Передача информации в распределенных информационно-управляющих сист

Для каждого типа физического канала существуют трансиверы, обеспечивающие работу сети на различных по длине каналах, частотах, скоростях передачи и сетевых топологиях.

Физическое представление сигнала осуществляется поразному, используются различные методы кодирования информации. Так, для среды типа «витая пара» проводников используется манчестерское кодирование. После декодирования сообщение представляется в NRZ-формате и используется далее. FSKмодуляция применяется для работы на сегментах линий c переменным напряжением и на радиочастотах (RF: 2,4 ГГц; 900 МГц; 450 МГц; 49 МГц и др.).

121

4.2.2. Канальный уровень

Второй уровень модели OSI, называемый канальным уровнем, в протоколе LonTalk состоит из двух частей (рис. 4.7): подуровень доступа к среде (MAC – Media Access Control) и собствен-

но уровень звена данных (LLC – Logical Link Control).

Рис. 4.7. Подуровни канального уровня

Функциями уровня звена данных (LLC) являются разбиение пакета на кадры, кодирование кадров, обнаружение ошибок из-за помех путем использования циклического систематического кода (CRC), но без восстановления за счет повторной передачи.

Содержащие ошибки кадры опознаются циклическим кодом и сразу же отбрасываются. Передающий уровень, кроме того, гарантирует сохранение последовательности пакетов.

Таким образом, устранение ошибок, обусловленных помехой либо дублированием пакетов (повторной передачей пакета), либо перепутыванием пакетов у получателя, не входит в функции уровня связи. В то же время устранение искажений пакета из-за коллизий устраняется дублированием при отсутствии сигнала подтверждения (по таймеру) – вариант построения систем передачи данных по методу решающей обратной связи с ожиданием (РОС-ОЖ).

122

Пропускная способность канала зависит от группы факторов: скорости передачи, ремени доступа к среде передачи, размера пакетов и т.д.

Уровнем выше располагается с тевой уровень. Он передает пакет сетевого уров я (Network Protocol Data Unit – NPDU) на уровень связи. Уровень звена и подуровень MAC добавляют байт заголовка, 16-битную контрольную сумму для определения ошибок, а также биты и байты синхронизации (рис. 4. 8), формируя кадр канального уровня (Linc Protocol Data Unit – LP DU). Средняя длин пакета находится в пределах от 10 до16 байт, но при этом макс мальная длина равна 255 байтам, включая дрес, домен и служебную информацию

Рис. 4.8. LonTalk NPDU/LPDU-формат (кадр или фрейм)

Впрямом режи ме уровень звена использует услугу физического уровня при формировании си налов с дифференциальным манчестерским кодированием.

Формат пакета (кадра), передающегося по физи еской среде, показан на рис. 4.9.

Пакет является базовой единицей обмена в сетях LonWorks.

ВКСП LonTalk реализуется алгоритм доступа к среде CSMA (рис. 4.10).

Алгоритм доступа к среде CSMA включает следующие этапы: 1. Проверка активности канала.

2. Межпакетный интервал.

3. Приоритетный интервал.

4. Соревновател ный интервал.

5. Передача пакета.

123

Рис. 4.9. LonT alk формат пакет в режиме Single-ended (однополярный код линии)

Рис. 4.10. Алгоритм доступа к среде передачи C SMA

Пакет прерыва тся нарушением правил кодирования (Line Code Violation).

С этой целью передатчик в течение 2 тактов не изменяет полярности, чтобы приемники распознали неверный код, что свидетельствует о конце передачи кадра (frame).

После передачи пакета шина должна быть сво одна. Время,

На протяжении времени β1, которое является фиксированным компонентом времени молчания, каждый инициативный узел, желающий передать данные, следит за активностью сети, и если за это время не обнаружено передачи, канал считается свободным. Узел (желающий начать передачу с учетом выделенному ему приоритетного тайм-слота) генерирует случайную задержку Т (transmit), которая определяется, как случайное количество слотов длительностью β2.

