Общие рекомендации
Лучшей средой передачи сигнала является кабель на основе витой пары.
Концы кабеля должны быть заглушены терминальными резисторами (обычно 120 Ом).
Сеть должна быть проложена по топологии шины, без ответвлений.
Устройства следует подключать к кабелю проводами минимальной длины.
Витая пара является оптимальным решением для прокладки сети, поскольку обладает наименьшим паразитным излучением сигнала и хорошо защищена от наводок. В условиях повышенных внешних помех применяют кабели с экранированной витой парой, при этом экран кабеля соединяют с защитной "землёй" устройства.
Стандарт EIA RS- 485
Скорость передачи 10 Мбит/с (максимум)
Расстояние передачи 1200 м (максимум)
Характер сигнала дифференциальное напряжение
Линия передачи скрученная пара
Количество передатчиков 32
Количество приемников 32
Схема соединения полудуплекс, многоточечная
Протокол V23.
Рекомендация V.23 описывает способ передачи информации по коммутируемым каналам со скоростью 600 и 1200 бит/с с частотной модуляцией. Более высокие, по сравнению с протоколом V.21, скорости достигаются за счет полудуплексного режима передачи. В этом случае как вызывающим, так и отвечающим модемами используется вся полоса частот телефонного канала, но в разные моменты времени.
При работе со скоростью 1200 бит/с для передачи логической "1" используется несущая с частотой 1300 Гц, а для логического "О" — 2100 Гц. При скорости 600 бит/с "1" передается той же частотой, а "О" — частотой 1700 Гц. Рекомендация V.23 предусматривает использование неадаптивного эквалайзера. Кроме того, на частоте 420 Гц предусмотрена организация вспомогательного обратного канала со скоростью передачи 75 бит/с и девиацией частоты ±30 Гц. Другими словами, в обратном канале "1" передается частотой 390 Гц, а "О" — 450 Гц.
Данный протокол практически вышел из употребления, и его поддерживает далеко не каждый модем. Благодаря простоте, высокой помехоустойчивости и приличной скорости, он стал базовым для некоторых нестандартных модемов. Протокол V.23 нашел применение в пакетных радиомодемах, использующихся совместно с KB и УКВ радиостанциями. Кроме того, в ряде европейских стран протокол V.23 применяется в информационной системе Videotex.
Основные достоинства:
Простота
Высокая скорость
Высокая помехоустойчивость
Значениям “0” и “1” соответствуют определенные частоты аналогового сигнала при неизменной амплитуде.
При скорости 1200 бит/с: При скорости 600 бит/с:
лог. “1” – 1300 Гц лог. “1” – 1300 Гц
лог . “0” – 2100 Гц лог . “0” – 1700 Гц
Протокол CAN.
CAN (Control Area Network) - последовательная магистраль, обеспечивающая увязку в сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью. Система CAN обеспечена большим количеством микросхем, обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств, разработку которых начинала фирма BOSH для использования в автомобилях, и в настоящее время широко используемых в автоматизации промышленности. Цеколёвка разема приведена на рисунке.
Стандарт ISO 11898. Скорость передачи 1 Мбит/с (максимум).Расстояние передачи 1000 м (максимум) Характер сигнала, линия передачи - дифференциальное напряжение, скрученная пара. Количество драйверов 64. Количество приемников 64. Схема соединения полудуплекс, многоточечная.
Предназначен для организации высоконадежных недорогих каналов связи в распределенных системах управления. Интерфейс широко применяется в промышленности, энергетике и на транспорте. Позволяет строить как дешевые мультиплексные каналы, так и высокоскоростные сети.
Скорость передачи задается программно и может быть до 1 Мбит/с. Пользователь выбирает скорость, исходя из расстояний, числа абонентов и емкости линий передачи.
Расстояние, м |
25 |
50 |
100 |
250 |
500 |
1000 |
2500 |
5000 |
Скорость, Кбит/с |
1000 |
800 |
500 |
250 |
125 |
50 |
20 |
10 |
Максимальное число абонентов, подключенных к данному интерфейсу фактически определяется нагрузочной способностью примененных приемопередатчиков. Например, при использовании трансивера фирмы PHILIPS PCA82C250 она равна 110.
Протокол CAN использует оригинальную систему адресации сообщений. Каждое сообщение снабжается идентификатором, который определяет назначение передаваемых данных, но не адрес приемника. Любой приемник может реагировать как на один идентификатор, так и на несколько. На один идентификатор могут реагировать несколько приемников.
Протокол CAN обладает развитой системой обнаружения и сигнализации ошибок. Для этих целей используется поразрядный контроль, прямое заполнение битового потока, проверка пакета сообщения CRC-полиномом, контроль формы пакета сообщений, подтверждение правильного приема пакета данных. Хемминговый интервал d=6. Общая вероятность необнаруженной ошибки 4.7x10-11.
Система арбитража протокола CAN исключает потерю информации и времени при "столкновениях" на шине.
Интерфейс с применением протокола CAN легко адаптируется к физической среде передачи информации. Это может быть дифференциальный сигнал, оптоволокно, просто открытый коллектор и т.п. Несложно делается гальваническая развязка.
Элементная база, поддерживающая CAN, широко выпускается в индустриальном исполнении.
Основные характеристики:
Число адресов до 32
Скорость передачи 125…1000 Кбит/с
Размер данных 8 слов (байт).
