Довгаль пром сети

Рис. 2-3. Приклад однорангової ЛОМ

Підтримка однорангових мереж вбудована в багато операційні системи, тому додаткове програмне забезпечення не вимагається. Для однорангових мереж характерний ряд стандартних рішень:

-Комп'ютери розташовані на робочих столах користувачів;

-Користувачі виступають самі в ролі адміністраторів і забезпечують захист інформації;

-Об'єднання комп'ютерів вимагає нескладної в монтажі кабельної системи. Однорангову мережу доцільно застосовувати в наступному випадку:

1.Кількість користувачів не перевищує 10 осіб.

2.Співробітники спільно використовують файли і принтери, але спеціалізовані сервери відсутні.

3.Захист даних не є життєво важливою необхідністю.

4.В осяжному майбутньому не очікується значного розширення підприємства і, отже, мережі.

Користувач однорангової мережі повинен володіти достатнім рівнем знань, щоб успішно виконувати обов'язки адміністратора свого комп'ютера.

2.2.4 Мережі на основі сервера

Більшість мереж працюють на основі виділеного сервера. Виділеним називається такий сервер, який функціонує тільки як сервер і не використовується в якості клієнта або робочої станції.

При зростанні розмірів мережі і обсягу мережевого трафіку необхідно збільшувати кількість серверів. Розподіл завдань між декількома серверами гарантує, що кожна завдання буде виконуватися найбільш ефективно.

Для того, щоб сервери відповідали сучасним вимогам користувачів, їх роблять спеціалізованими. Існують наступні спеціалізовані сервери:

1.Сервери файлів і друку управляють доступом користувача відповідно до файлів і принтерів. Сервер файлів призначений для зберігання даних.

2.Сервери програм виконують серверні частини клієнт-серверних програм. Тут же зберігаються дані, доступні клієнтам. Наприклад, програма-клієнт на віддаленому комп'ютері отримує доступ до бази даних, що зберігається на сервері програм. Однак, замість всієї бази даних на комп'ютер користувача з сервера завантажуються тільки результати запиту.

3.Поштові сервери управляють передачею повідомлень електронної пошти між користувачами в межах ЛОМ.

4.Сервери факсів регулюють потоки вхідних і вихідних факсимільних повідомлень через один або кілька факс-модемів.

5.Комунікаційні сервери управляють потоком даних і поштових повідомлень, що проходить через модем і телефонну лінію між своєю мережею та іншими мережами або віддаленими користувачами.

10

6. Сервери служб каталогу. Каталог містить відомості про структуру мережі. Ці відомості допомагають користувачеві знаходити, зберігати і захищати інформацію в мережі.

Деякі серверні операційні системи дозволяють об'єднувати комп'ютери в логічні групи - домени. Система захисту доменів забезпечує різним користувачам неоднакові права доступу до мережевих ресурсів.

Структурна схема ЛОМ на базі спеціалізованих серверів зображена на рис. 2-4.

Рис. 2-4. ЛОМ на базі спеціалізованих серверів

У порівнянні з одноранговою ЛОМ, мережа на основі серверів має такі переваги:

1.Поділ ресурсів. Сервер здатний надати доступ до безлічі файлів і принтерів, гарантуючи при цьому високу продуктивність і захист. Ресурси, як правило, розташовані в одному місці, що полегшує їх пошук та обслуговування.

2.Захист даних. Це основний фактор, що визначає вибір мережі на основі сервера. Проблемами безпеки зазвичай займається один адміністратор. Він формує єдину політику безпеки і застосовує її щодо кожного мережевого користувача.

3.Резервне копіювання даних. Життєво важлива інформація зосереджена на одному або декількох серверах. Тому легко проводити її регулярне резервне копіювання.

4.Дані на будь-якому сервері можуть дублюватися в реальному часі завдяки надмірності системи. При пошкодженні основного сховища інформації завжди доступне резервне.

5.Мережі на основі сервера здатні підтримувати тисячі користувачів. Одноранговими мережами такого розміру управляти було б неможливо.

6.Т.я. клієнтський комп'ютер не виконує функцій сервера, вимоги до його технічних характеристик можуть бути мінімальними.

