Systémy pro sběr a přenos dat

Transkript

1 Systémy pro sběr a přenos dat počítačové sítě v SPD aplikacích ArcNet Ethernet

2 Počítačové sítě a PDS Obecná charakteristika byly navrhovány pro kancelářské prostředí především pro aplikace sdílení prostředků a zdrojů jsou optimalizovány pro přenos velkého množství dat dlouhé rámce linkové vrstvy přenosová rychlost je obvykle vysoká (desítky až stovky Mbit/s) velké množství režijní informace problematické pro malé bloky dat Počítačová síť (LAN) nejrozšířenější standard (Ethernet) využívá náhodný přístup metodou CSMA/CD není zaručeno doručení linkového rámce v reálném čase dosažení krátkých a definovaných odezev není za standardních podmínek zajištěno zotavení se z chyb je implementováno ve vyšších vrstvách tedy SW a pomalé

3 ARCNet Rozšířil se zejména v průmyslových aplikacích Standardizován ANSI/ATA (aktualizován 1999) Fyzická vrstva nejběžnější je koaxiální kabel s impedancí 93 Ω sběrnicová topologie, bez opakovačů až 300 m hvězdicová topologie s aktivním centrálním prvkem umožňuje rozsah až 600 m kroucená dvoulinka sběrnicová topologie, max. 8 uzlů, rozsah do 130 m alternativně je možno použít variantu EIA/TIA 485 optické vlákno jedno i mnohavidová vzdálenost až několik km signalizace využívá tzv. dipulsy log. 1, absence dipulsu log. 0

4 ARCNet Linková vrstva každý uzel má unikátní adresu (MAC ID) řízení přístupu k médiu metodou Token-Passing rámec ITT (Invitation To Transmit) vlastník smí odeslat jeden datový rámec nově přidaný uzel zaruší rámec ITT a vyvolá tak nové vytvoření logického kruhu iniciuje účastník s nejkratším timeoutem při vyjmutí uzlu jeho předchůdce vyhledá nového následníka vyslání datového rámce PAC (Packet) předchází dotaz FBE (Free Buffer Enquiry) na schopnost příjemce jej přijmout pozitivní (ACK Acknowledgement) nebo negativní (NAK Negative Acknowledgement )

5 ARCNet Struktura linkového rámce SD SOH SID DID DID CP SC Data FCS SD (Start Delimiter), 6 x log. 1 synchronizační sekvence SOH (Start Of Header), úvodní řídicí znak SID (Source Identification), adresa odesilatele DID (Destination Identification), adresa příjemce CP (Continuation Pointer), délka rámce SC (System Code), identifikuje protokol vyšších vrstev DATA, datové pole FCS (Frame Check Sequence), CRC16 Protokoly vyšších vrstev nejsou standardem definovány obvykle TCP/IP +???

6 Ethernet Vznikl počátkem 70. let u firmy Xerox (3 Mbit/s) Varianta 10 Mbit/s vznikla ve spolupráci s DEC a Intel Později standardizován v rámci standardu IEEE 802, konkrétně (podvrstva LLC Logical Link Control) a (podvrstva MAC Medium Access Control) Existuje mnoho variant různé fyzické topologie a přenosové rychlosti shodná metoda řízení přístupu k médiu a formát rámce mimo standard IEEE802 existují další formáty rámců Jednotlivé varianty standardizovány jako IEEE802.3xx, kde xx je jedno či dvou písmenné označení např. klasický 10Base2 je značen 802.3a gigabitový Ethernet 1000Base-T je značen 802.3ab

7 Varianty fyzické vrstvy Klasický Ethernet přenosová rychlost 10 Mbit/s 10Base5, tzv. tlustý (thick) koaxiální kabel impedance 50 Ω, sběrnice je zakončena terminátory maximální délka segmentu 500 m, lze využít až 2 opakovače uzly připojovány prostřednictvím samostatného budiče (MAU Medium Attachment Unit), ten je k síťové kartě připojen prostřednictvím rozhraní AUI (Attachment Unit Interface) kabelem s délkou až 50 m maximálně 100 uzlů v segmentu obtížná instalace neohebný kabel, drahé, dnes se již nepoužívá 10Base-F dvojice mnohavidových optických vláken transceiver (konvertuje elektrický signál na optický a zpět) je připojen prostřednictvím AUI hvězdicová topologie, délka segmentu max. 2 km možnost plně duplexní komunikace