Формат сеанса - посылка по изменению.
Промышленная сеть реального времени CAN представляет собой сеть с общей средой передачи данных: все узлы сети одновременно принимают весь траффик, передаваемый по шине.
Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу.
CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность
фильтрации CAN-сообщений.
Каждый узел состоит из:
- контроллера – осуществляет взаимодействие с сетью и реализует протокол;
- микропроцессора (CPU).
Шина соединения:
CAN-контроллеры соединяются с помощью дифференциальной шины.
Шина имеет две линии - CAN_H (can-high) и CAN_L (can-low).
Лог. ”0” сигнал на линии CAN_H выше, чем на линии CAN_L.
Лог. “1” - сигнал CAN_H и CAN_L одинаковы
(отличаются менее чем на 0.5 В).
Приоритет сигналов:
Логический ноль - называется доминантным битом, а логическая единица - рецессивным. При одновременной передаче в шину лог. нуля и единицы, на шине будет зарегистрирован только логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).
Типы сообщений:
Данные в CAN передаются короткими сообщениями - кадрами
стандартного формата.
Четыре типа сообщений:
- Data Frame
- Remote Frame
- Error Frame
- Overload Frame
Арбитраж:
Поле арбитража CAN-кадра используется в CAN для разрешения коллизий доступа к шине методом недеструктивного арбитража: когда несколько контроллеров начинают одновременную передачу CAN-кадра в сеть, каждый из них сравнивает бит, который собирается передать на шину, с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, оба контроллера передают следующий бит. И так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал), будет продолжать передачу, а другой (другие) контроллер прервёт свою передачу до того времени, пока шина вновь не освободится. Если шина в данный момент занята, то контроллер не начнет передачу до момента её освобождения.
Физический уровень:
Физический уровень определяет сопротивление кабеля, уровень электрических сигналов в сети и др
Существует несколько физических уровней протокола CAN (ISO 11898, ISO 11519, SAE J2411).
Обычно используется физический уровень CAN, определенный в стандарте ISO 11898:
- средой передачи является двухпроводная дифференциальная линия с импедансом (терминаторы) 120 Ом (допускается колебание импеданса в пределах от 108 Ом до 132 Ом;
реализован в специальных чипах - CAN приемо-передатчиках (transceivers), которые преобразуют обычные TTL уровни сигналов, используемых CAN-контроллерами в уровни сигналов на шине CAN.
Наиболее распространенный CAN приемо-передатчик - Phillips 82C250, который полностью соответствует стандарту ISO 11898.
Скорость передачи:
Скорость передачи Максимальная длина сети
1000 Кбит/сек 40 метров
500 Кбит/сек 100 метров
250 Кбит/сек 200 метров
125 Кбит/сек 500 метров
10 Кбит/сек 6 километров
Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью света и механизмом побитового арбитража (во время арбитража все узлы сети должны получать текущий бит передачи одновременно, т.е. сигнал должен успеть распространится по всему кабелю за единичный отсчет времени в сети.
Разъемы для сети CAN до сих пор НЕ СТАНДАРТИЗОВАНЫ.
Каждый протокол высокого уровня обычно определяет свой тип разъемов для CAN-сети.
Протокол IEC.
Ориентирован на передачу данных по изменениям
Базируется на модели EPA (архитектура расширенного исполнения)
Содержит три уровня связи (ISO -модель):
- физический уровень;
- уровень связи;
- уровень приложения;
Каждый уровень выполняет некоторый набор действий и предоставляет определенный набор сервисных процедур для верхнего уровня
Типы передаваемых сообщений:
Сигналы телесигнализации ТС в формате Boolean;
Сигналы телеизмерения ТИ в форматах Byte, Word, Float;
Сигналы телерегулирования ТР в форматах Byte, Word, Float;
Интегральные сигналы (телесчет) ТИИ в формате Long;
Команды телеуправления ТУ в формате Boolean;
Неформатные данные;
Подтверждения на получение ТУ, ТР
Адресное пространство:
Адрес сигнала состоит из двух байт:
- младший байт определяет номер сигнала;
- старший байт определяет адрес массива.
Адрес массива определяет тип и смысловое назначение информационных элементов и состоит из:
- типа сигнала (младший полубайт);
- типа массива (старший полубайт).