2.2.5Топологія мережі

Топологія визначає спосіб взаємодії комп'ютерів в мережі. Різним топологіям відповідають різні методи взаємодії і вони сильно впливають на роботу мережі. Розрізняють фізичну і логічну топологію мережі.

Фізична топологія - це структура з'єднання комп'ютерів в мережі середовищем передачі.

Логічна топологія - визначає структуру маршрутів потоків даних між комп'ютерами. У мережах стандарту Ethernet найбільш часто використовуються топології "Шина", "Зірка" і їх комбінація "Зірка - шина". Структурна схема мережі з топологією "Шина" наведена на рис.

2-5.

У ній використовується один кабель, іменований магістраллю, до якого підключені всі комп'ютери мережі. Дані у вигляді електричних сигналів від джерела (активного комп'ютера) передаються всім комп'ютерам мережі. Однак інформацію приймає тільки той

11

комп'ютер, чия мережева адреса збігається з адресою одержувача, зашифрованою в цих сигналах. У кожний момент часу вести передачу може тільки один комп'ютер.

Рис. 2-5. ЛОМ з топологією "Шина"

Продуктивність такої мережі залежить від кількості комп'ютерів, підключених до магістралі. Чим їх більше, тим більше комп'ютерів очікує передачі даних, і тим повільніша мережа. Існує ще ряд факторів, що впливають на пропускну здатність мережі: тип мережевих адаптерів, частота передачі даних, тип працюючих мережевих програм, тип мережевого кабелю, відстань між комп'ютерами в мережі. Несправність комп'ютера, що працює в такій мережі, не позначиться на роботі всієї мережі.

Фрагмент мережі з топологією "Зірка" показано на рис. 2-6. При такій топології всі комп'ютери за допомогою сегментів кабелю підключаються до центрального елементу - концентратора (або комутатора).

Сигнали від передавального комп'ютера надходять через концентратор до всіх інших абонентам мережі. Комп'ютери до мережі підключаються централізовано. Серед недоліків можна відзначити наступні:

-Для великих мереж потрібно багато кабелю;

-У разі відмови концентратора відмовляє вся мережа.

Якщо відмовить тільки один комп'ютер або з'єднувальний кабель, то на інші комп'ютери в мережі ця відмова не вплине.

Рис. 2-6. Фрагмент ЛОМ з топологією "Зірка"

Для побудови великих мереж використовується "каскадована зірка" - ієрархічне з'єднання концентраторів між собою зв'язками типу "зірка" - найпоширеніший тип топології у всіх мережах в даний час.

На практиці широко застосовується комбінована топологія ЛВС "Зірка - шина". Структурна схема такої мережі зображена на рис. 2-7.

Зазвичай схема мережі в цьому випадку виглядає так: кілька мереж з топологією "Зірка" об'єднуються за допомогою магістральної шини. У такій мережі відмова одного

12

комп'ютера не позначається на роботі всієї мережі. Збій у роботі концентратора призводить до від'єднання від мережі тільки підключених до нього комп'ютерів і концентраторів.

Рис. 2-7. Комбінована топологія "Зірка - шина"

2.2.6 Концентратори

Концентратор є центральним вузлом в мережі з топологією "Зірка". Концентратори поділяються на такі типи: активні, пасивні та гібридні.

Активні концентратори (багатопортові повторювачі) регенерують (відновлюють) і передають сигнали в мережу. Зазвичай вони мають від 8 до 16 портів для підключення комп'ютерів. Їх треба обов'язково підключати до електричної мережі.

Пасивні концентратори (монтажні або комутуючі панелі) просто пропускають через себе сигнал, не посилюючи і не відновлюючи його. Підключення до електричної мережі не потрібне.

Гібридними називаються концентратори, до яких можна під'єднати кабелі різних

типів.

2.2.7 Комутатори

Комутатори завдяки наявності адресної таблиці можуть контролювати мережеві адреси підключених до них пристроїв і забезпечувати трансляцію пакетів з одного стандарту в іншій. Зазвичай вони, будучи активними мережевими елементами, мають від 8 до 24 портів для підключення комп'ютерів або інших мережевих компонентів.