8 10Base2, tzv. tenký (thin) koaxiální kabel impedance 50 Ω, sběrnice je zakončena terminátory maximální délka segmentu 185 m, lze využít až 2 opakovače uzly připojovány prostřednictvím BNC-T konektoru, budič je součástí síťové karty není zde žádné přípojné vedení maximálně 30 uzlů v segmentu dnes se již nepoužívá, může dožívat

9 10Base-T, využívá kroucené páry kategorie 3 tzv. strukturovaná kabeláž hvězdicová struktura s centrálním prvkem fyzický segment až 100 m, uzel centrální prvek pro každý směr komunikace separátní kroucený pár možnost plně duplexní komunikace

10 Fast Ethernet - přenosová rychlost 100 Mbit/s 100Base-TX využívá kroucené páry kategorie 5 s impedancí 100 Ω hvězdicová topologie s centrálním prvkem max. délka fyzického segmentu 100 m, uzel centrální prvek maximální délka kolizního segmentu 210 m možnost plně duplexní komunikace 100Base-T2 vystačí s kroucenou dvoulinkou kategorie 3 segment max. délky 100 m, uzel centrální prvek využívá 2 páry kabelu není příliš rozšířen (nasazoval se ve starých budovách vybavených strukturovanou kabeláží kategorie 3)

11 100Base-T4 vystačí s kroucenou dvoulinkou kategorie 3 segment max. délky 100 m, uzel centrální prvek využívá všechny 4 páry kabelu (3 pro data, 1 pro detekci kolizí) není příliš rozšířen (nasazoval se ve starých budovách vybavených strukturovanou kabeláží kategorie 3) 100Base-FX dvojice optických vláken hvězdicová topologie s centrálním prvkem max. délka segmentu 412 m pro mnohavidové a 2 km pro jednovidové vlákno možnost plně duplexní komunikace

12 Gigabitový Ethernet - přenosová rychlost 1000 Mbit/s 1000Base-T využívá 4 kroucené páry kategorie 5, 5e nebo 6 s impedancí 100 Ω hvězdicová topologie s aktivním centrálním prvkem max. délka segmentu 100 m obvykle plně duplexní komunikace 1000Base-SX, LX mnohavidová resp. jednovidová optická vlákna hvězdicová topologie s aktivním centrálním prvkem max. délka segmentu 500 m resp. 2 km (v praxi i 20 km) plně duplexní komunikace

13 Linková vrstva IEEE 802 OSI Network layer Network layer LLC Logical link control Data link layer MAC CSMA-CD Token Ring Wireless LAN Other LANs Physical layer Various physical layers Physical layer

14 Linková vrstva v existuje nespolehlivá i spolehlivá (volitelně) služba více spojení současně rozlišeno prostřednictvím LSAPs A C A Reliable frame service C Unreliable Datagram Service LLC LLC LLC MAC MAC MAC MAC MAC MAC PHY PHY PHY PHY PHY PHY

15 Podvrstva MAC CSMA/CD náhodný přístup s detekcí kolizí aby byla kolize spolehlivě detekovatelná, musí mít rámec minimální délku (64B tzn. 46B dat ), max. 1500B dat kolizní okénko (doba nezbytná pro šíření signálu celým segmentem) při detekci kolize signál JAM (48 bitů)

16 Podvrstva MAC CSMA/CD při opakované kolizi exponenciální back-off (maximální hodnota intervalu čekání na pokus o vysílání se prodlužuje náhodný výběr z intervalu <0.. 2 k 1>, k = Packet? No Sense Carrier Send Detect Collision Discard Packet attempts < 16 attempts == 16 Yes Jam channel b=calcbackoff(); wait(b); attempts++;

17 Formát MAC rámce Destination Source Preamble SD Length Information Pad FCS address address Synch Start frame MAC Frame bytes Preamble slouží k synchronizaci přijímače 7 bajtů SD start delimiter umožňuje rozpoznat začátek rámce Padding doplnění minimální délky rámce

18 Formát MAC rámce MAC Frame Destination Source Preamble SD Length Information Pad FCS address address Synch Start frame bytes 0 Single address 1 Group address 0 Local address 1 Global address Cílová adresa unicast,multicast broadcast (FF FF) Globální adresa 1. 3 bajty identifikují výrobce např C pro Cisco zbytek přiřazuje výrobce Lokální adresy definovány správci sítě

