wersja mobilna
Online: 608 Piątek, 2016.09.30

Raporty

Kompendium przemysłowej komunikacji IP Cz. 1

czwartek, 02 kwietnia 2009 11:51

W automatyce i różnych zastosowaniach w przemyśle szybko rośnie użycie technik sieciowych, w szczególności rozwiązań bazujących na komunikacji IP (Internet Protocol). Pomimo dostępności wielu rozwiązań specjalizowanych do tego typu zastosowań, ich użytkownikom – dzisiejszym i przyszłym – często brakuje informacji pozwalających na dobór odpowiednich produktów i ich optymalne wykorzystanie. W dwuczęściowym artykule specjaliści z firmy Tekniska Polska omawiają podstawy komunikacji tego typu i podają wiele wskazówek dla osób zajmujących się sieciami komunikacyjnymi w szeroko rozumianym przemyśle.

Spis treści » Stos protokołów
» Redundancja a algorytmy rekonfiguracji
» Pokaż wszystko
STOS PROTOKOŁÓW

W celu dobrego zrozumienia zasad rządzących współczesną komunikacją sieciową, zacząć należy od zapoznania się z założeniami warstwowego modelu komunikacyjnego OSI (rys. 1). Jest to struktura hierarchiczna, w której każdą warstwę można sprowadzić do modelu usług oferowanych warstwie wyższej.

Cały stos protokołów obejmujących wszystkie warstwy komunikacyjne ma za zadanie zapewnić poprawną komunikację pomiędzy systemami końcowymi, czyli tzw. hostami. Dla najbardziej popularnej architektury można rozróżnić dwa typy hostów: klient i serwer. Klient odpowiada zawsze za inicjowanie sesji komunikacyjnej, a serwer udostępnia informacje.

Na rys. 2 przedstawiony został model komunikacyjny OSI z uwzględnieniem lokalizacji popularnych protokołów stosowanych w przemyśle. Zwykle większość aplikacji przemysłowych ma charakter rozproszony, tj. korzysta z wymiany danych pomiędzy wieloma urządzeniami. Poszczególne warstwy komunikacyjne mają za zadanie zapewnić poprawną wymianę danych pomiędzy poszczególnymi procesami danej aplikacji, uruchomionymi w różnych systemach końcowych.

Użytkownik korzysta z usług oferowanych przez warstwę aplikacji wykorzystującej bezpośrednio usługi warstwy niższej i pośrednio pozostałych. Taka sama współzależność zachodzi pomiędzy wszystkimi kolejnymi warstwami. Aplikacja wykorzystuje protokoły komunikacyjne, które mogą być osadzone w więcej niż jednej warstwie (co w uproszczeniu oznacza, że zapewniają usługi wszystkich warstw, w których rezydują).

Najczęściej wymagane usługi to niezawodny transfer, przepustowość i określony czas transmisji. Każda informacja wymieniana pomiędzy systemami końcowymi zawsze przechodzi przez cały stos protokołów komunikacyjnych: „z góry na dół” przy wysyłaniu danych i „z dołu do góry” przy odbieraniu.

Podczas gdy adresy IP służą do identyfikacji poszczególnych urządzeń w sieci, numery portów towarzyszące np. komunikacji TCP/IP lub UDP/IP służą do identyfikacji poszczególnych procesów w systemach końcowych. Niektóre z 65536 portów są zarezerwowane dla poszczególnych aplikacji i procesów, np. serwer WWW domyślnie wykorzystuje port nr 80. Listy portów można znaleźć w dokumentach RFC 1700, 3232.

ETHERNET

Pod pojęciem Ethernet kryją się protokoły pierwszych dwóch warstw modelu OSI – fizycznej i łącza danych. Ze względu na popularność protokołów IP, TCP i UDP w warstwach sieciowej i transportowej, często przez termin Ethernet rozumie się komunikację zgodną ze specyfikacją IEEE 802.3, IEEE 802.1 i wykorzystującą komunikację IP.

Główną zaletą komunikacji bazującej na protokołach IP i standardzie Ethernet – jest obok zalet natury fizycznej – ogromny dostęp do wiedzy i możliwość stosunkowo prostej migracji ze starszych systemów. Większość protokołów i standardów jest szczegółowo opisana w dokumentach RFC sporządzanych przez organizację IETF. Są one dostępne w Internecie.