Комутатор дозволяє пересилати пакети між декількома сегментами мережі. Він є пристроєм, що навчається самостійно. Комутатор не поміщає всі пакети що приходять у внутрішній буфер. Це відбувається лише тоді, коли треба узгодити швидкості передачі, або адреса призначення не міститься в адресній таблиці, або коли порт, куди повинен бути спрямований пакет, зайнятий. Комутатор лише аналізує адресу призначення в заголовку пакета і, звірившись з адресною таблицею, тут же (час затримки близько 30-40 мікросекунд) направляє цей пакет у відповідний порт. Таким чином, коли пакет ще цілком не пройшов через вхідний порт, його заголовок вже передається через вихідний. Типові комутатори працюють за алгоритмом "застарівання адрес". Це означає, що, якщо після закінчення певного проміжку часу, не було звернень за цією адресою, то вона видаляється з адресної таблиці.

Комутатори підтримують при з'єднанні один з одним режим повного дуплексу. У такому режимі дані передаються і приймаються одночасно, що неможливо в звичайних мережах Ethernet, побудованих на коаксіальному кабелі. При цьому швидкість передачі даних підвищується в два рази, а при з'єднанні декількох комутаторів можна добитися і більшої пікової продуктивності.

13

2.2.8 Мережеві кабелі

Існує три види мереж (технологій) на базі стандарту Ethernet (див. Таблицю 2-3). Кожна з таких ЛВС може бути спроектована з використанням того чи іншого виду кабелю.

На сьогоднішній день, найбільш поширеною з цих технологій є Fast Ethernet, тому що проста Ethernet вже не задовольняє потреб більшості споживачів, а Gigabit Ethernet ще досить дорога для її широкого застосування, хоча й починає поступово витісняти своїх попередниць.

Упроектах ЛВС використовується один з трьох видів кабелів:

•Коаксіальний (двох типів):

-Тонкий коаксіальний кабель (thin coaxial cable);

-Товстий коаксіальний кабель (thick coaxial cable).

• Вита пара (двох основних типів):

-Неекранована кручена пара (unshielded twisted pair - UTP);

-Екранована кручена пара (shielded twisted pair - STP).

• Волоконно-оптичний кабель (двох типів):

-Багатомодовий кабель (fiber optic cable multimode);

-Одномодовий кабель (fiber optic cable single mode).

Загальна номенклатура цих кабелів у багатьох виробників становить тисячі найменувань. Вибирають кабель, як правило, виходячи не з характеристик конкретної марки, а з правил застосування, що істотно спрощує розробку кабельної мережі.

Сьогодні практично всі ЛВС проектуються на базі UTP та волоконно-оптичних кабелів. Коаксіальний кабель застосовують лише у виняткових випадках і то, як правило, при організації низькошвидкісних з'єднань в монтажних шафах. Існують наступні виконання кабелів:

•кабель зі скрученими парами (UTP-кабель) категорій 3, 4 або 5 з різними типами екранів або без них (STP - екранування мідної опліткою, FTP - екранування фольгою, SFTP - екранування мідної опліткою і фольгою);

•тонкий коаксіальний кабель (RG-58) з різним виконанням центральної жили (RG58 / U - суцільна мідна жила, RG-58A / U - багатожильний, RG-58C / U - спеціальне / військове / виконання кабелю);

•товстий коаксіальний кабель (thick coaxial cable);

•волоконно-оптичний кабель (fiber optic cable single mode - одномодовий або multimode - багатомодовий).

При цьому кожен вид кабелю накладає обмеження на проект мережі:

14

•Максимальна довжина сегмента:

-100 м у кабелю зі скрученими парами;

-185 м у тонкого коаксіального кабелю;

-500 м у товстого коаксіального кабелю;

-1000 м у многомодового (mm) оптоволоконного кабелю;

-2000 м у одномодового (sm) оптоволоконного кабелю (із застосуванням спеціальних засобів до 90 км).

•Кількість вузлів на сегменті:

-2 у кабелю зі скрученими парами і оптоволоконного кабелю;

-30 у тонкого коаксіального кабелю;

-100 у товстого коаксіального кабелю.

