Dr. Ajtonyi István - Ipari kommunikációs rendszerek III.

AJTONYI ISTVÁN

IPARI KOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK III. Alcím: Ipari ethernet alapú kommunikáció és automatizálás Készült az MLR-RET projekt és a hazai PLC forgalmazók támogatásával Támogatók: SIEMENS Zrt. Saia Burgess Kft. Comforth Kft.

A sorozat eddig megjelent kötetei: PLC AKADÉMIA sorozat



PLC ÉS SCADA-HMI RENDSZEREK I.

Alcím: PLC programozás az IEC 61131-3 szabvány szerint

Megjelent: 2007. október



PLC ÉS SCADA-HMI RENDSZEREK II. &

IPARI KOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK II.

Megjelent: 2008. május

 PLC ÉS SCADA-HMI RENDSZEREK III. Alcím: Technológiai illesztés és ipari alkalmazás

Megjelent: 2008. október



IPARI KOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK I.

Megjelent: 2008. október AUT-INFO Kft. Miskolc, 2010. április

WWW.AUT-INFO.HU

Írta és szerkesztette: Dr. AJTONYI ISTVÁN a műszaki tudomány kandidátusa

Társszerzők:   

Trohák Attila (PhD hallgató) - 30. fejezet Varga Attila (PhD hallgató) - 27., 31. fejezet Kiss György (Saia Burgess Kft) - 31. fejezet

Lektorálta: Dr. ORMOS LÁSZLÓ főiskolai tanár (PhD) A kiadásért felelős: az AUT-INFO Kft. ügyvezető igazgatója Példányszám: 200 db. Szövegszerkesztés, tördelés: Jancsurák Sándorné Borítóterv: Varga Attila K. Készítette: Budai Nyomdaipari Kereskedelmi és Szolgáltató Kft. 3530 Miskolc, Meggyesalja u. 38 Telefon: 46/416-226 ISSN szám: 1789-5456 ISBN szám: 978-963-06-8988-5

22. BEVEZETÉS Ezen kiadvány az Ipari kommunikációs rendszerek c. sorozat 3. kötete, amely tematikájában az ipari Ethernet mködési és alkalmazási kérdéseit tárgyalja 14 fejezetben. Mindenekeltt hangsúlyozni kívánjuk, hogy Ethernet alapú kommunikációt korábban is alkalmaztak az ipari automatizálás és informatika területén a hierarchia legmagasabb szintjén nagy mennyiség adatok nem valós-idej átvitelére. Ez a kötet a valós idej alkalmazási területeken, a hierarchia alacsonyabb szintjén – akár a terepen történ valós-idej alkalmazásokat igyekszik bemutatni. A 23. fejezet az ipari Ethernet mködésének megértéséhez nélkülözhetetlen Ethernet (IEEE 802.3) szabvány f ismereteit foglalja össze. E fejezethez szorosan kapcsolódik a hálózatfelügyelethez és menedzseléséhez használatos SNMP protokoll, amelynek bemutatása a 24. fejezetben található. A 25. fejezet az ipari Ethernet technológia fejldését és eszközeit ismerteti. Ehhez kapcsolódóan külön fejezet (26.) foglalkozik a MOXA gyártmányú ipari Ethernet alapú automatizálási platformmal. A valós idej Ethernet (Real-time Ethernet – RtE) kifejldéséig vezet kutatási utat mutatja be a 27. fejezet. A konkrét RtE típusokat, úgymint EtherNet/IP/Powerlink, MODBUS on TCP/IP, Foundation Fieldbus HSE a 28. fejezet ismerteti. Külön fejezetet szentel a könyv a PROFInet rendszer részletes ismertetésének a 29. fejezetben. Ehhez szorosan kapcsolódik a 30. fejezet, amelyben a PROFInet hálózat konfigurálása található. A gyakorlati ismeretek további elsajátítását tzi ki célul a 31. fejezet, amely az ipari hálózatok telepítésével kapcsolatos tudnivalókat tárgyalja. A témához szorosan kapcsolódik a 32. fejezet, melynek témája a Web-alapú automatizálás. A biztonságos kommunikáció kérdéseit tárgyalja a 33. és a 34. fejezet. Az elbbi a titkosítás, utóbbi pedig a hálózati biztonság kérdéskörét járja körül. Az ipari informatikai alkalmazások rendszertechnikájának kérdéskörét taglalja a 35. fejezet. A kötet utolsó fejezete a villamos teljesítmény-hálózaton történ adatátvitelre és kommunikációra (Powernet) hívja fel az olvasó figyelmét. A kiadvány szorosan kapcsolódik az Ipari kommunikációs rendszerek I. ill. II. kötetben leírtakhoz. A szerkeszt ezúton köszöni a közremköd cégek anyagi és szakmai támogatását, amellyel hozzájárultak a könyv megjelenéséhez és szakmai színvonalának emeléséhez. Ugyanitt köszönöm az AUT-INFO FÓRUM résztvevinek, hogy támogatásukkal segítették e kiadvány létrejöttét. Hasonlóan köszönöm Kiss Györgynek (SAIA Burgess Kft.) a 32. fejezet elkészítése során kifejtett szakmai tevékenységét. Kiemelt köszönet illeti meg Dr. Ormos László (PhD) lektori munkáját, aki igen aprólékos és szakszer munkával tárta fel a kézirat hibáit, elírását, stb. Hasonlóan kiemelt köszönet illeti Jancsurák Sándorné szerkeszt, rajzoló, szervez tevékenységét, aki szabadideje jelents részének feláldozásával igyekezett tartani a szoros határidt és

3

aki e könyvsorozat munkálatai során oly mérték számítógépes szerkeszti profizmusra tett szert, amely nélkül ezen könyvsorozat nem jelenhetne meg. Ugyanitt köszönöm Trohák Attila PhD hallgató igen hasznos szakmai észrevételeit, amelyekkel hozzájárult a könyv hibáinak kiszréséhez, továbbá a gyakorlati feladatok megoldásához nyújtott segítséget. Köszönettel tartozom Varga Attila doktorandusznak két fejezet elkészítéséért és a borító megtervezéséért. Miskolc, 2009. október Prof. Dr. Ajtonyi István

4

23. ETHERNET HÁLÓZATOK Az ipari Ethernet hálózatok mködésének, viselkedésének megértéséhez elssorban az Ethernet hálózatok ismerete szükséges. Az Ethernet hálózat fejldését szemlélteti a 23.1. ábrán látható diagram az egyes szabványok és sebességek tükrében.