Адрес массива |
Номер сигнала |
||||||||||||||
15 |
14 |
13 |
12 |
11 |
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
Тип массива |
Тип сигнала |
|
|||||||||||||
Тип сигнала:
0h (0000) телесигнализация (TS)
1h (0001) телеуправление (TU)
2h (0010) телеизмерения ТИ1 (TI1)
3h (0011) телеизмерения ТИ2 (TI2)
4h (0100) телеизмерения ТИ4 (TI4)
5h (0101) телесчет (TII)
6h (0110) телерегулирование ТР1 (TR1)
7h (0111) телерегулирование ТР2 (TR2)
8h (1000) телерегулирование ТР4 (TR4)
9h (1001) ответ на телерегулирование ОТР1 (OTR1)
Ah (1010) ответ на телерегулирование ОТР2 (OTR2)
Вh (1011) ответ на телерегулирование ОТР4 (OTR4)
Сh (1100) ответ на телеуправление ОТУ (OTU)
Dh (1101) резерв
Eh (1110) сообщения (ASCII)
Fh (1111) неформатные данные (UF)
Тип массива:
0h (0000) технологические сигналы
1h (0001) технологические сигналы с регистром статуса
2h (0010) технологические сигналы с меткой времени
3h (0011) технологические сигналы с регистром статуса и меткой времени
4h (0100) резерв технологической информации
5h (0101) резерв технологической информации
6h (0110) резерв технологической информации
7h (0111) резерв технологической информации
8h (1000) служебные сигналы
9h (1001) параметры технологических сигналов
Аh (1010) резерв служебной информации
Bh (1011) резерв служебной информации
Ch (1100) резерв служебной информации
Dh (1101) резерв служебной информации
Eh (1110) резерв служебной информации
Fh (1111) параметры контроллера и модулей
Технологически и служебные:
Технологические сигналы – это информация о значении входных и выходных сигналов контроллера
Служебные сигналы – это сигналы о состоянии контроллера и модулей!!! Сигналы одного типа с одним номером, но с меткой времени (или регистром статуса) или без нее (или него) являются сигналами с различными адресами
Метка времени ирегистр статуса:
Метка времени – передается в абсолютном формате (дата от начала года)
Регистр статуса – дополнительный байт битовых флагов информации о сигнале
Значения битов регистра статуса:
0 бит – флаг переполнения;
3 бит – если 1, то значение сигнала со времени последней передачи изменилось более одного раза;
5 бит – если 1, то сигнал заблокирован оператором;
7 бит – если 1, то значение сигнала недостоверно;
1,2,4,6 биты - зарезервированы.
Обмен информацией по протоколу:
Осуществляется по схеме Master-Slave
Master выдает в сеть запросы с указанием подчиненной станции (КП) и состава опрашиваемой информации
Число КП не может превышать 64
После принятия сигнала от Master, КП выдает в сеть ответ
Если через определенный промежуток времени ответ не приходит к Master, то соединение считается разорванным, а запрос недействительным
Передача кадров:
Информация передается кадрами (пакетами)
Один кадр может содержать до 32 байт пользовательской информации
Каждый кадр в буфере имеет номер
Передав один кадр и не получив подтверждения, можно передавать следующий
Первый байт кадра всегда содержит код функции:
47h “Сбор событий”
49h “Общий опрос”
55h “Выполнить команду”
58h “Управление началось”
0Fh “Синхронизация часов”
Запрос и получение данных:
Используется для обновления данных контролирующей станции текущими значениями переменных процессов КП.
Контролирующая станция производит опрос (поллинг) путем последовательного получения данных от всех КП
КП может передавать данные только если ее опрашивают
Последовательность опроса всех КП задается таблицей поллинга (карта опроса).
После включения контроллера производится:
Инициализация станции. Текущая база заполняется нулями.
Общий опрос. Передаются данные для обновления базы.
Передача данных по изменениям (в состоянии покоя).
При отсутствии изменений данные посылаются повторно по истечению тайм-аута или команде контролирующей станции
Общий опрос:
Предназначен для обновления данных контролирующей станции после процедуры инициализации
По данной команде формируются события по всем технологическим сигналам данного КП
Учитываются значения параметров «Общий опрос» каждые и Интервал между опросами КП
Команда общего опроса выдается только для подчиненных станций, связь с которыми на данный момент установлена
Протокол HART.
Полевой коммуникационный протокол HART широко применяется в промышленности как стандарт для цифровой коммуникации со "smart"-приборами. Его особенность в том, что он использует для передачи цифровых данных низкоуровневую модуляцию, наложенную на аналоговый сигнал 4-20 mA (токовая петля), который сейчас широко используется для таких измерений. Поскольку сигнал HART-протокола несущественный, и составлен из синусоидальных колебаний, то он оказывает минимальное влияние на точность несущего аналогового сигнала, который поэтому тоже может использоваться. Это свойство обеспечивает взаимозаменяемость с существующими системами, при расширении оных для возможности получения нескольких переменных процесса, для конфигурации, проверки статуса, диагностики устройств, и так далее.
HART это:
Открытый стандарт, работающий с любой системой управления
Протокол HART поддерживается всеми ведущими производителями оборудования и программного обеспечения в области промышленной автоматизации.
Одновременная аналоговая и цифровая коммуникация
HART-протокол позволяет передавать одновременно аналоговый и цифровой сигнал по одной и той же паре проводов.
Совместимость с существующим оборудованием 4-20 мА и линиями связи
Фактически, датчики с HART можно ставить на место аналоговых и с помощью средств HART-коммуникации использовать все преимущества цифрового обмена уже в существующих аналоговых системах.
Удаленная диагностика и настройка
Технический персонал может дистанционно осуществлять диагностику и настройку полевых приборов, используя для этого коммуникатор или компьютер с соответствующим программным обеспечением.
Возможность подключения к одной линии нескольких датчиков
Объединение интеллектуальных датчиков в систему с цифровой передачей данных позволяет сократить расходы на кабельную продукцию, установку, наладку и на текущее техническое обслуживание.
Передача нескольких параметров одновременно
HART-протокол удобен при работе с многопараметрическими приборами (например, расходомерами), т.к. позволяет получать информацию о нескольких переменных процесса по одной паре проводов.
Использование во взрывоопасных зонах
Приборы, поддерживающие HART-протокол, могут устанавливаться во взрывоопасных зонах класса 0, класса 1 и класса 2.