Слід враховувати і те, що кабелі зі скрученими парами і волоконно-оптичні кабелі дозволяють працювати на швидкостях вище 10 Мбіт / сек, у той час як у коаксіальних кабелів такої можливості немає.

При установці нової мережі доцільно застосовувати кабелі зі скрученими парами в робочій групі (підрозділі), а оптоволоконні кабелі - на довгих магістралях і для зв'язку між будівлями.

На довгих магістралях безумовно найбільш переважно використання оптоволоконних кабелів, тому вони забезпечують найбільшу припустиму довжину сегмента, високу безпеку й перешкодозахищеність.

Для підключення кабелю зі скрученими парами до мережевих вузлів останні обладнуються портами, а на кабелях встановлюються роз'єми типу RJ45. Стандартний порт являє собою отвір з пазом для фіксації всередині нього роз'єму RJ45 із вісьмома контактами у вигляді металевих смуг, які точно збігаються з контактами-смугами на роз'ємі. Ці контакти мають свої номери від 1 до 8 (див. рис. 2-8) і розділяються на пари: 1-2, 3-6, 4-5, 7-8.

Рис. 2-8. Зовнішній вигляд порту і роз'єму

Існує два типи портів - MDI (Medium Dependent Interface - Інтерфейс, що залежить від середовища) і MDI-X (Medium Dependent Interface crossover - Інтерфейс, що залежить від середовища, з перехрещуванням), в кожному з яких пари контактів 1-2 і 3-6 мають різне призначення. Тобто, якщо в порту MDI пара 1-2 це контакти передавача даних (Тх), а пара 3- 6 - приймача (Rx), то в порту MDI-X навпаки: пара 1-2 - контакти приймача (Rx) , а 3-6 - передавача (Tx), про що і говорить буква "Х" у назві порту. Для того щоб з'єднання між двома пристроями запрацювало, передавач (Тх) одного пристрою повинен бути з'єднаний з приймачем (Rx) іншого пристрою.

Портами MDI облаштована більшість мережевих адаптерів та інших пристроїв. Портами MDI-X облаштовують такі пристрої, як концентратори (комутатори), спеціально для того, щоб при підключенні до них якого-небудь іншого пристрою можна було б підключити скручену пару з обох сторін однаково, без перехрещування пар всередині кабелю.

15

Існують концентратори з автовизначенням контактів, які самі вирішують, повинен порт бути MDI-X або MDI, залежно від підключеного до цього порту пристрою. Багато концентраторів з'єднуються між собою простим кабелем без перехрещування через спеціальні порти, звані "UpLink" (див. Рис. 2-9).

Рис. 2-9. Концентратор з портом UPLINK

Інший спосіб підключення - це порти, які можуть працювати і як порт MDI-X, і як порт MDI, залежно від положення спеціального перемикача або кнопки.

2.3 Порядок виконання лабораторної роботи

Лабораторна робота виконується в наступному порядку:

1.Аналізується завдання і початкові дані на лабораторну роботу і приймається обгрунтоване рішення про вибір типу проектованої мережі (однорангова або на базі сервера).

2.Якщо прийнято рішення про проектування мережі на базі сервера, то:

2.1Використовуючи відомості, наведені в розділі 2.2.8, вибирається технологія стандарту Ethernet.

2.2Виконується розбивка всіх комп'ютерів і периферійних пристроїв на робочі групи з прив'язкою до приміщень.

2.3Визначається кількість виділених серверів і їх прив'язка до приміщень. Результати проектування за п.п. 2.2 і 2.3 зводяться в одну таблицю.

2.4Визначається необхідна кількість концентраторів (комутаторів) з урахуванням можливості розширення мережі та визначаються місця їх установки в приміщеннях підприємства.

2.5Визначається необхідність використання комутаційних панелей і місця їх установки.

2.6Комп'ютери, периферійне устаткування, комутаційні панелі і концентратори

(комутатори) наносяться на план приміщень підприємства.

2.7Використовуючи відомості, наведені в розділі 2.2.8, вибирається тип мережевого кабелю.