23.1. ábra: Az Ethernet szabványok és az átviteli sebességek 23.1. Az Ethernet terminológiája A számos Ethernet hálózat típus elnevezése és megkülönböztetése az alábbi rendszer szerint történik: x x

az els szám (10, 100, 1000) az átviteli sebességet jelenti Mbps-ben, a fenti szám után írt szöveg az átviteli módot jelenti, úgymint x Base-alapsávi, x Broad-szélessávú, x az utolsó szám a szegmens hosszáról tájékoztat, Pl.: 10 Base5 o 10 Mbps, alapsávi, 500 m-es szegmens hossz. x az utolsó bet kombináció a fizikai közegre utal (csak az újabb változatok esetén). Pl.: 10 Base-T - 10 Mbps, alapsávi, UTP kábel, 100 Base-T4 - 100 Mbps, alapsávi, 4 pár UTP kábel.

5

23.2. Az Ethernet családfája A 10 Base-T és 100 Base-TX típusú Ethernet családfáját a 23.2. ábra mutatja a kábeltípus és a hullámhossz feltüntetésével.

Jelmagyarázat: 2 = koax kábel 5 = koax kábel T = csavart érpár F = optikai üveg (kábel)

S = rövid hullámhossz L = hosszú hullámhossz C = rövid rézkábel FOIRL = optikai eszköz és repeater közötti kapcsolat

23.2. ábra: Az Ethernet családfája Az Ethernet fejl@déstörténetének állomásai 1973 1976 1980 1983 1983 1986 1991 1995 1998 1999 2002 2005 -

A XEROX cég megkezdi a busz topológiájú LAN-ok fejlesztését. Sikeres CSMA/CD rendszer installáció, amelynek során 100 db munkaállomást mködtetnek 1 km hosszú kábelen. Az IEEE 802 szabványosítás kezdete. Az IEEE 802.3 szabvány publikálása. IEEE 802.3 10 Mbps Vékony koax kábel IEEE 802.3a Ethernet Vékony koax kábel IEEE 802.3i Ethernet Csavart érpár IEEE 802.3u Gyors Ethernet (100 Mbps) Üvegszál, csavart érpár IEEE 802.3z Giga Ethernet (1 Gbps) Üvegszál IEEE 802.3ab Giga Ethernet Csavart érpár IEEE 802.3ab 10 Giga Ethernet (10 Gbps) Üvegszál P802.3an 10 Giga Ethernet (10 Gbps) Csavart érpár

23.3. CSMA/CD hozzáférési mód (IEEE 802.3) Az irodai Ethernet ún. CSMA/CD közegelérési módszert alkalmaz. A Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) elnevezés magyarul ütközést jelz@ viv@érzékeléses, többszörös hozzáférési módot jelent. A CSMA/CD hozzáférési módszert már régóta használják, fként a busz- vagy a fatopológiájú lokális hálózatokban és ezt alkalmazzák az Ethernet-ben is. A CSMA/CD hozzáférési módszer elírásait az IEEE 802.3 szabvány tartal-

6

mazza. A CSMA/CD hozzáférési módszert több irodalomban a közlekedésben a körforgalom analógiájával magyarázzák. Legyen a körforgalom az elektronikus busz, a torkolatok a különböz résztvevk, a járm pedig a küldend adatcsomag. A torkolatban ki kell várni, amíg a körforgalom üres lesz (Carrier Sense), utána elindul a járm, hogy bejusson egy másik torkolatba. Elfordulhat, hogy az üres körforgalomba egyidejleg két járm akar bejutni (Multiple Access). Az ekkor fellép ütközést a rendszer felismeri (Collision Detection), és visszahívja a jármveket. Ezután egy véletlenszer, és a valószínség számítás elmélete szerint a két torkolatban eltér várakozási id után új indítási kísérlet történik. A CSMA/CD rendszerben, mieltt egy állomás adatokat küldene, elször belehallgat az átviteli közegbe, hogy megállapítsa, van-e olyan állomás, amelyik éppen üzenetet küld. Amennyiben az átviteli közeg csendes, azaz egyik állomás sem ad, úgy a hallgatózó állomás megpróbálja elküldeni az üzenetét. A vivérzékelés (Carrier Sense) tehát azt jelenti, hogy az állomás az adás el@tt belehallgat az adathálózat tartalmába. Amikor üzenetküldési folyamat zajlik, az üzenet a hálózat mindegyik állomásához eljut. Az üzenet megérkezésekor valamennyi hallgató állomás megállapítja az üzenethez tartozó címet. Ha ez a cím a saját címével megegyezik, az állomás az üzenetet átveszi és feldolgozza. CSMA/CD hozzáférési eljárás esetén a következ@ három eset lehetséges. x

x x

Az adni kívánó résztvev belehallgat az adathálózat forgalmába, és ha egy másik résztvev éppen ad, akkor a hálózat foglaltnak minsül és az adni kívánó résztvev@ a viv@t figyelve vár a szabaddá válásig. Ha ugyanezt egyszerre több adni kívánó résztvev teszi, akkor nagy valószínséggel egyszerre kezdenek adni a szabaddá vált hálózaton, azaz többen akarnak hozzáférni (Multiple Access, többszörös hozzáférés). Ha belehallgatáskor a hálózat szabad, akkor az adás megtörténhet és egy rövid adásid (néhány ms) áll rendelkezésre. Az adást minden résztvev venni tudja (broadcasting), de csak a megcímzett résztvev olvassa be az üzenetet. Ha egyszerre több résztvev@ akar adni, akkor ez adatütközéshez (Collision) vezet. Ezt az ütközést minden adni akaró állomás felismeri, leállítja az adást és egy állomásonkénti véletlenszám-generátor által meghatározott id leteltével, újabb adás kezddik. Így az egyes résztvevknek statisztikailag átlagban közel azonos adási lehetségük van.

Megjegyezzük, hogy a fenti leírás igen jelents leegyszersítéssel került bemutatásra, de a következkben részletesen is bemutatjuk. A CSMA/CD buszhozzáférés egyszersített állapotdiagramját a 23.3, míg az ütközés észlelés esetén fellép viszonyokat szemlélteti a 23.4. ábra.