После того как истечет задержка β1 и канал все еще будет находиться в свободном состоянии, узел начинает передачу. В противном случае (т.е. если другой инициативный узел опередил его с началом передачи) узел получает приходящий пакет. После этого первый узел пытается снова начать передачу.

Время β2 содержит приоритетные слоты (не более 128) и как минимум 16 «случайных слотов». Все активные узлы (т.е. желающие начать передачу) случайным образом определяют, какой из 16 слотов будет использоваться для доступа к среде. Это уменьшает вероятность коллизии двух пакетов до 1/16 = 0,0625. Если предполагаемая загруженность сети увеличивается, то узлы могут выбирать из большего количества слотов. Число 16 (базовое число, которое устанавливается при инсталляции сети) умножается на число n (на рис. 4.8 обозначение – BL), которое называется ожидаемой (т.е. прогнозируемой) загрузкой канала.

Диапазон n (Delta BL) изменяется от 1 до 63 и зависит от количества узлов, которые собираются посылать пакеты (например, ответ на подтвержденное сообщение) на протяжении следующего пакетного цикла.

Следовательно, любой активный узел (источник), передающий сообщение известной ему группе получателей и ожидающий от них пакеты подтверждения (прогнозируемую нагрузку следующего пакетного цикла), извещает об этом числе пакетов всех членов сети при передаче своего пакета в поле Delta BL (длины в 6 бит) этого пакета.

125

Другими словами, любой активный узел фиксирует чужие принимаемые пакеты и, анализируя поле Delta BL, делает выводы о количестве узлов, ожидающих и передающих пакеты подтверждения и, следовательно, возможную ожидаемую загрузку сети, и корректирует текущее состояние своего счетчика прогнозируемой нагрузки.

Отметим, что (n(max) = Delta BLmax = 63 = 26 ‒ 1). W = BL ·16 (BL – текущее состояние счетчиков прогнозируемой нагрузки,

а W ‒ текущий интервал «случайных» слотов, т.е. равновероятных временных слотов, определяющих начало передачи).

Таким образом, максимальное количество «случайных» слотов может быть Wmax= п·16 = 63·16 = 1008. При этом вероятность возникновения коллизий уменьшается до 1/1008.

Отметим, что Delta BLmax не может быть больше 63, даже если фактическая ожидаемая нагрузка больше. Следовательно, и текущее состояние счетчиков прогнозируемой нагрузки, определяющее вероятность возникновения коллизий, не может быть больше Wmax = 1008 (при выбранном базовом параметре, равном 16).

Ожидаемый трафик (backlog) является частью заголовка

вформате пакета канального уровня. Delta BL формируется узлом, посылающим пакет, например, группе получателей и знающим поэтому ожидаемую нагрузку канала в виде сигналов подтверждения (ACK) от этой группы получателей, передаваемых

вканал последовательно (т.е. число ответов).

Это число и записывается в поле Delta BL в виде 6-разряд- ного двоичного числа. Таким образом, максимальное приращение равно 63, несмотря на то, что фактическая прогнозируемая нагрузка может быть больше.

Почему за основу берется именно Delta BL? Потому, что это есть увеличение (изменение) текущего состояния счетчиков прогнозируемой нагрузки (BL) в составе всех узлов сети (сегмента), участвующих в обмене информацией и анализирующих текущий трафик, т.е. активных.

126

Отметим, что автоматически все активные узлы (члены сети) при обнаружении коллизии прибавляют +1 к ВL (текущее состояние счетчиков прогнозируемой нагрузки в связи с тем, что будет повтор передачи), а при неискаженной передаче вычитают едини-

цу (–1) из ВL .

Итак, на подуровне MAC при реализации протокола CSMA/AD в качестве средства борьбы с коллизиями (конфликтными ситуациями) используется предиктивный (т.е. прогнозирующий) метод, основанный на упорядочении доступа к каналу с учетом предполагаемой нагрузки на канал. Передающий узел всегда получает доступ к каналу со случайной задержкой из диапазона от 0 до некоторой величины W, являющейся функцией числа незавершенных заданий (транзакций), стоящих в очереди на выполнение.