Оперативная информация о состоянии прибора
Непрерывная самодиагностика обеспечивает высокую надежность оборудования. Информация о состоянии прибора передается в каждом сообщении от устройства.
Доступ к параметрам прибора
Пользователь имеет возможность прочитать любые параметры датчика: значения переменных, единицы и диапазон измерения, индивидуальные параметры прибора (позиция по проекту, дата последней калибровки).
Предназначен для обмена данными между системой управления и «интеллектуальными» первичными датчиками
Является открытым и доступен для всех производителей приборов и систем управления, желающих его использовать.
Обмен данными:
Обмен данными осуществляется по тем же двум проводам, которые уже используются для подключения первичных приборов к системе управления, при этом HART протокол позволяет не нарушать аналоговый сигнал.
Если измеряемая переменная считывается в цифровой форме, аналоговый сигнал 4-20 мА не нужен, поэтому можно подсоединять несколько первичных устройств к одной паре проводов, а считывать данные индивидуально, т.к. каждое устройство имеет свой адрес. Это сокращает стоимость кабельной продукции. Однако использование циклического сканирования увеличивает время опроса, что не всегда допустимо.
HART протокол использует стандарт BELL 202 кодировки сигнала методом частотного сдвига (FSK) для обмена данными на скорости 1200 Бод. Сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4-20 мА. Поскольку среднее значение равно 0, то он не влияет на аналоговый сигнал 4-20 мА.
Формат кадра:
HART протокол построен по принципу Master – Slave.
На магистрали может быть два задатчика (например ручной коммуникатор и
система управления).
К одной линии моноканала можно подключить до 15 подчиненных устройств.
Преамбула |
Старт |
Адрес |
Команда |
Число байт |
Статус |
Данные |
Контрольная сумма |
Команды:
Универсальные команды: содержат функции, которые выполняются в всех первичных приборах.
- Считать название изготовителя.
- Считать первичный параметр и единицы измерения.
- Считать значение токового выхода и процент диапазона.
- Считать до 4-х предопределенных динамических переменных.
- Считать или записать 8-ми символьный тэг, 16-ти символьный описатель, дату.
- Считать, записать 32-х символьное сообщение.
- Считать серийный номер и ограничения.
- Считать или записать номер окончательной сборки.
- Записать адрес опроса датчика.
Типовые команды: содержат функции, которые выполняются во многих первичных приборах, но не во всех.
Специфические команды: содержат функции, уникальные для конкретного первичного прибора.
Схема подключения:
Ручной коммуникатор или контроллер не должны подключаться непосредственно на источник питания. Они должны быть подключены либо к двум проводам первичного прибора (точки А и В), либо через сопротивление нагрузки (точки В и С).
Согласно спецификации HART протокола допускается значение сопротивления нагрузки в пределах 230 – 1100 Ом.
Схема моноканала:
В режиме моноканала считывать первичную информацию можно только посредством коммуникации, поскольку аналоговый сигнал становится недоступным.
На рисунке представлена комбинированная схема подключения: верхние датчики питаются от источника, нижние запитываются автономно. Поскольку витой тройной пары в готовом виде не существует, следует использовать две отдельные витые пары.
Прокладка кабеля:
Обычно используется кабель витой пары, либо экранированной пары, либо с общим экраном для нескольких витых пар. Системой накладывается ограничение на константу времени: не более 65 мкс.
Например: при использовании одного датчика и одного главного устройства с R нагрузи 250 Ом при отсутствии другого значительного сопротивления константа времени 65 мкс допускает иметь общую емкость 0,26 мкФ. Чтобы емкость главного и подчиненного устройства могла быть 0.01 мкФ емкость кабеля д.б. 0.25 мкФ. Если кабель имеет R равное 110 ом, суммарное R=360 Ом, что требует суммарную емкость 0.18 мкФ, это соответствует длине кабеля 900м.
В системе с десятью датчиками (С каждого =0.025 мкФ), суммарная емкость будет равна 10х25000 пФ + 5000 пФ = 0.255 мкФ, что допускает емкость кабеля всего 5000 пФ (0.005 пФ) т.е. длина д.б. не более 25-75 метров, в зависимости от типа.
Для предотвращения помех от внешних сигналов сигнальный контур заземления должен быть заземлен обязательно в одной точке.
Протокол ModBus.
ModBus - коммуникационный протокол, основанный на клиент-серверной архитектуре, который был разработан фирмой Modicon для использования в контроллерах с программируемой логикой (PLC). Стал стандартом в промышленности и широко применяется для организации связи промышленного электронного оборудования. Использует для передачи данных последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232 и другие, а также сети TCP/IP. Устройства разных производителей, поддерживающие протокол ModBus, обеспечивают простую интеграцию в единую сеть. Практически все SCADA/HMI системы поддерживают данный протокол. При использовании последовательных линий связи в одной сети может быть только одно ведущее устройство(master), которое опрашивает несколько подчиненных устройств(slave). Подчиненное устройство не может самостоятельно запросить данные или начать передачу. Ведущее устройство может запрашивать данные с подчиненных устройств в произвольном порядке или инициировать одновременную запись данных на все подчиненные устройства одновременно. В одной сети теоретически может быть 247 подчиненных устройств(количество адресов устройств). Физическое ограничение в зависимости от типа линии связи, кабеля и характеристик передающих устройств в несколько раз меньше. В сети Modbus TCP может присутствовать неограниченное количество ведущих устройств и подчиненных устройств. При этом любое устройство может быть одновременно и ведущим, и подчиненным. В сети могут также существовать специальные шлюзы (gateway), которые предоставляют данные устройствам из сети TCP/IP доступ к устройствам, объединенным последовательной линией связи или ведущему устройству с последовательным интерфейсом доступ к сети TCP/IP.