7



  

  A busz foglalt

  

  "%

# $   "

 !!  "

23.3. ábra: A CSMA/CD buszhozzáférés egyszersített állapotdiagramja

23.4. ábra: Ütközés a CSMA/CD hálózaton

8

A CSMA/CD szerinti közegelérés folyamatábrája a 23.5. ábrán látható. ? !'@ '

& $" 



&    '!' *

; Y26&[[\   +

+

& %  

&"    " 

+

# $* < >



&"   +

+

& '@ '! !%"$

23.5. ábra: A CSMA/CD szerinti közegelérés folyamatábrája Az ütközésdetektálás többféle módon oldható meg. Egy lehetséges megoldást szemléltet a 23.6. ábra.

23.6. ábra: Ütközésdetektálás XOR elemmel

9

Amennyiben a 23.6. ábrán az adni akaró állomás által kiadott bit és beolvasott bit XOR kapcsolata „0”, akkor az adás folytatódhat, mert a hálózat szabad. Ütközés esetén ezek a jelek ellentétes értékek, tehát az XOR kapu letiltja az adást. Használják a jelek szuperponálásán alapuló ütközésdetektálást is. Ennek lényege, hogy a vezetéken megjelen jel amplitúdóját figyeli egy áramkör. Ha mindkét jel magas, akkor a vonalon megjelen jel amplitúdója összeadódik, így detektálható az ütközés. Más jelkombináció esetén viszont a detektálás problémás. Gyakran a kétféle megoldást kombináltan használják, de az ütközésdetektálás analóg jelfeldolgozást is igényel. Amikor egy állomás detektálja az ütközést, akkor abbahagyja az adást és egy 48 bit hosszúságú zajlöketet (noise burst) állít el, hogy a többi állomást is figyelmeztesse az ütközésre. Ezután következik a véletlenszer ideig történ várakozás, majd az újabb próbálkozás. Ha egy állomás nagyon rövid keretet akar küldeni, akkor elképzelhet, hogy bekövetkezik egy ütközés, de az átvitel a rövid keret miatt befejezdik, mieltt a zajlöket visszaérkezne az adóhoz. Ilyenkor az adó úgy tudja, hogy az üzenetet sikeresen elküldte. A zajlöket visszaéréséhez tehát 2 W idre van szükség. Ebbl következik, hogy a minimális üzenetkeret hosszának olyan hosszúnak kell lennie, hogy elküldése adott átviteli sebesség mellett legalább 2 W idt vegyen igénybe. Ezt szemlélteti a 23.7. ábra.

23.7. ábra: Az ütközésérzékelés 2 W idt is igénybe vehet Ily módon az átvitel még biztonságosan tartani fog, amikor a zajlöket visszaérkezik az adóhoz. A CSMA/CD mechanizmus m]ködésének követelményei: x x x

valamennyi ütközés detektálásra kerül minden hálózati résztvev eszköz esetére, ütközés detektálás esetén az adatátvitel megszakításra (elejtésre) kerül, az elejtett üzenet ismételt átviteli kísérlete az ütközés után.

A fenti követelmények egy minimális kerethossz esetén elégíthetk ki. Az ISO/IEC 8802-3 számú szabvány definiálja az ún. „slot time” - id@rés fogalmát, amely id eltelik az átvitel indításától az ütközés jelzéséig az átviteli médium másik végén. A szabvány szerint ez az id@rés (slot time) 51,2 Ps. A minimális kerethossz átviteli ideje megegyezik az id@rés idejével. Az ütközésnél fellép idviszonyokat szemlélteti a 23.8. ábra.

10

2. Hálózati eszköz

1. Hálózati eszköz

3. Hálózati eszköz

A

][ Z "

D

B

Z[ \ C "

QY QY E

F

23.8. ábra: Az ütközés idviszonyai

Az ábrán „A” pillanatban a 2-es eszköz érzékeli, hogy az átviteli médium (pl. busz) hozzáférhet és elindítja az adatátvitelt. Mieltt a 2-es eszköz által elküldött üzenetkeret megérkezik a 3-as eszközhöz, ez az eszköz is indítja a saját keretét a „D” pillanatban (D pillanat). Közben az „A” pillanatban küldött üzenet ütközik a 3-as eszköz által küldött üzenettel (B pillanat), ezért a 3-as eszköz detektálja az ütközést és küld egy 48 bites ütközésjelzést (jam signal) és megszakítja az átvitelt. Az 51,2 Ps-os slot time idn (idrés) belül az ütközésjelzés megérkezik a többi eszközhöz (E és F pillanat). Ha az adatcsomag (keret) rövidebb, mint a slot time, azaz 51,2 Ps, a küld eszköz nem tudja detektálni az ütközést. Ebben az esetben az adatkeret nem lesz újraküldve, így az ütközés miatt elvész. 

A minimális kerethossz meghatározása  Az ütközés észlelésének, azaz érzékelésének és jelzésének iddiagramját a 23.9. ábra mutatja  be.

 

23.9. ábra: Az ütközésészlelés iddiagramja

 Az ábra alapján meghatározható az adatkeret minimális hossza.

A t0 idpillanatban az A-állomás elkezdi egy adatkeret adását. Ezt követen a t1 pillanatban a B állomás is elkezd adni (hiszen A adatkerete még nem érkezett oda, tehát szabadnak észlelte a vonalat). Ebbl következen t1-tl kezdden a vonalon ütközés van, tehát A-adása érvénytelen. Azonban röviddel ezután, a t2 pillanatban A adatkerete megérkezik a B állomáshoz, mire a B detektálja az ütközést, ezért leállítja az adást, és egy jelzést indít el. Ez a jelzés a t4 idpillanatban érkezik meg az A állomásra, ekkor szerezhet tehát tudomást A arról, hogy ütközés volt a vonalon. Mivel azonban A adása már korábban, a t3 idpillanatban befejezdött, így nincs módja az adás során annak jelzésére, hogy adatkerete érvénytelen. Az érvénytelenség jelzése így csak akkor lehetséges, ha A adatkerete minimálisan olyan hosszúságú, hogy a

  

11

t4 idpillanatban még tartson. Az ábrából láthatóan, mivel t 4 mális hossza az w ) % q  ` 2 2  3#