19 Formát MAC rámce MAC Frame Destination Source Preamble SD Length Information Pad FCS address address Synch Start frame bytes Délka rámce bajtů pro 1Gb a 10Gb existují i tzv. Jumbo frames 9000B Padding zajišťuje minimální délku rámce pro příliš krátká data FCS CRC s generujícím polynomem CCIT-32 mimo úvodní synchronizační sekvence rámce s chybným CRC jsou ignorovány

20 LSAP (Link Service Access Point) 1 byte 1 byte Destination SAP Address Source SAP Address 1 or 2 bytes Control Information Destination SAP Address Source SAP Address I/G C/R 1 7 bits 1 7 bits I/G = individuální nebo skupinová adresa C/R = příkazový rámec nebo odpověď Příklady LSAP adres: 06 IP paket E0 Novell IPX FE OSI packet AA SNAP

21 Další formáty rámců Ethernet II SNAP příjemce příjemce příjemce příjemce odesilatel odesilatel odesilatel odesilatel typ délka délka délka dest.sap 0xAA 0xFFFF source SAP 0xAA řízení řízení protokol data rámce data rámce data rámce data rámce CRC CRC CRC CRC

22 Propojování v Ethernetu Opakovač (repeater) pracuje ve fyzické vrstvě slouží ke zvýšení fyzického dosahu sítě poskytuje obnovu signálu (časování, napěťové úrovně ) typicky propojuje dva segmenty se shodnou komunikační rychlostí nerozumí (neinterpretuje) žádné informace aby fungovala metoda CSMA/CD, musí šířit kolize odtud pojem kolizní doména zahrnuje všechny fyzické segmenty, do nichž se šíří kolize, vzniklá v kterémkoli z nich počet opakovačů je omezen vzhledem ke zvýšení maximálního zpoždění v rámci kolizní domény (obvykle na 2-4) využívaly se především ve sběrnicových variantách (10Base5, 10Base2)

23 Propojování v Ethernetu Rozbočovač (hub) v sítích se strukturovanou kabeláží je analogií opakovače rozbočovač, který se chová shodně, poskytuje však vyšší počet portů výhodou těchto prvků byla velmi nízká cena, nevýhodou je rozšiřování kolizní domény a tím zvyšování pravděpodobnosti vzniku kolizí s rostoucím počtem uzlů v ní existují pro 10 a 100 Mbit/s sítě pro Gb Ethernet Buffered Distributor mohou propojovat segmenty s různou fyzickou technologií (metalika, optika), ale pouze se shodnou přenosovou rychlostí

24 Propojování v Ethernetu Most, přepínač (bridge, switch) pracují v linkové vrstvě, nešíří kolize (na jejich portech končí kolizní doména) umožňují lokalizaci prostřednictvím filtrování a cíleného předávání (forwarding) rámců dle jejich MAC adres příslušné seznamy adres si vytvářejí dynamicky odposlechem komunikace učení se v síti nesmějí existovat smyčky (rámec by mohl běhat pořád dokola) řešeno logickým rozpojením existujících fyzických smyček algoritmus Rapid Spanning Tree mosty sloužily především k filtraci provozu, měly nízký přepojovací výkon, přepínače jsou naopak zaměřeny na cílené předávání kolizní doména je obvykle tvořena pouze přepínačem a uzlem sítě v případě plně duplexní komunikace nedochází ke kolizím vůbec mohou propojovat fyzické technologie s různou přenosovou rychlostí

25 Ethernet v průmyslových aplikacích Pozitiva prověřená a stále se vyvíjející technologie, rostoucí rychlost vysoké množství dodavatelů, vynikající poměr cena/výkon Negativa vznikl jako kancelářský, nikoliv průmyslový systém nižší odolnost vůči prostředí existují i průmyslové varianty problematické sdílení kabeláže pro komunikaci i napájení existují řešení nedeterminismus Ethernetu a z něj vyplývající nevhodnost pro aplikace pracující v reálném čase (včasnost, současnost) existují řešení Ethernet stále více proniká do průmyslových aplikací a to i do těch, které byly doménou specializovaných technologií

26 Ethernet v průmyslových aplikacích Co musí být zajištěno? schopnost práce v reálném čase bezpečnost (z pohledu přenosu dat) rámec obsahuje 32 bitový CRS standardem je nespojovaná a nespolehlivá služba bezpečnost (z pohledu neoprávněného přístupu) shodná technologie svádí k propojení systémů, které by jinak propojeny nebyly vůbec nebo na zcela jiné úrovni robustnost a spolehlivost v průmyslovém prostředí standardy vyšších vrstev vhodné pro oblast průmyslové automatizace roztříštěnost protokolů vyšších vrstev (mnoho konkurenčních standardů) může omezit rozsah nasazení Ethernetu v průmyslových aplikacích