2.8Опрацьовуються і наносяться на план приміщень підприємства маршрути мережевих кабельних трас.

2.9Розраховуються довжини сегментів кабелів з прив'язкою до приміщень підприємства

ісумарна довжина кабельних трас.

2.10На підставі обчислених довжин сегментів кабелів і відомостей розділу 2.2.8 визначається необхідність використання повторювачів.

2.11Розраховується необхідна кількість роз'ємів для підключення кабелів до мережного обладнання.

2.12Розробляються рекомендації з придбання для потреб організації серверів і сучасних комп'ютерів із зазначенням їх моделей і операційних систем.

2.13Обгрунтовується вибір периферійних пристроїв, що використовуються в якості мережевих ресурсів, з прив'язкою до доменів.

2.14Виконується розбивка користувачів на логічні групи (домени).

16

2.4 Зміст звіту

Звіт повинен містити такі відомості:

1.Титульний лист, оформлений у встановленому порядку, із зазначенням теми лабораторної роботи.

2.Обгрунтування вибору типу мережі (однорангова або на базі сервера).

3.Обгрунтування вибору мережевого стандарту.

4.Обгрунтування вибору топології фрагментів мережі для різних робочих груп (підрозділів). Наприклад, логічна «шина» за схемою фізичної «шини» або логічна «шина» за схемою фізична «зірка».

5.Таблицю з переліком комп'ютерів, серверів, концентраторів (комутаторів), периферійних пристроїв і їх прив'язкою до приміщень.

6.Схему (фізичну топологію) мережі з прив'язкою до приміщень.

7.Опис логічних груп (доменів) з прив'язкою до підрозділам підприємства.

8.Перелік обладнання і матеріалів, необхідних для монтажу ЛВС:

-Тип і довжина кабелю (привести розрахунок з прив'язкою до приміщень);

-Тип і кількість роз'ємів для підключення кабелів до мережного обладнання;

-Кількість комутаційних панелей (якщо потрібні);

-Кількість концентраторів (комутаторів);

-Кількість повторювачів (якщо потрібні);

9.Обгрунтування моделей додатково закуповуваних комп'ютерів (якщо потрібні).

10.Обгрунтування вибору периферійних пристроїв, що використовуються в якості мережевих ресурсів, з прив'язкою до доменів.

2.5Контрольні питання для самоперевірки

1.Що таке комп'ютерна мережа?

2.Які фактори визначають підвищення ефективності праці в комп'ютерній мережі?

3.Як класифікуються комп'ютерні мережі?

4.Що таке сервер комп'ютерної мережі?

5.Що таке клієнт комп'ютерної мережі?

6.Що таке лінія передачі даних?

7.Що таке середу передачі даних?

8.Що таке ресурс в комп'ютерної мережі?

9.Що таке протокол обміну даними?

10.У чому полягає захист мережі?

11.Що таке трафік комп'ютерної мережі?

12.У чому полягає мережеве адміністрування? Які завдання вирішуються в процесі мережевого адміністрування?

13.Що являє собою однорангова комп'ютерна мережа?

14.Що являє собою комп'ютерна мережа на основі сервера?

15.Перелічіть види спеціалізованих серверів.

16.Що таке фізична топологія мережі?

17.Що таке логічна топологія мережі?

18.Опишіть топологію комп'ютерної мережі "Шина".

19.Опишіть топологію комп'ютерної мережі "Зірка".

20.Опишіть комбіновану топологію "Зірка" - "Шина".

21.Призначення концентраторів? Як класифікуються концентратори?

22.Чим відрізняється комутатор від концентратора?

23.Які існують види мереж (технологій) на базі стандарту Ethernet?

24.Які види кабелів використовуються в комп'ютерних мережах?

17

3 Лабораторна робота № 2

Тема: "Протоколи обміну даними в цифрових промислових мережах".

3.1 Мета роботи

Лабораторна робота призначена для вивчення принципів організації обміну даними в цифрових промислових мережах.

У ході виконання лабораторної роботи необхідно вивчити топології послідовних каналів зв'язку, способи кодування даних, використовувані в послідовних каналах зв'язку, структури пакетів даних, дисципліну обміну даними.