2 ˜ t 2 , ezért az adatkeret mini-

összefüggésbl számítható, ahol nF a keretméret, azaz az adatkeretben lév bitek száma, dL a két állomás közötti vezetékhossz, vj a jelterjedési sebesség (jelsebesség) és ab az átviteli sebesség (bitsebesség, más néven adatsebesség) bit/s-ban. A gyakorlatban a megbízható mködés érdekében ennél hosszabb adatkereteket írnak el. Az IEEE 802.3 specifikációja alapján maximális, azaz 2500 méter hosszú, négy ismétlt tartalmazó, 10 Mb/s-os LAN-on a W körülfordulási id értékét (beleértve a négy ismétln való áthaladás nem elhanyagolható idejét is) a legrosszabb esetet feltételezve 50 Ps-ban rögzítették. Következésképpen a legrövidebb keret átvitelének is legalább ennyi ideig kell tartania. 10 Mb/s átviteli kapacitás esetén egy bit 100 ns hosszú, vagyis 500 bites az a legrövidebb keret, amely garantáltan mködni fog. A biztonság kedvéért ezt a számot felkerekítették 512 bitre, azaz 64 bájtra. A 64 bájtnál rövidebb kereteket a Kitöltés (Pad) mez segítségével feltöltik 64 bájtosra. Mivel a fenti viszony az adatátviteli sebességtl is függ, ezért a hálózatok sebességének növekedésével arányosan kell a minimális keretméretnek is növekednie, vagy a megengedett maximális kábelhossznak csökkennie. Egy 2500 méteres, 1 Gbpsos sebességen mköd LAN mellett a minimális keretméretnek 6400 bájtnak kell lennie. Alternatív módon az is lehetséges, hogy a minimális keretméret csak 640 bájt, de ekkor a maximális távolság egyetlen állomáspár között sem lehet több 250 méternél. Ezek a megkötések egyre inkább kényelmetlenek lesznek, amint a gigabites hálózatok irányába haladunk. Ütközésdetektálás után a küld eszköz újra küldi az adatcsomagot a „backoff” stratégia szerint. Az ISO/IEC 8802-3 szabvány szerint 16 újraküldési kísérlet lehetséges. Az újraküldés folyamatábráját a 23.10. ábra szemlélteti. ; "> 

^ _"  * +



 !!{]ZqQ*

 !!`] +

 !!` !!q

; "`   > P  !!\][q

;+

23.10. ábra: Az újraküldés algoritmusa 12

Említettük, hogy az ütközés detektálásakor az ütközést felismer eszköz vagy eszközök várakozási állapotba kerülnek. A következ adási próbálkozást illeten kétféle algoritmus szerint mköd CSMA/CD rendszert használnak, melyek: a) 1 - perzisztens CSMA b) 0 - nem-perzisztens CSMA. a) Az 1 - perzisztens CSMA esetén a várakozó állomás azonnal újra kezdi az adást, mihelyt a sín szabaddá (idle állapotú) válik. Ennek a megoldásnak a hátránya, hogy amenynyiben több állomás várakozik adásra, akkor a busz szabaddá válása után mindegyik azonnal adni akar, ezért szinte biztos az ütközés. b) A 0 – nem-perzisztens CSMA esetén az ütközés detektálása után a várakozó adni kívánó állomások a sín szabaddá válásakor nem azonnal kívánnak adni, hanem különböz ideig várakoznak. Így kisebb a valószínsége az újabb ütközésnek. A fenti két esetet szemlélteti a 23.11. ábra.

23.11. ábra: Az 1 - perzisztens és a -nem-perzisztens CSMA összehasonlítása Az egyes állomások ütközés utáni véletlenszer adásainak újrakezdeményezését ún. kettes exponenciális visszalépéses (backoff) algoritmussal oldják meg. A leírtak szerint a CSMA/CD közegelérést alkalmazó sínen háromféle mvelet zajlik: adattovábbítás, a résztvevk versengése a sín használati jogáért, ill. várakozás (üres). A 802.3 szabvány szerinti keretformátumot szemlélteti a 23.12.a, ábra, míg a három buszfázist a b, ábra. A CSMA/CD szerinti közegelérést szemlélteti három résztvev esetére a 23.12.c, ábra.

13

a,

b, & $

&" >+

~"> |}!+  $ _"  

&>"> | }"

;!+

~"> | }!+ € $ _"  

"

&>"> |}"

;!+

# $  !!  +

&" >+

~"> |}!+

# $

 !!  +

&>"> | }"

;!+

&" >+

"

c, 23.12. ábra: 802.3 szabvány keretformátuma (a), három buszfázis (b) és CSMA/CD szerinti közegelérés (c)

14

A backoff algoritmus Egy ütközés után az idt diszkrét idrésekre osztva képzelhetjük el, ahol az idrések hossza akkora, mint amennyi id legrosszabb esetben ahhoz kell, hogy egy jel visszaérhessen, (vagyis 2 W). Az Ethernet szabvány által megengedett maximális méretekhez (2500 méter és 4 ismétl) igazodva, ezeknek az idréseknek a hosszát 512 bit-idre, azaz 51,2 Ps-ra választották meg. Az els ütközés után minden állomás véletlenszeren 0-t, 1-et, 2-t vagy 3-at sorsol, és ennyi idrésnyit várakozik. Ha harmadszor is ütköznek (ennek valószínsége 0,25), akkor a 0 és a 23 - 1 közé es intervallumból választják ki, hogy mennyi idrésnyit várakoznak. A táblázatban a MAC a közeg-hozzáférést (Medium Access Control) jelenti.