27 Ethernet v průmyslových aplikacích Funkce v reálném čase X CSMA/CD provoz při nízkém vytížení sítě (do 1%) pravděpodobnost vniku kolize je velmi nízká zabránění vzniku kolize využitím nadřazené deterministické metody Master Slave, Token Passing, TDMA důsledné využití přepínačů a plně duplexní komunikace kolize vlastně nemůže vzniknout ale POZOR na kolize uvnitř přepínačů může dojít ke ztrátám rámců, zejména při vysokém vytížení přepínače (i na jiných portech) částečně lze řešit prioritizací rámců roste zpoždění v síti, existuje poměrně velký jitter, vnesený přepínači

28 Ethernet v průmyslových aplikacích Funkce v reálném čase prioritizace rámců (QoS na linkové vrstvě) musí být podporována jak přepínači, tak uzly sítě v případě současného požadavku v uzlu na prioritní i neprioritní komunikaci musí mít prioritní přednost definována standardem IEEE 802.1p využití VLAN (IEEE oddělení prioritní a neprioritní komunikace má i bezpečnostní aspekty využití separátních sítí pro prioritní a neprioritní komunikaci uzly musí být vybaveny dvěma fyzickými rozhraními časová synchronizace uzlů prostřednictvím protokolu PTP (Precision Time Protocol, IEEE 1588) protokoly vyšších vrstev nesmí vnášet další problémy zde je problém např. s TCP

29 Ethernet Powerlink Vznikl v roce 2001 v Rakousku (Bernecker + Rainer Industrie- Elektronik) především pro aplikace řízení pohonů Využívá standardní Fast Ethernet HW (čipy) některé jiné standardy vyžadují specielní řešení Pro časovou synchronizaci je využit protokol PTP Řízení přístupu k médiu využívá princip Delegated Token Nejsou využity přepínače pouze rozbočovače není jitter, kolizím je zabráněno jinak Pro nekritickou komunikaci lze využít TCP/IP např. parametrizace, monitoring Aplikační protokoly jsou inspirovány standardem CANopen

30 Ethernet Powerlink Umožňuje využít Ethernet jak v segmentech s realtime komunikací (rozšíření linkové vrstvy), tak s časově nekritickou komunikací (TCP/IP) a tuto nekritickou komunikaci přenášet i k zařízením v realtime segmentech

31 Ethernet Powerlink Protokolový zásobník podporuje časově kritickou i nekritickou komunikaci kromě klasické MAC adresy má každé zařízení tzv. node ID z něj potom vyplývá část IP adresy (je-li IP použito) real-time segmenty se do vnější IP sítě připojují přes NAT

32 Ethernet Powerlink Linková vrstva jednotlivé přenosy probíhají v rámci tzv. komunikačního cyklu postupně ve třech fázích startovací fáze - synchronizace isochronní fáze jednotlivým uzlům je postupně povoleno vyslat časově kritická data (producent konzument) asynchronní fáze jednomu z uzlů je povolen přenos časově nekritických dat např. IP rámců

33 Ethernet Powerlink Linková vrstva přenosy v isochronní fázi mohou být multiplexovány, např. v každém 2 cyklu se mohou na tomtéž místě přenášet rámce různého uzlu

34 Ethernet Powerlink Vyšší vrstvy zásobníku časově kritická komunikace obdoba PDO objektů standardu CANopen podobná správa prostřednictvím NMT (Network Management) adresář objektů, přístup prostřednictvím a SDO SDO lze přenášet i v UDP rámcích nad nimi přímo využity CANopen profily zařízení časově nekritická komunikace v zásadě libovolný protokol (nejčastěji IP) a pro něj typické protokoly vyšších vrstev (TCP, HTTP, FTP ) lze zde tunelovat i jakýkoliv jiný protokol

35 Další standardy využívající Ethernet Foundation Fieldbus HSE část standardu Foundation Fieldbus (viz. minulé téma) MODBUS TCP/IP přenos aplikačního protokolu MODBUS prostřednictvím Ethernetu a TCP/IP Profinet I/O vazba na PDS standard Profibus EtherNet IP vazba na PDS systémy DeviceNet a ControlNet a další proprietární standardy