Разработан компанией Modicon (Schneider Electric ) в 1979 году
Технология Master - Slave
Master + до 247 Slave на общей шине
Только Master инициирует передачу
Адресация: запрос/ответ (один Slave) или широковещательная/без ответа (все Slave)
Сеть Ethernet
Днем рождения Ethernet можно считать 22 мая 1973 г., когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) и Дэвид Боггс (David Boggs) опубликовали докладную записку, в которой описывалась экспериментальная сеть, построенная ими в Исследовательском центре фирмы Xerox в Пало-Альто. При рождении сеть получила имя Ethernet, базировалась на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. В декабре того же года Меткалф опубликовал докторскую работу "Packet Communication" ("Пакетная связь"), а в июле 1976 г. Меткалф и Боггс выпустили совместный труд "Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks" ("Ethernet: распределенная пакетная коммутация для локальных компьютерных сетей"). Таким образом, была создана теоретическая база для дальнейшего развития технологии. Ключевой фигурой в судьбе Ethernet становится Роберт Меткалф, который в 1979 г. для воплощения своих идей в жизнь создает собственную компанию 3Com, одновременно начиная работать консультантом в Digital Equipment Corporation (DEC). В DEC Меткалф получает задание на разработку сети, спецификации на которую не затрагивали бы патентов Xerox. Создается совместный проект Digital, Intel и Xerox, известный под названием DIX. Задачей консорциума DIX был перевод Ethernet из лабораторно-экспериментального состояния в технологию для построения новых систем, работающих с немалой на то время скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Таким образом, Ethernet превращался из разработки Xerox в открытую и доступную всем технологию, что оказалось решающим в становлении его как мирового сетевого стандарта. В феврале 1980 г. результаты деятельности DIX были представлены в IEEE, где вскоре была сформирована группа 802 для работы над проектом. Ethernet закреплял свои позиции в качестве стандарта. Для успешного внедрения технологии важное значение сыграли дальнейшие шаги "родителей" Ethernet по взаимодействию с другими производителями чипов и аппаратного обеспечения - так, например, группа разработчиков Digital представила чип Ethernet и исходные тексты его программного обеспечения компаниям Advanced Micro Devices (AMD) и Mostek. В результате возможность производить совместимые чипсеты Ethernet получили и другие компании, что сказалось на качестве железа и снижении его стоимости. В марте 1981 г. 3Com представила 10 Мбит/с Ethernet-трансивер, а в сентябре 1982 г. - первый Ethernet-адаптер для ПК. После выхода первых изделий, в июне 1983 г. IEEE утвердил стандарты Ethernet 802.3 и Ethernet 10Base5. В качестве среды передачи предусматривался "толстый" коаксиальный кабель, а каждый узел сети подключался с помощью отдельного трансивера. Такая реализация оказалась дорогостоящей. Дешевой альтернативой с применением менее дорогого и более тонкого коаксиального кабеля, стал 10Base2 или ThinNet. Станции уже не требовали отдельных трансиверов для подключения к кабелю. В такой конфигурации Ehternet начал победное шествие по просторам экс-СССР. Главными его преимуществами была простота развертывания и минимальное количество активного сетевого оборудования. Сразу же определились и недостатки. На время подключения новых станций приходилось останавливать работу всей сети. Для выхода сети из строя достаточно было обрыва кабеля в одном месте, поэтому эксплуатация кабельной системы требовала от технического персонала проявлений прикладного героизма. Следующим шагом развития Ethernet стала разработка стандарта 10Base-T, предусматривавшего в качестве среды передачи неэкранированную витую пару (Unshielded Twisted Pair - UTP). В основу этого стандарта легли разработки SynOptics Communications под общим названием LattisNet, которые относятся к 1985 г. В 10Base-T использовалась топологии "звезда", в которой каждая станция соединялась с центральным концентратором (hub). Такой вариант реализации устранял необходимость прерывания работы сети на время подключения новых станций и позволял локализовать поиск обрывов проводки до одной линии концентратор-станция. Производители получили возможность встраивать в концентраторы средства мониторинга и управления сетью. В сентябре 1990 г. IEEE утверждает стандарт 10Base-T.
Здесь вам не Англия - копать надо глубже! Военная мудрость Ethernet 10Base5
Спецификация Ethernet 10Base5 предусматривает выполнение следующих условий:
Среда передачи - "толстый" около 12 мм в диаметре коаксиальный кабель (RG-8 или RG-11) с волновым сопротивлением 50 Ом.
Длина кабеля между соседними станциями не менее 2,5 м.
Максимальная длина сегмента сети не более 500 метров.
Общая длина всех кабелей в сегментах не более 2,500 метров.
Общее число узлов на один сегмент сети не более 100.
Сегмент оканчивается терминаторами, один из которых должен быть заземлен.
Ответвительные кабели могут быть сколь угодно короткими, но расстояние от трансивера до адаптера не более 50 метров.