Завдання лабораторної роботи полягає в отриманні навичок розробки протоколів обміну даними для цифрових промислових мереж, що використовуються в системах автоматизації виробництва.

3.1.1 Завдання

Розробити протокол обміну даними між робочою станцією (ведучий абонент) і двома контролерами (ведені абоненти). Максимальна відстань між абонентами становить 200 метрів. Технологічним об'єктом є скловарна піч.

Протокол обміну даними повинен дозволяти здійснювати візуалізацію на екрані монітора робочої станції значень контрольованих параметрів. Крім цього, повинна бути передбачена можливість передачі з робочої станції команд управління для виконавчих механізмів.

Розробити діаграми обміну даними між робочою станцією і одним з контролерів для штатного режиму (запит - квитанція - відповідь) і нештатних ситуацій (контролером не отримується квитанція від робочої станції, робочою станцією не отримано відповіді від контролера).

Використовуючи розроблений протокол скласти такі пакети:

-пакети ведучого абонента, що містять команду на відкриття МЕО № 1, команду на закриття МЕО № 3, команду запиту значення контрольованого параметра "Тиск газу", команду запиту значення контрольованого параметра "Розрідження в колекторі димоповітряної труби" і команду запиту значення контрольованого параметра "Температура в точці № 5" (термопара № 5);

-пакети ведених абонентів, що містять дані про контрольовані параметри, запитані ведучим абонентом.

Початкові дані.

До контролера № 1 підключені такі датчики і виконавчі механізми:

1.МЕО №№ 1 і 2 з керуючими приводами для регулювання подачі газу і повітря;

2.Датчик тиску газу;

3.Датчики №№ 1, 2 розрідження в печі;

4.Датчик розрідження в колекторі димо-повітряної труби.

До контролера № 2 підключені такі датчики і виконавчі механізми:

1.МЕО №№ 3 і 4 з керуючими приводами для регулювання за допомогою шибера розрідження в колекторі димо-повітряної труби;

2.Витратомір для обліку витрат газу;

3.Термопари №№ 1 - 6 для вимірювання температури на пічному обладнанні.

18

3.2 Теоретична частина

Протягом багатьох років системи обміну даними АСУ ТП будувалися за традиційною централізованої схемою, в якій був один потужний обчислювальний пристрій і величезна кількість кабелів, за допомогою яких здійснювалося підключення кінцевих пристроїв - датчиків і виконавчих механізмів. Така структура визначалася високою ціною електронно-обчислювальної техніки і відносно низьким рівнем автоматизації виробництва. Серед недоліків централізованих АСУ ТП слід виділити великі витрати на кабельну мережу та допоміжне обладнання, складний монтаж, низьку надійність і складність реконфігурації.

3.2.1Загальні відомості

Вумовах бурхливо зростаючого виробництва мікропроцесорних пристроїв альтернативним рішенням стали цифрові промислові мережі. Вони складаються з багатьох вузлів і мають дві особливості: розподілений характер "інтелекту" і цифровий спосіб обміну даними між вузлами мережі. Кожен вузол цифрової промислової мережі є інтелектуальним пристроєм і виконує такі функції:

- прийом команд і даних від інших вузлів; - прийом даних з підключених датчиків; - оцифровка отриманих даних;

- відпрацювання технологічного алгоритму; - видача керуючих команд на підключені виконавчі механізми по команді іншого

вузла або згідно з технологічним алгоритмом; - передача накопиченої інформації на інші вузли мережі.

2

Технологічні об'єкти управління

Рис. 3-1. Узагальнена структурна схема цифрової промислової мережі.

Сьогодні на ринку представлені десятки різних типів цифрових промислових мереж.

Широке поширення в АСУ ТП отримали такі як Interbus, PROFIBUS, Foundation Fieldbus, AS-інтерфейс (Actuator / Sensor Interface), CAN (Controller Area Network) та ін. Всі вони, як правило, побудовані на основі скрученої пари проводів. Узагальнена структурна схема цифрової промислової мережі наведена на рис. 3-1.

19