36 Auto Negotiation 10Base-T pro testování linky vysílá Test Link Pulse Vyšší standardy standardní Test Link Pulse označen jako NLP (Normal Link Pulse) pro vyjednávání využity sekvence FLP (Fast Link Pulse)

37 Auto Negotiation

38 Auto Negotiation Základní (base) a následné (next page) stránky Selector pro Technology Ability informace o podporovaných verzích a konfiguracích

39 Auto Negotiation RF remote fault Ack potvrzení nastaví se po trojím přijetí shodných dat XNP (extended next page), NP (next page) slouží k přenosu konfiguračních a synchronizačních informací pro vyšší standardy (Gb, 10Gb) volitelné

40 Auto Negotiation NP dvě varianty (obdobně XNP, jen delší sekvence) message page unformatted page končí se nulovou zprávou

41 Auto Negotiation XNP varianta extended message page

42 Auto Negotiation dohoda na nejvyšším shodném podporovaném standardu pozor netestuje kabeláž zakázat varianty nedostupné kvůli variantě kabeláže musí uživatel (správce) musí uživatel (správce) XNP (extended next page), NP (next page) slouží k také k přenosu konfiguračních a synchronizačních informací pro vyšší standardy (Gb, 10Gb) volitelné

43 Napájení koncových zařízení po Ethernetu (802.3at 2009) PoE (Power over Ethernet) PD powered device PSE power sourcing equipment pouze pro 10Base-T, 100Base-TX a 1000Base-T umožňuje: detekovat schopnost poskytovat a využívat PoE důležité možnost zničení nekompatibilních zařízení dynamicky dohadovat potřebný příkon zachovat bezpečnost zařízení bezpečné napětí (SELV)

44 Power over Ethernet 2 základní varianty zdroje integrován s DTE (např. v přepínači), typické samostatný různé varianty pro 10/100Base-T a 1000Base-T

45 Power over Ethernet varianty pro 10Base-T a 100Base-TX PSE integrován v DTE

46 Power over Ethernet varianta A pro 1000Base-T PSE integrován v DTE

47 Power over Ethernet Varianta B pro 1000Base-T PSE integrován v DTE

48 Power over Ethernet varianta A pro 10Base-T a 100Base-TX PSE jako samostatné zařízení

49 Power over Ethernet - detekce PSE testuje přítomnost PD napětí zdroje naprázdno až 30 V napětí při testu < 10V měří se ve 2 bodech, určí se odpor linky Pokud R < 26,5 kω a R > 19 k Ω, pak akceptováno

50 Power over Ethernet - klasifikace identifikace varianty vzájemné přizpůsobení se varianty na fyzické nebo na linkové vrstvě fyzická vrstva měření odběru na straně PSE fyzická vrstva měření odběru na straně PSE v jednom nebo 2 krocích pokud je požadavek vyšší než možnosti, nezapne se linková vrstva využívá se LLDP (Link Layer Discovery Protocol) specifické TLP (type, length value) prvky Informace o typu zařízení, max. příkonu apod.

51 Virtual LAN (VLAN) realizace samostatných virtuálních LAN se sdílenou fyzickou infrastrukturou oddělení komunikace v jednotlivých sítích včetně specifického broadcastu v rámci VLAN implementace prostřednictvím aktivních prvků infrastruktury přepínače (mosty) uživatelské MAC rámce obsahují tzv. tagy součástí tagu může být i informace o prioritě MAC rámce definováno standardem IEEE802.1Q částečně vychází z IEEE802.1D (specifikace standardních přepínačů)

52 Virtual LAN (VLAN) uživatelské MAC rámce jsou vždy přiřazeny do právě jedné VLAN přímo rámec obsahuje daný tag nepřímo tag je doplněn přepínačem dle portu, z něhož dorazil Spanning Tree algoritmus je implementován pro každou VLAN MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol) volba kořenového root prvku pro VLAN nalezení kořenového portu (s nejnižší cenou ) volba aktivního a případného záložního portu specifické protokoly pro komunikaci mezi mosty

53 Virtual LAN (VLAN) typ 0x8100 indikace VLAN VID (VLAN ID) 0, pouze info o prioritě 1, standardní hodnota pro ingress, lze změnit 0xfff, rezervováno jako wildcard PCP priorita CFI (canonical format identificatio) 0 little endian, 1 big endian