В идеальном случае расстояние между соседними станциями должно быть кратно 2,5 м. Некоторые кабели имеют соответствующую маркировку через каждые 2,5 м для облегчения соблюдения этого условия.
Наибольшее распространение получило подключение трансивера к кабелю при помощи разъемов, имеющих веселенькое название "вампиры" (это из-за того, что при подключении разъем прокалывает кабель до центральной жилы). Подключение производится без остановки работы сети, в отличие от подключения через N-коннектор. Кабели в сегменте должны браться с одной катушки кабеля, что обеспечивает одинаковые электрические параметры всех подключаемых отрезков.
В трансивере находится активный приемо-передатчик с детектором коллизий и высоковольтным (1-5 кВ) разделительным трансформатором, питание обеспечивается от AUI-порта адаптера.
Основные преимущества 10Base5: большая длина сегмента, хорошая помехозащищенность кабеля и высокое напряжение изоляции трансивера. Благодаря этим качествам "толстый" Ethernet чаще всего применялся для прокладки базовых сегментов (Backbone). Сейчас этот стандарт практически полностью вытеснен более дешевыми и производительными реализациями Ethernet. 10Base2
Ограничения по спецификации Ethernet 10Base2:
Среда передачи - "тонкий" (около 6 мм в диаметре) коаксиальный кабель (RG-58 различных модификаций) с волновым сопротивлением 50 Ом.
Длина кабеля между соседними станциями не менее 0,5 м.
Максимальная длина сегмента сети не более 185 метров.
Общая длина всех кабелей в сегментах (соединенных через повторители) не более 925 метров.
Общее число узлов на один сегмент сети не более 30 (включая повторители).
Сегмент оканчивается терминаторами, один из которых заземляется.
Ответвления от сегмента недопустимы.
Сеть Ethernet 10Base2 часто называют "тонкой Ethernet" или Thinnet из-за применяемого кабеля. Это одна из самых простых в установке и дешевых типов сетей. Топология сети - общая шина. Кабель прокладывается вдоль маршрута, где размещены рабочие станции, которые подключаются к сегменту при помощи Т-коннекторов. Отрезки сети, соединяющие соседние станции, подключаются к T-коннекторам при помощи BNC-разъемов. Для соединения двух отрезков кабеля применяются I-коннекторы. В сети не более 1024 станций. Сейчас 10base2 применяется в "домашних" сетях.
Правила построения сетей, использующих физическую топологию "общая шина".
В этом случае действует правило 5-4-3, т.е.:
не более чем 5 сегментов сети
могут быть объединены не более чем 4-мя повторителями
при этом станции могут быть подключены не более чем к 3-м сегментам, остальные 2 могут быть использованы для увеличения общей длины сети.
10Base-T
Соответствует стандарту IEEE 802.3i, принятому в 1991 г. Ограничения спецификации Ethernet 10Base-T:
Среда передачи - неэкранированный кабель на основе витой пары (UTP - Unshielded Twisted Pair) категории 3 и выше. При этом задействуются 2 пары - одна на прием, вторая на передачу.
Физическая топология "звезда".
Длина кабеля между станцией и концентратором не более 100 м.
Максимальный диаметр сети не более 500 метров.
Количество станций в сети не более 1024.
В сети 10Base-Т термин "сегмент" применяют к соединению станция-концентратор. Дополнительные расходы в 10Base2, связанные с необходимостью наличия концентратора и большим количеством кабеля, компенсируются большей надежностью и удобством эксплуатации. Индикаторы, присутствующие даже на самых простых концентраторах, позволяют быстро найти неисправный кабель. Управляемые модели концентраторов способны осуществлять мониторинг и управление сетью. Совместимость кабельной системы со стандартами Fast Ethernet увеличивает пропускную способность без изменения кабельных систем. Для оконцовки кабеля применяются восьмиконтактные разъемы и розетки RJ-45.
10Base-F
Среда передачи данных стандарта 10Base-F - оптоволокно. В стандарте повторяется топология и функциональные элементы 10Base-T: концентратор, к портам которого с помощью кабеля подключаются сетевые адаптеры станций. Для соединения адаптера с повторителем используется два оптоволокна - одно на прием, второе на передачу.
Существует несколько разновидностей 10Base-F. Первым стандартом для использования оптоволокна в сетях Ethernet был FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link). Ограничение длины оптоволоконных линий между повторителями 1 км при общей длине сети не более 2,5 км . Максимальное число повторителей - 4.
В стандарте 10Base-FL, предназначенном для соединения станций с концентратором, длина сегмента оптоволокна до 2 км при общей длине сети не более 2,5 км. Максимальное число повторителей также 4. Ограничения длин кабелей даны для многомодового кабеля. Применение одномодового кабеля позволяет прокладывать сегменты длиной до 20 км (!).
Существует также стандарт 10Base-FB, предназначенный для магистрального соединения повторителей. Ограничение на длину сегмента - 2 км при общей длине сети 2,74 км. Количество повторителей - до 5. Характерной особенностью 10Base-FB является способность повторителей обнаруживать отказы основных портов и переходить на резервные за счет обмена специальными сигналами, которые отличаются от сигналов передачи данных.
Стандарты 10Base-FL и 10Base-FB не совместимы между собой. Дешевизна оборудования 10Base-FL позволила ему обогнать по распространенности волоконно-оптические сети других стандартов.