23.1. áblázat MAC kísérletek száma

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-15 16

Maximális véletlen szám

1 3 7 15 31 63 127 255 511 1023 -

A backoff algoritmus idtartománya 10 Mbps 100 Mbps 0…51,2 μs 0…5,12 μs 0…153,6 μs 0…15,36 μs 0…358,4 μs 0…35,84 μs 0…768 μs 0…76,8 μs 0…1,59 ms 0…15,9 μs 0…3,23 ms 0…323 μs 0…6,50 ms 0…650 μs 0…13,1 ms 0…1,31 ms 0…26,2 ms 0…2,62 ms 0…52,4 ms 0…5,24 ms A csomag eldobva A csomag eldobva

Amikor egy állomás adás kezdeményezésekor ütközést detektál, akkor elször meghatározza a véletlen szám tartományt, amely egy egész szám. A 23.1. Táblázat szerint ez a szám az els ütközéskor 0 vagy 1. Ez a véletlen szám megszorzásra kerül az Ethernet idréssel (slot time), ami 10 Mbps-es rendszerben 51,2 μs és 5,12 μs a 100 Mbps-es rendszerben. 10 Mbps-es rendszerben tehát a backoff várakozási id 0 vagy 51,2 μs. Természetesen a második (vagy több) ütközött eszközön is e szerint történik a várakozás. A várakozási id letelte után újra adást kezdeményez. Ha ismét ütközést detektál, akkor újra indul a fenti eljárás, de akkor ez már a második kísérlet, így a véletlen szám tartománya 0 és 3 közötti. Így a lehetséges backoff id lehetséges értékei: 0 μs, 51,2 μs, 102,4 μs vagy 153,6 μs. Általánosan igaz, hogy az i-edik ütközés után a véletlen szám a 0 és 2i - 1 közötti intervallumból kerül kiválasztásra, és az állomások ennek megfelel számú idrést hagynak ki. Mindazonáltal a tizedik ütközés után már nem n tovább a tartomány, hanem az 1023 marad a fels korlátja. A 16. ütközés után a vezérl „bedobja a törülközt”, és hibajelzést küld a számítógépnek. A további hibajavítás már a felsbb rétegek feladata. Ezt az algoritmust kettes exponenciális visszalépésnek (binary exponential backoff) nevezik. Azért erre az algoritmusra esett a választás, mert dinamikusan képes az adni kívánó állomások számához igazodni. Ha a véletlenszám-generálás fels határa minden ütközés esetén 1023 lenne, akkor két állomás újbóli ütközésének valószínsége valóban elhanyagolható volna, de a várakozási id várható értéke több száz rés körül alakulna, amely megengedhetetlenül nagy késleltetést okozna. Másfell viszont, ha az állomások örökösen csak a 0 és az 1 közül választanának csak, akkor 100 egyszerre adni kívánó állomás keretei addig ütköznének, amíg végre 99 állomás 0-t, míg a maradék egy az 1-est (vagy fordítva) választaná. Ez akár évekig is eltarthatna. Azáltal, hogy a véletlenszám-generálás intervalluma az egymást követ ütközések hatására exponenciálisan n, az algoritmus biztosítja azt, hogy kevés ütköz állomás esetén viszonylag kis késleltetés következzen be, ugyanakkor nagyszámú állomás esetén az ütközés még belátható idn belül feloldódjon. Ahogy az eddigiekbl kiderült, a CSMA/CD nem biztosít nyugtázást. Mivel az ütközés puszta hiánya nem garantálja, hogy a bitek a kábelen lév zajtüskék miatt nem sérül15

nek meg, ezért a megbízható átvitel érdekében a célállomásnak ellenriznie kell az ellenrz összeget, és ha hibátlan, akkor errl a tényrl nyugtakeret küldésével értesítenie kell a forrást. Rendes körülmények között egy protokollban ez a nyugtázás egy másik keretet igényelne, amelynek elküldése érdekében, akárcsak egy adatkeret esetén, meg kell szereznie a csatorna hozzáférési jogát. A versenyalgoritmus egyszer módosításával azonban ez elkerülhet, és a keret sikeres vételérl a küldnek gyorsan nyugta küldhet. Ehhez mindössze az kellene, hogy a sikeres adásokat követ versengési rések közül az elst a célállomás számára kellene fenntartani. A szabvány azonban sajnos, nem biztosítja ezt a lehetséget. A CSMA/CD közegelérési mód elnyei: x x

a rendszer könnyen és olcsón implementálható hardver és szoftver szinten, az Ethernet hálózat világméret elterjedése miatt igen elterjedt.

Hátrányai: x

x

Nincs ellátva prioritási lehetséggel, így a sürgs üzenetek is ugyanolyan procedúrával továbbítódnak, mint a többi. Ennek kiküszöbölésére az ipari Ethernet keret el van látva egy 3 bites prioritás mezvel, melynek révén meg tud különböztetni 8 különböz prioritási szintet. Ehhez speciális kapcsolókra (switch-ekre) és hub-okra van szükség. Az irodai (osztott) Ethernet nem tekinthet determinisztikusnak, mivel a busz elérése véletlen eljárással történik és nem adható meg egy, a legkritikusabb esetben is garantálható adattovábbítási (kiszolgálási) id. Ezért az irányítástechnikai rendszerekben a real-time mködést igényl helyeken nem alkalmazható.

23.4. Az Ethernet fizikai rétege és átviteli közegei Ethernet hálózat tervezési szabályok Az Ethernet hálózatok tervezésénél gyakran használják az ún. „5-4-3-2” szabályt. E szerint a maximális átviteli utat maximum öt szegmensbl lehet összeállítani, amely szegmenseket négy repeater köt össze. A szegmenseket úgy kell kialakítani, hogy legfeljebb 3 koax szegmens lehet node-okkal és 2 link szegmens (10 Base-FL). A két lehetséget mutatja a 23.2. Táblázat. 23.2. áblázat x x x x

5 szegmens 4 repeater 3 link szegmens 2 koax szegmens

VAGY

x x x x

5 szegmens 4 repeater 3 koax szegmens 2 link szegmens

Ez a táblázat egy népszer leegyszersítése az aktuális 802.3 szabályoknak. A táblázattal a tervez ellenrizheti, hogy van-e node elszeparálva bármely más node-tól közbens elemmel. A 802.3 szabvány több kábeltípust is felsorolt, amelyek a különböz Ethernet hálózatokban használhatók, úgymint a koaxiális, a csavart érpárú és az optikai szálas kábeleket egyaránt. Az egyes kábelekhez esetenként más-más átviteli sebesség tartozik. Ezt foglalja össze a 23.3. Táblázat.