TABELA 1. Model komunikacyjny OSI z zaznaczeniem popularnych protokołów stosowanych w przemyśle

Szeregowy

Ethernet

TCP/IP

Sieć

Standard

Modbus/RTU

Modbus/TCP

TCP/IP

 

IEC 61158, IEC 61784

Profibus

Profinet IO

IRT, RT, RTU

Switch, router, urządzenia

bezprzewodowe do 1Gb/s

IEC 61158, IEC 61784

DeviceNet (CIP),

ControlNet (CIP)

EtherNet/IP (CIP)

 

Switch, router, urządzenia

bezprzewodowe do 1Gb/s

IEC 61158, IEC 61784,

ODVA, EtherNet/IP

standard

Foundation Fieldbus H1

Foundation Fieldbus High

Speed Ethernet (HSE)

 

 

 

CANopen

Ethernet Powerlink

 

Ethernet 100Mb/s

EPSG

CANopen

EtherCAT

EtherCAT,

EtherCAT/UDP

Ethernet 100Mb/s

IEC 61158, IEC/PAS 62407,

IEC 61784-3, ISO 15745-4

SIECI LOKALNE

Sieć LAN (Local Area Network) jest zwykle oparta na przełącznikach (coraz rzadziej koncentratorach). Mogą one działać w oparciu o różne sposoby przełączania. Wybór danego mechanizmu ma istotny wpływ na funkcjonowanie sieci:

  • store-and-forward (tzw. transmisja buforowana) – przed przełączaniem przełącznik odczytuje całą ramkę, sprawdza jej poprawność (za pomocą sumy kontrolnej CRC oraz pola FCS) i odrzuca ramki uszkodzone, a poprawne transmituje dalej. Czas przełączania ramki zależny jest od jej długości. Do przełączania asymetrycznego (o różnych przepustowościach i trybach działania poszczególnych łączy) musi być wykorzystywany tryb store-and-forward.
  • cut–through – proces przełączania ramki zaczyna się już po odczytaniu pola adresu docelowego z nagłówka. Nie jest sprawdzana poprawność ramki, więc jej przełączanie jest szybsze, a czas niezależny od długości.
Routery i przełączniki dzielą sieci

Osprzęt aktywny, taki jak routery i przełączniki, odpowiada za segmentację domen. Wyróżnić tutaj można dwa najważniejsze typy domen.

Domena rozgłoszeniowa

Jest ona jest zbiorem domen kolizyjnych połączonych ze sobą urządzeniami warstwy 2 (przełącznikami, mostami). Protokoły wykorzystują ramki rozgłoszeniowe i wieloemisyjne na poziomie warstwy 2 modelu OSI do komunikacji pomiędzy domenami kolizyjnymi. Ponieważ urządzenia warstw 1 i 2 nie mają wpływu na emisje rozgłoszeniowe, muszą być one kontrolowane przez urządzenia warstwy 3 (routery).

Całkowity rozmiar domeny rozgłoszeniowej można zidentyfikować, wyszukując wszystkie domeny kolizyjne, w których jest przetwarzana ramka rozgłoszeniowa (obejmuje ona obszar sieci ograniczony urządzeniami warstwy 3). Kiedy węzeł ma nawiązać komunikację ze wszystkimi urządzeniami końcowymi (hostami w sieci), wysyła ramkę rozgłoszeniową z adresem MAC Media Access Control odbiorcy równym $0xFFFFFFFFFFFF$. Ramkę z takim adresem muszą rozpoznać karty sieciowe wszystkich urządzeń sieciowych.

Domena kolizyjna

Domena kolizyjna to segment sieci, w którym może dojść do kolizji, czyli próby jednoczesnego nadawania, pomiędzy przyłączonymi urządzeniami podczas transmisji danych. Rozwiązaniem problemu jest segmentacja domeny kolizyjnej, komunikacja w trybie pełnego dupleksu. Granice domen kolizyjnych są wyznaczane przez typy urządzeń łączące segmenty medium.