Оконцовка оптоволоконных кабелей представляет собой существенно более сложную задачу, чем оконцовка медных кабелей. Необходимо точное совмещение осей светопроводящего материала - волокон и коннекторов. Типы коннекторов в основном отличаются друг от друга размером и формой направляющего ободка. Если в самых первых биконических коннекторах использовались конические ободки, то в настоящее время используются коннекторы типа SC (square cross-section), имеющие ободок квадратного сечения. Для надежного закрепления коннектора в гнезде в ранних типах коннекторов использовалась байонетная (ST) или резьбовая (SMA) фиксация. Сейчас в коннекторах SC используется технология "push-pull", предусматривающая закрепление коннектора в гнезде защелкиванием. Коннекторы типа SC применяются не только в локальных сетях, но также и в телекоммуникационных системах и в сетях кабельного телевидения.
Отдельная проблема - соединение оптических волокон. Надежное и долговечное соединение достигается сваркой волокон, что требует специального оборудования и навыков.
Область применения оптоволокна в сетях Ethernet - это магистральные каналы, соединения между зданиями, а также те случаи, когда применение медных кабелей невозможно из-за больших расстояний или сильных электромагнитных помех на участке прокладки кабеля. На сегодняшний день стандарт 10Base-F вытесняется более скоростными стандартами Ethernet на оптоволоконном кабеле.
Правила построения сетей, использующих физическую топологию "звезда"
Правило 5-4-3 можно интерпретировать в этом случае следующим образом:
каскадно могут объединяться не более чем 4 концентратора;
"дерево" каскадируемых концентраторов должно быть построено таким образом, чтобы между двумя любыми станциями в сети было не более чем 4 концентратора;
В смешанных сетях могут быть исключения из этого правила - например, если один из хабов поддерживает не только витую пару, но и оптоволоконный кабель, то допустимое число каскадируемых концентраторов увеличивается до 5.
Экзотика
10Broad36 Необычная технология в семействе Ethernet. Отличается способом передачи - широкополосная ("broadband") вместо узкополосной ("baseband"). В этом случае полоса пропускания кабеля разделяется на отдельные частотные диапазоны, которые назначаются каждой службе. В качестве среды передачи используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом (обычный телевизионный кабель). Причем 10Broad36 "уживается" в одном кабеле с кабельным телевидением.
Длина сегмента сети не более 1800 метров, а максимальное расстояние между любыми двумя станциями в сети - 3600 м. Скорость передачи 10 Mбит/с. Подключение станций производится с помощью трансиверов, подсоединяемых к кабелю. Длина AUI кабеля, соединяющего трансивер со станцией, не более 50 м. Сегменты сети 10Broad36 должны терминироваться т.н. "оконечным головным" устройством, которое располагается на конце единичного или в корне множественных сегментов. Соединение станций в сети осуществляется одним или двумя кабелями. В первом случае для приема и передачи сигналов выделяются различные каналы частот. Передача станции поступает только на "оконечное головное" устройство, которое преобразует частоту, после чего передача принимается другими станциями, подключенными к сети. Во втором случае один из кабелей используется для приема, второй - для передачи. Сигнал достигает "оконечного головного" устройства, после чего проходит на другой кабель без изменения частоты и принимается любой станцией в сети. Полнодуплексный режим не поддерживается. Технология 10Broad36 не получила широкого распространения, вероятно, из-за сложности реализации и высокой стоимости.
1Base5 Эта технология соответствует стандарту IEEE 802.3e, утвержденному в 1987 году. Также известна под именем StarLAN. Топология - "звезда", ограничение на длину сегмента - 400 м. Работает с витой парой категории 2 и выше. Скорость передачи - 1 Мбит/с. Упоминается, в основном, как часть не менее экзотической UltraNet или в порядке перечисления - "и такое, мол, бывает :-)". В настоящее время шансов на применение не имеет из-за малой пропускной способности.
Быстрее... еще быстрее... После того, как стандарт 10Base-T стал преобладающим, определив среду передачи строящихся сетей - медную витую пару, развитие технологии пошло в направлении увеличения скорости передачи данных. Первой из технологий 100 Мбит/с для локальных сетей, была FDDI. При всех достоинствах эта технология была дорогостоящей. Для удешевления путем применения кабелей на медной витой паре фирмой Crescendo была разработана и запатентована схема кодирования и скремблирования, допускающая полнодуплексную передачу "точка-точка" по UTP для стандарта CDDI. Позднее именно эти спецификации легли в основу стандарта 100Base-T, преобладающего сегодня во вновь создаваемых сетях. 100Base-T соответствует стандарту IEEE 802.3u, утвержденному в 1995 году.
100Base-T имеет 2 разновидности реализации - 100Base-TX и 100Base-T4. Различаются они количеством используемых пар и категорией применяемого кабеля. 100Base-TX использует 2 пары кабеля UTP категории 5, 100Base-T4 использует 4 пары кабеля категории 3 или выше. Наибольшее распространение получил стандарт 100Base-TX, 100Base-T4 применяется в основном в старых сетях, построенных на UTP класса 3. Максимально допустимое расстояние от станции до концентратора 100 м, как и в 10Base-T , но в связи с изменением скорости распространения сигналов диаметр сети стандарта 100Base-T ограничен 200 м.
100 Base-FX - реализация Fast Ethernet с использованием в качестве среды передачи многомодового оптоволоконного кабеля. Ограничение длины сегмента - 412 метров при использовании полудуплексного режима и 2 км - при использовании полнодуплексного.