16

Ethernet kábel típusok 23.3. áblázat Név 10 Base-5

Típus Thick Coax Vastag koax Thin Coax Vékony koax

Távolság 500 m

Név 1000 Base-SX850nm

200 m (185) m

1000 Base-LX 1330nm

10 Base-T

Csavart érpár

100 m

1000 Base-T

100 Base-T4

Cat 3 UTP 4 érpár Cat 5 UTP MM Fiber MM üvegszál

100 m

10G Base-SR 850nm

100 m 2000 m

10G Base-LR 1310nm 10G Base-T

10 Base-2

100 Base-TX 100 Base-FX

Típus 62.5u MMF 50.0u MMF 62.5u MMF 50.0u MMF SMF Cat5 UTP 4 érpár MMF

Távolság 300 m 500 m 500 m 500 m 3000 m 100 m

SMF Cat 5, 5e Cat 6, 7

10 km 100 m 50 m

300 m

Az IEEE 802.3 szabvány leírása (ISO 8802.3) az alábbi kábeltípusokat és átviteli sebességeket támogatja: x

10 Base2 Vékony koaxiális kábel (0,25 hüvelyk átmérvel), 10 Mbps átviteli sebesség, egyszeres kábelsín.

x

10 Base5 Vastag koaxiális kábel (0,5 hüvelyk átmérvel), 10 Mbps átviteli sebesség, egyszeres kábelsín.

x

10 Base10 Árnyékolatlan csavart érpáras kábel (0,4 - 0,6 mm vezetékátmér), 10 Mbps átviteli sebesség, iker kábelsín.

x

10 BaseF Optikai szálas kábelek, 10 Mbps, iker üvegszál.

x

1 Base5 Árnyékolatlan csavart érpáras kábelek, 1 Mbps, iker kábelsín.

x

10 Broad36 Kábeltelevíziós (CATV) kábel, 10 Mbps, szélessávú.

17

23.4.1. 10 Base típusú rendszerek További szempontok szerinti Ethernet kábel típus összefoglalást tartalmaz a 23.4. áblázat. 23.4. áblázat: Ethernet változatok és kábelek Ethernet típus

Kábel típus

1 Base-5 10 Base-5 100 Base-2 10 broad-36 10 Base-T 10 Base-FP 10 Base-FB 10 Base-FL 100 Base-TX 100 Base-T4 100 Base-T2 100 Base-FX 1000 Base-T 1000 Base-CX 1000 Base-CX (850 nm)

1000 Base-LX (1300 nm) 10 gBase-SR 10 gBase-LX4 10 gBase-LR 10 gBase-ER 10 gBase-SW 10 gBase-LW 10 gBase-EW

23.4.1.1.

UTP Thick coax Thin coax Coax (broadband) Cat 3 UTP Fiber Fiber Fiber Cat 5 UTP Cat 3 UTP (4 Pairs), CAT 4 Cat 3 UTP (2 Pairs), CAT 4 Fiber Cat 5 UTP Coax 62.5/125 Fiber 50/125 Fiber 62.5/125 Fiber 50/125 Fiber SMF MMF (850-nm serial) MMF (130-nm WDM) SMF (1310-nm serial) SMF (1550-nm serial) MMF (850-nm serial) SMF (1310-nm serial) SMF (1550-nm serial)

Szegmens hossz (m) 250 500 185 3600 100 1000 2000 2000 100 100 100 2000 100 25 260 525 550 550 3000 65 300 10000 40000 65 10000 40000

Az IEEE ratifikáció éve 1987 1983 1985 1985 1990 1993 1993 1993 1995 1995 1997 1998 1999 1998 1999 1998 1998 1999 1998 2002 2002 2002 2002 2002 2002 2002

Sebesség

1 Mb/s

10 Mb/s (Ethernet)

100 Mb/s (Gyors Ethernet)

1000 Mb/s (Gigabit Ethernet)

10 Gb/s LAN (10-Gigabit Ethernet)

10 Base5 – Vastag Ethernet rendszer (THICKNET)

A 10 Base5 az eredeti IEEE 802.3 Ethernet rendszer, amely vastag sárga 10 mm átmérj koaxiális kábelt alkalmaz. A kábel mindkét végén 50 :/1 W-os ellenállással van lezárva szegmensenként. A hálózati interfész kártya (NIC) 15 pontos csatlakozóval kapcsolódik egy rövid kábelre, illetve a vámpír csatlakozóval a transceiver-en keresztül a koaxiális kábelre. A maximális rendszerhossz 2500 m, amely 5 szegmensbl állhat négy repeater-rel. Az Ethernet specifikációban az adatkapcsolati és fizikai réteg kódoló/dekódoló funkcióit vezérlkártyán integrálják, amit a hálózati eszközbe (PC, PLC) építenek. Ez a kártya adó-vev egységgel és speciális kábellel kapcsolódik a koaxiális kábelcsatlakozóhoz (23.13.a, ábra). Az adó-vev rendszerint ún. vámpírcsatlakozóval kapcsolódik a koaxiális kábelhez. A koaxiális kábel hossza ún. vastag Ethernet esetén max. 500 m és 100 résztvev csatlakoztatható a kábelre jelismétl nélkül.

18

23.13.a, ábra: Tipikus Ethernet implementáció Gyengébb minség kábel alkalmazásakor csökken a távolság. A 10 Base2 esetén ez 185 m lehet. A 10 Base2 max. 30 résztvevt (node-ot) támogat szegmensenként és tartja a 4 ismétl – 5 szegmens szabályt. E szerint a teljes hossz: 5 x 185 m = 925 m. A Manchester-kódolású bitek közepén lev átmenetek segítségével a küld szinkronba hozhatja a vevt. Bármelyik idpontban a kábel a következ három állapot egyikében van: 1es bit átvitele (alacsonyból magasba való átmenet), 0-ás bit átvitele (magasból alacsonyba való átmenet), vagy tétlen (0 V). A jel magas szintjét +0,85 V, alacsony szintjét - 0,85 V jelenti.

23.13.b, ábra: Jelszintek az Ethernet hálózatban 23.4.1.2.

10 Base2 rendszerek (THINNET)

Az Ethernet hálózatok másik koaxiális kábeltípusa a 10 Base2, vagy más néven vékony Ethernet kábel. A kábel maga RG-58 A/U vagy C/U típusú, 50 ohm jellemz hullámimpedanciával és 5 mm-es átmérvel. A hálózati kártyákkal a csatlakozás BNC Tcsatlakozókkal történik, soros jelleg kábelezéssel. A kábel használata során itt is be kell tartanunk néhány szabályt: x x x x x x

mindkét végén le kell zárnunk 50 ohmos lezáró ellenállással, a kábelszakasz hossza legfeljebb 185 méter lehet, egy szakaszhoz nem csatlakozhat 30-nál több adó-vev, a csomópontok között legalább 0,5 m távolságnak kell lennie, a kábel nem használható összekötként két vastag kábeles szakasz között, a kábel görbületi sugara sehol nem lehet kisebb 5 cm-nél.

