данных
принимает следующую форму, см. рис
3.
Данные,
добавляемые службой называются заголовком
этой службы данных. Ниже приводится
пример заголовка в кадре данных ^ MAC протокола
(MAC иLLC –
два протокола уровня данных
в ISO модели).
рис
4 Формат кадра данных MAC.
В
данном заголовке указывается адрес
получателя сообщения, адрес источника,
поле длины (в нем содержится количество
байт пользовательской информации в
кадре данных), поле типа (идентифицирует
старший байт протокола)
^ Дупплексная
/ полудуплексная связь
Дуплекс
(FDX)
и полудуплекс (HDX)
это сетевые режимы. В полудуплексном
режиме узлы получают и принимают данные
поочередно, в свою очередь в дуплексном
режиме узлы могут получать и принимать
данные в одно и то же время. При
использовании FDX,
метод обнаружения коллизий для участников
сети автоматически отключается. Эти
два термина берут свое начало из
последовательной передачи данных. Они
описывают то как происходит обмен
данными при соединении точка-к-точке.
Дуплекс это не сетевая топология, это
метод обмена данными между двумя узлами
при соединение точка-к-точке вEthernet и Fast
Ethernet.
Нет необходимости использовать дуплексную
связь во все сети. Чаще всего дуплексная
связь используется только между
отдельными узлами, например, между
сервером и повторителем/переключателем
или между переключателями. Для FDX необходимо
использовать кабель с отдельными
каналами для приема и передачи.
Используемые сетевые узлы должны
поддерживать дуплексную связь. Для
этого подходят оптоволоконные кабели
и ITP. При
использовании витой пары, одна пара
используется для приема, другая – для
передачи. При использовании полудуплексного
режима, получатель и передатчик используют
один и тот же канал (витую пару). Сетевое
устройство при этом может либо посылать
либо получать данные. Сетевые партнеры
используют кабель для поочередной
передачи. Классический коаксильный
кабель это типичный пример использования
полудуплексного режима. Если с
классическим Ethernet существуют
разные решения для дуплексной связи
(FDX), Fast
Ethernet стандарт
определяет дуплекс однозначно. Дуплексный
режим невозможен с 100BaseT4,
в этом случае все витые пары используются
для односторонней передачи данных. Для
коаксильного кабеля нет дуплексной
спецификации для Ethernet или Fast
Ethernet.
^ 5.
Анализ производительности Ethernet
Основная
причина развития Ethernet и
появление большого числа пользователей
использующих его в локальных и сетях
небольшого объема (порядка 500 м) (см. рис.
5) - это большие скорости передачи. Однако,
не часто пользователи ставят перед
собой вопрос о производительности сети,
большинство людей удовлетворяют
стандартные цифры, такие, например, как
скорость передачи данных для Ethernet -10
или 100 Мбит/сек. Не принимается во внимание
тот факт, что объем "полезной"
передаваемой информации может быть
относительно невелик и, что соотношение
цена производительность будет выше для
более простых сетей. В предыдущих
параграфах было сказано, что кратчайший
пакет данных для Ethernet -
64 байт, самый длинный - 1518 байт, а длина
адресного поля - 48 байт. Таким образом
если Lp –
длина пакета и La –
длина адресного поля, то процентное
соотношения (Lt=Lp/Lp+La)
между передаваемыми "полезными"
данными (Lp)
и общим из количеством (Lp+La)
будет колебаться между 57% и 99%.
При этом не принимается во внимание
возможность ошибочной передачи данных
и коллизий. Если данные были отосланы
лишь при повторной пересылке,
то Lt={28%;54%}.
При объеме сети близком к предельному
количество ошибок и коллизий возрастает,
следовательно производительность
падает, также видно, что если передваемые
пакеты данных имеют небольшой объем,
то она тоже будет относительно невысокой.
Переход с Ethernet на Fast Ethernet улучшает
ситуацию, но не дает улучшения работы
системы в 10 раз (при переходе с 10 на 100
Мбитный канал), так как, например, общий
макcимальный объем сети резко сокращается,
Fast Ethernet обычно используется на каком
то отдельном участке. Если говорить о
временной сетевой загрузке (F(t)=
S/Smax,
где S –
поток данных), то Fast
Ethernetможет
вообще не иметь смысла по сравнению с
классическим Ethernet.
^ 6.
Список сокращений и обозначений
DTE –
терминальные устройства
OLM –
оптические соединительные модули
ELM –
электрические соединительные
модули
^ SSV –
распределительное устройство
drop -
кабель
AUI -
интерфейс элементов привязки
MAU -
среда элемента привязки
MDI -
средо-зависимый интерфейс
PMA -
физическая привязка к среде
ORM -
менеджер оптического дублирования
OSM –
оптический модуль переключения
7.
Список использованных источников
Интернет
сайты:
www.ieee.com
www.siemens.ru
|
2