Urządzenia warstwy 1 (huby) nie rozdzielają domen kolizyjnych, natomiast urządzenia warstw 2 i 3 (przełączniki, routery) rozdzielają domeny kolizyjne. Rozdzielanie domen (zwiększanie ich liczby) przy użyciu urządzeń warstw 2 i 3 jest znane pod pojęciem segmentacji. Segmentacja w warstwie 2 jest stosowana do zredukowania liczby kolizji, natomiast segmentacja w warstwie 3 jest stosowana do ograniczenia tzw. promieniowania rozgłoszeniowego (sumaryczny ruch rozgłoszeniowy i grupowy generowany przez wszystkie urządzenia w sieci) oraz zapobieżenia występowania tzw. burzy rozgłoszeniowej (sytuacja, w której obieg transmisji rozgłoszeniowej zajmuje całe pasmo sieci i dane aplikacji nie mogą być przesyłane).

Przepływ danych

Pojęcie przepływu danych w kontekście domen kolizyjnych i rozgłoszeniowych obejmuje sposób, w jaki ramka rozprzestrzenia się w sieci. Dotyczy to przepływu informacji przez urządzenia warstw 1, 2 i 3 oraz sposobów efektywnej enkapsulacji danych w celu ich przesłania między warstwami.

– Warstwę 1 wykorzystuje się do transmitowania danych w medium fizycznym, warstwa 2 służy do zarządzania domenami kolizyjnymi, natomiast warstwa 3 do zarządzania domenami rozgłoszeniowymi. Urządzenia warstwy 1 (wtórnik, hub) nie filtrują danych, więc wszystkie odebrane dane są przekazywane do następnego segmentu. Wszystkie segmenty połączone za pośrednictwem urządzeń warstwy 1 stanowią tę samą domenę kolizyjną i rozgłoszeniową.

– Urządzenia warstwy 2 (most, switch) filtrują ramki w oparciu o adres MAC odbiorcy. Urządzenie warstwy 2 tworzy wiele domen kolizyjnych, lecz utrzymuje pojedynczą domenę rozgłoszeniową.

– Urządzenia warstwy 3 (router) filtrują pakiety danych w oparciu o adres IP odbiorcy. Urządzenia warstwy 3 tworzą wiele domen kolizyjnych i rozgłoszeniowych.

Podstawowym zagadnieniem przy planowaniu statystycznej z założenia sieci Ethernet jest zapewnienie determinizmu transmisji. W tym celu w przełącznikach sieciowych są implementowane mechanizmy zapewniające optymalne parametry czasowe transmisji i minimalizujące opóźnienia dla krytycznych danych.

Najważniejsze z tych mechanizmów to QoS (Quality of Service), czyli nadawanie priorytetów pakietom (802.1p/q) w warstwie 2 modelu OSI metodą strict priority, IPToS (IP Type of Service), czyli nadawanie priorytetów pakietom na bazie warstwy 3 modelu OSI, HoL blocking prevention, VLAN (możliwość wydzielania struktur logicznych), IGMP snooping (filtrowanie grup multicast) i inne. Zadaniem niższych warstw sieci jest zapewnienie warunków do prawidłowego funkcjonowania protokołów warstw wyższych, zgodnie z przyjętymi kryteriami czasowo-niezawodnościowymi.



 

zobacz wszystkie Nowe produkty

Ręczny miernik wilgotności drewna i materiałów budowlanych

2016-09-30   |
Ręczny miernik wilgotności drewna i materiałów budowlanych

Firma Gardco wprowadziła do oferty ręczny miernik wilgotności drewna i materiałów budowlanych, takich jak płyty ścienne, masa szpachlowa, karton, beton czy tynk. Jest to przyrząd łatwy w obsłudze, sygnalizujący wynik pomiaru (Low/Medium/High) na wbudowanym wyświetlaczu oraz dodatkowo generujący sygnał dźwiękowy, którego ton zmienia się wraz ze zmianą poziomu wilgoci.
czytaj więcej

Komputery panelowe z certyfikatem EN50155 dla taboru kolejowego

2016-09-30   |
Komputery panelowe z certyfikatem EN50155 dla taboru kolejowego

Oferta komputerów panelowych firmy Ibase Technology, przeznaczonych dla taboru kolejowego powiększyła się o dwa nowe modele z certyfikatem EN50155: Bytem-123-PC i Bytem-103-PC. Są to komputery o chłodzeniu pasywnym, zapewniające bezgłośną pracę w szerokim zakresie temperatur otoczenia.
czytaj więcej

Nowy numer APA