A 10 Base2 Ethernet szakasz fizikai felépítését a 23.14.a, ábrán láthatjuk. A 10 Base2 rendszer integrálja a MAU-t (Media Attachment Unit) és a transceiver/AUI (Attachment Unit Interface) kábelt magába a NIC-be (Network Interface Card). A vékony Ethernet kábel népszer volt és az is maradt, hiszen a hálózatok kiépítésének olcsó és egyszer módját adja. Sajnálatos módon azonban ez a megközelítés hátrányokkal is jár, 19

hiszen egy kábelhiba könnyen megbéníthatja a hálózat mködését. Az ilyen gondok megelzésére a vezetékeket gyakran fali csatlakozókhoz vezetik ki, és a csomópontokhoz azonos típusú „szabad kábeleket” húznak ki. Fontos, hogy a hossz-számításokba ezeket a szabad kábeleket is belevegyük.

23.14.a, ábra: 10 Base2 Ethernet kábelszakasz A vékony Ethernet alkalmazási tudnivalói: x x x x x

egy szegmens legnagyobb hossza 185 m, a T-csatlakozók közötti távolság legalább 0,5 m, legfeljebb 30 csatlakozás lehet egy szegmensben, minden szegmens els és utolsó készülékénél a T-csatlakozó egyik oldalát 50 Ohm-os ellenállással kell lezárni, a T-csatlakozókat közvetlenül Ethernet-re kell csatlakoztatni. A T-csatlakozó és a készülék között kábel nem lehet.

Vékony Ethernet tipikus hálózati részletét szemlélteti a 23.14.b, ábra. Moduláris ismétl legfeljebb 7 darab vékony Ethernet modullal

Vékony Ethernet kábel

23.14.b, ábra: Vékony Ethernet hálózat rész

20

23.4.1.3.

10 Base-T rendszerek (Twisted Pair Ethernet)

Az Ethernet hálózatok 10 Base-T szabványa AWG 24 árnyékolatlan csavart érpáras (UTP) kábelt alkalmaz a csomóponthoz történ csatlakozáshoz. A 10 Base-T rendszer UTP kábelt használ: az egyiket az adatok továbbítására, a másikat az adatok vételére. A szabvány fizikai topológiája csillag, melyben a csomópontok egy huzalközponthoz vagy koncentrátorhoz csatlakoznak. Ez utóbbiak kapcsolódhatnak egy gerinckábelhez, amely koaxiális vagy üvegszálas lehet. A csomóponti kábel lehet 3-as vagy a 4-es kategóriájú, új rendszerek esetén pedig érdemes elgondolkozni az 5-ös kategóriájú kábelek alkalmazásán. Ez átállási lehetséget kínál a késbbiekben nagyobb sebesség hálózatokra, ami jó befektetés a jövre nézve, ha a kábelek kis részét teszik ki a kiépítés teljes költségének. A csomóponti kábelek legfeljebb 100 méter hosszúak lehetnek, két érpárat tartalmaznak az adás és a vétel céljára, és RJ45 típusú csatlakozókban végzdnek. A huzalközpont bels felépítését tekintve helyi sínnek tekinthet, így a hálózat logikai sín kialakítást követ. A 23.15.a, ábra bemutatja, miként kapcsolódnak egymáshoz a 10 Base-T csomópontok az elosztón (HUB) keresztül. Az ütközések érzékeléséért a hálózati kártya felel, így a bemeneti jelet az elosztónak továbbítania kell minden kimeneti érpáron. Az elosztó elektronikájának biztosítania kell, hogy az újra elállított jelek ne zavarják a gyengébb bemeneti jeleket. Ezt a jelenséget távoli végponti áthallásnak (FEXT) nevezik, kezelésére adaptív áthallási visszhang-semlegesít áramköröket alkalmaznak.

23.15.a, ábra: Egy 10 Base-T rendszer vázlata Újabb hálózatokban egyre gyakrabban találkozhatunk e szabvány megvalósításaival, ez azonban nem szabad, hogy elterelje a figyelmünket néhány hátrányos tulajdonságáról: x x

a kábel nem igazán ellenálló az elektromos zajjal szemben, így egyes ipari környezetekben nem használható, a kábelek ugyan olcsók, de a huzalközpontok jelenléte miatt a csomóponti kábelek hossza nem haladhatja meg a 100 métert, így a négy repeater/öt szegmens szabály szerint a maximális hossz 500 méter.

A szabványnak jelents elnyei is vannak. x

Léteznek olyan intelligens elosztók, amelyek képesek meghatározni, mely útvonalak fogadják valójában a kimen adatokat. Ez megnöveli a hálózat biztonságát - ami jelents elrelépés az Ethernethez hasonló adatszóró, közös átviteli közeggel rendelkez hálózatokban.

21

x x

ben csatlakozó-, illetve sodrottérpár-illeszt dugaljzatokat beépítve tovább növelhetjük a rugalmasságot. A készülékeket csillag-topológia szerint kell a 10BASE-T típusú elosztóba csatlakoztatni. A szabványos csatlakozójú készülékeket 10BASE-T adó-vev készüléken keresztül lehet az elosztóhoz csatlakoztatni (23.15.b, ábra).

^+ >  @

€&\  +@% 

‚€ƒ ^ '   „&]Z&„^ƒ  

23.15.b, ábra: Tipikus 10 Base-T hálózat kialakítás 23.4.1.4.