Разрешение коллизий на этом подуровне осуществляется по следующим правилам:

‒ если коллизия возникла после двух последовательных попыток передачи пакета с приоритетом, то следующая отсылка пакета будет происходить без приоритета;

–при обнаружении коллизии передающий узел должен инкрементировать число незавершенных заданий BL (как и все остальные активные узлы, наблюдающие коллизию);

–если после 255 последовательных попыток передачи пакета возникает коллизия, то задание снимается.

Алгоритм доступа к среде (MAC) протокола LonTalk отно-

сится к семейству CSMA (Carrier Sense Multiple Access) – множе-

ственный доступ к шине с контролем несущей. Он называется «p- persistent» (псевдопостоянный, устойчивый), поскольку время ожидания перед отправкой пакета в сеть выбирается случайным образом и при отсутствии коллизий интервал W, определяющий вероятность передачи, сохраняется постоянным. Он также называется «predictive» (предсказуемый или прогнозируемый), поскольку алгоритм рассчитывает прогнозируемый трафик канал).

127

Алгоритм доступа к среде, используемый протоколом LonTalk, является одним из новых вариантов CSMA. В целом он называется predictive p-persistent CSMA-алгоритм (p-СSMA/AC).

Это алгоритм с устранением (avoidance) коллизий. Все это делает CSMA-алгоритм протокола LonTalk предпочтительней других CSMA-алгоритмов.

4.2.3. Сетевой уровень

Основные функции сетевого уровня протокола LonTalk – адресация и маршрутизация (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Адресация и маршрутизация

Адрес протокола LonTalk – это идентификатор, который однозначно определяет узел в группе узлов сети LonWorks. Адрес LonTalk является иерархической структурой. Он состоит из домена, подсети и адреса узла. Форма адресации позволяет адресовать весь домен, всю подсеть и конкретный узел. Для адресации нескольких распределенных узлов протокол LonTalk определяет другой класс адресации, используя домены и группы.

Домен – это логический набор узлов. Домен может существовать на одном и более каналах (т.е. сегментах).

Обмен данными может происходить только среди узлов, располагающихся в одном домене (так как в адресной части может быть указан только один доменный адрес). Когда узел принадле-

128

жит двум доменам, он имеет два адреса «домен–подсеть–узел» – один на каждый домен.

Идентификатор домена – это первый компонент в адресной иерархии. Он может состоять из 0, 1, 3, 6 байт. Однако шестибайтовый идентификатор домена добавляет 6 байт заголовка к каждому пакету. Для уменьшения заголовка следует использовать короткие идентификаторы, когда это возможно.

Подсеть – это логическое объединение до 127 узлов. В одном домене может быть определено до 255 подсетей. Подсеть не может содержать маршрутизаторы и может быть представлена как логический канал (сегмент).

Идентификатор узла – это уникальный номер узла в подсети. В подсети может присутствовать до 127 узлов. Когда физический узел принадлежит более чем одной сети, oн получает один логический номер для каждой подсети (логический адрес). Максимальное количество узлов, которые могут существовать в од-

ном домене – 32385 (255 подсетей×127 узлов в подсети). Форматы логических адресов (протоколозависимая адреса-

ция), принятые в КСП LonTalk РИУС с технологией Lon Works, представлены в табл. 4.5.

Физический адрес устройства (Media Access Control Address – MAC-адрес) не зависит от протокола, имеет заводские настройки и является уникальным.

В КСП LonTalk физическим адресом устройства является Neuron-ID – уникальный 48-битовый идентификатор. Он назначается узлу на стадии производства. Этот идентификатор может быть использован как адрес назначения. В структуре полного адреса идентификатор должен сопровождаться адресами домена и подсети узла-источника.

На рис. 4.12 показан пример логической адресации и физической топологии. Как можно заметить, маршрутизаторы не являются членами подсети. Мосты соединяют каналы (сегменты) в подсети.

Рис. 4.12. Физическая топология и логическая адресация в сети

LonWorks

ID подсети назначения используются для маршрутизации пакета в многоканальных сетях.

130