...быстро, как только возможно Прогресс - штука безостановочная. 100 Мбит/с - немалая скорость передачи данных, но для магистральных каналов ее может не хватить. В 1996 г. начались работы по стандартизации сетей Ethernet со скоростью передачи данных 1000 Мбит/с, которые называют Gigabit Ethernet. Был образован Gigabit Ethernet Alliance, в который вошли 11 компаний: 3Com, Bay Networks, Cisco, Compaq, Granite Systems, Intel, LSI Logic, Packet Engines, Sun, UB Networks и VLSI Technology. К началу 1998 года в Альянс входило уже более 100 компаний. В июне 1998 г. принимается стандарт IEEE 802.3z, использующий одномодовые и многомодовые оптоволоконные кабели, а также STP категории 5 на короткие расстояния (до 25 м). Столь малое допустимое расстояние в случае применения UTP обуславливало сомнительную возможность практического применения такого варианта. Положение изменилось с принятием в июне 1999 г. стандарта IEEE 802.3ab для передачи 1000 Мбит/с по неэкранированной витой паре на расстояния до 100 м.
Спецификации Gigabit Ethernet:
1000Base-LX: трансиверы на длинноволновом лазере, одномодовый и многомодовый оптоволоконный кабель, ограничения длины сегмента 550 м для многомодового и 3 км для одномодового кабеля. Некоторые фирмы предлагают оборудование, позволяющее строить сегменты с применением одномодового кабеля гораздо большей длины - десятки километров.
1000Base-SX: трансиверы на коротковолновом лазере и многомодовый оптический кабель. Ограничения длины сегмента 300 м для кабеля с диаметром оптического проводника 62.5 мкм и 550 м для кабеля с диаметром проводника 50 мкм.
1000Base-CX: экранированная витая пару. Ограничение длины сегмента - 25 м.
1000Base-T: неэкранированная витая пару. Ограничение длины сегмента - 100 м.
Поскольку стандарт на оптоволоконный Gigabit Ethernet вышел на год раньше, на рынке преобладает оборудование, рассчитанное на работу с оптическим физическим интерфейсом. Применять или не применять Gigabit Ethernet - вопрос, активно обсуждаемый в настоящее время. Сейчас немногие отечественные сети нуждаются в столь высокой пропускной способности. С учетом снижения цен, имеет смысл переходить на Gigabit Ethernet, когда все другие возможности действительно исчерпаны, во всяком случае, в существующих сетях. Но "держать в уме" возможность перехода на Gigabit Ethernet нужно, поэтому приобретение коммутаторов, позволяющих установку модулей с поддержкой этого стандарта представляется разумным.
Есть ли предел скорости у технологии Ethernet? В начале 2000 г. 3Com, Cisco Systems, Extreme Networks, Intel, Nortel Networks, Sun Microsystems и Worldwide Packets основали 10 Gigabit Alliance. Задача Альянса - способствовать работе комитета IEEE в разработке стандарта 802.3ae (10 Gigabit Ethernet), который планируется принять весной 2002 г. Рабочая группа IEEE уже опубликовала предварительную информацию об ограничениях на длину сегмента сети с пропускной способностью 10 Гбит/с: до 100 метров для используемого в настоящее время многомодового оптоволоконного кабеля и до 300 метров для нового усовершенствованного многомодового оптоволоконного кабеля. Существует несколько вариантов одномодового оптоволоконного кабеля: до 2 км для сети группы зданий и 10 или 40 км для региональной сети.
Модель OSI При подробном рассмотрении функционирования сетей часто упоминается понятие уровней взаимодействия компонентов сети. В качестве "линейки" для определения уровней используется модель OSI (Open System Interconnect - взаимодействие открытых систем), разработанная как описание структуры идеальной сетевой архитектуры. В модели OSI семь уровней взаимодействия для рассмотрения процесса обмена информацией между устройствами в сети. Каждый из уровней сети относительно автономен и рассматривается отдельно. Модель OSI используется для определения функций каждого уровня.
1) Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, требования к среде передачи, физические соединители и другие аналогичные характеристики.
2) Канальный уровень (Data Link) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации, топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации. Обычно этот уровень разбивается на два подуровня: LLC (Logical Link Control) в верхней половине, осуществляющего проверку на ошибки, и MAC (Media Access Control) в нижней половине, отвечающего за физическую адресацию и прием/передачу пакетов на физическом уровне.
3) Сетевой уровень обеспечивает соединение и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. Сетевой уровень отвечает за выбор оптимального маршрута между станциями, которые в могут быть разделены множеством соединенных между собой подсетей.
4) Транспортный - самый высокий из уровней, отвечающих за транспортировку данных. На этом уровне обеспечивается надежная транспортировка данных через объединенную сеть. Транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком.
5) Сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. В дополнение к управлению сеансами этот уровень предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового и более высоких уровней.
6) Уровень представления отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации. При необходимости трансформации подвергаются не только фактические данные, но и структуры данных, используемые программами. Типичным примером является преобразование окончаний строк UNIX (CR) в MS-DOS формат (CRLF).
7) Прикладной уровень отвечает за выполнение пользовательских задач. Он идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью информации, а также определяет, достаточно ли ресурсов для предполагаемой связи.