10 Base-F rendszerek

Ez a szabvány is a 10 Base-T-hez hasonló csillag topológiára és huzalközpontokra épül. x

10 Base-FL (Fiber Link) Ez az üvegszálas szabvány (F-fiber) gyakorlatilag nem más, mint a meglév köztes száloptikai ismétl (FOIRL, Fiber Optic Inter Repeater Link) szabvány 2 km-es szakaszt lehetvé tev bvítése. Az eredeti, 802.3-as szabványban megadott változata ugyanis csak 1 km-es kábelszakaszt engedett meg két ismétl között, 5 szakasz esetén tovább korlátozta a teljes hoszt 2,5 km-re. Itt a jelismétlk közti kapcsolatokról van szó, amelyeken nem lehetnek csomópontok. x x x x x

22

A fényvezet szálas kapcsolatok új szabványa 10BASE-FL. A 10BASE-FL szegmens legnagyobb hossza 2 km. A fényvezet szálas kapcsolatok korábbi szabványa FOIRL. A FOIRL szegmens hossza legfeljebb 1 km. A fényvezet kábel 50, 62,5 vagy 100 μm-es kétirányú, többmódusú (leginkább a 62,5 μm ajánlatos). A csatlakozó ST® vagy SMA 905 típusú. Az AUI csatlakozójú készülékeket fényvezets adó-vevvel lehet csatlakoztatni 23.15.c, ábra szerint.

   

‡    ;   ^ '   

;  ^ '   

‚€ƒ ‚€ƒ

23.15.c, ábra: 10 Base-F hálózat részlet x

10 Base-FP A passzív optikai szálas csatolóra épül csillagkapcsolású hálózat, csillagonként legfeljebb 33 ággal, legfeljebb 500 m hosszú szakaszokkal. A passzív elosztó teljességgel érzéketlen mindenféle küls zajra, így nagyszer választás lehet zajos ipari környezetben. 10 Base-FB Optikai szálas kapcsolati szakasz, amelyben szinkron adatátvitel lehetséges. A szabvány kifejezetten a jelismétlk közötti szakaszok megvalósítását célozza olyan ismétlk esetében, amelyek beépített adó-vevvel rendelkeznek. Mindez lecsökkenti a keret átvitel idejét a jelismétln. A szakasz hossza nem lehet nagyobb 2 km-nél, de akár 15 ismétlt is sorba köthetünk, ami jelents rugalmasságot biztosít a hálózat felépítésében.

x

10 Broad-36 rendszerek Ez a rendszer szerepel a 802.3 szabványban, új hálózatok felépítésénél azonban már nem alkalmazzák. A szabvány valójában az Ethernet szélessávú változatát takarja, amely az adatátvitelt 75 ohmos koaxiális kábellel valósítja meg. Az adó-vev@k egy frekvencián adnak, egy másikon pedig a vétel zajlik. Maga az adás, illetve vétel folyam 14-14 MHz sávszélességet igényel, emellett azonban szükség van további 4-4 MHz-re az ütközések felderítésére és jelzésére. Összesen így 36 MHz sávszélességre van szükség. A kábelek hossza nem lehet nagyobb 1800 méternél, viszont az egyes jelek kétszer is végighaladhatnak a kábelen, ami legrosszabb esetben 3600 métert jelent.

Az egyes kábeltípusokhoz ill. sebességekhez illeszkednie kell a fizikai rétegnek is. Annál is inkább, mert többnyire más-más jelkódolást alkalmaznak. 23.4.2. Gyors (fast) és gigabites Ethernet rendszerek A sebességnövelés egyik módszere a sávszélesség növelése, ami lehetvé teszi a jel gyorsabb változását, így a gyorsabb adatátvitelt is. Ez nagy sávszélesség átviteli közeget igényel, ráadásul rézkábelek esetén jelents, nehezen kiküszöbölhet elektromos zajjal is számolnunk kell. Egy másik módszer szerint áttérhetünk a soros átvitelrl párhuzamosra. Harmadik lehetségéként alkalmazhatunk adattömörítést is, így egy elektromos jelátmenettel egynél több bitet vihetünk át. A negyedik módszerben - melyet a gigabit Ethernet hálózatoknál is alkalmaznak - az áramkörök teljes duplex módban mködnek, vagyis lehetség van az egyidej] kétirányú adatátvitelre. Mindazonáltal az els három módszert sem volt felesleges megem23

líteni, hiszen a 100 Mbps sebesség gyors (fast) Ethernet, valamint az 1000 Mbps-os gigabit Ethernet rendszerben mindegyikük megjelenik valahol - használjunk akár réz, akár üvegszálas kábeleket. Kábelkorlátozások A legtöbb helyi hálózatban koaxiális, árnyékolt (STP, shielded twisted pair), illetve árnyékolatlan csavart érpáras (UTP, unshielded twisted pair), vagy üvegszálas kábelt használnak. A koaxiális kábel kapacitása komoly korlátozást jelent a nagyfrekvenciás összetevk átvitelére, így a 100 Mbps sebesség rendszerek esetén nem használatosak. Az árnyékolatlan csavart érpáras kábel igen népszer könny szerelhetsége és olcsósága miatt - ezen alapul a 10 Base-T Ethernet szabvány. A 3. kategóriás kábel csak 10 Mbps sebességet bír el, az 5. kategóriással azonban 100 Mbps is elérhet, míg a szabványos kábel négy érpárja párhuzamos adatfolyamok kezelését is lehetvé teszi. Láthattuk a korábbiakban is, hogy a száloptikai kábelek sávszélessége igen nagy, zajtrése pedig kitn. A fizikai rétegrl a fizikai közegre 100 Mbps-os adatsebesség esetén jutó Ethernet keret bájtjainak funkcióit szemlélteti a 23.16. ábra. ‰%

]Z]Z]Z]Z

„‡ˆ

]Z]Z]Z]Z

]Z]Z]Z]] 

Ž ‡!_++ 

%

„„ˆ

‚>>†„‡ˆ ‰Š]%

€'> ‹%

‡> ‹%

&" ' q%

&" ' Q‹ŒŒŒ ]\ZZ %

€€ Q%

^„ˆ

‡!_++ 

%

~&€ +"  &"   

23.16. ábra: Ethernet keret bájtfunkciói Az IEEE 802.3 szabvány szerint a gyors Ethernet nem új szabvány, hanem a hagyományos Ethernet kibvítése az alábbi adottságokkal: x x x

adat átviteli sebesség a 100 Mbps, kapcsolók (switch-ek) alkalmazása, teljesen duplex átviteli mód.

23.4.2.1. Switch-ek (kapcsolók) Az Ethernet hálózatokban alkalmazott switch-ek két leggyakoribb alkalmazása: x x

helyi hálózat szakaszolása több fájl szerverrel, nagysebesség munkacsoportok kialakítása.

a, Helyi hálózat szakaszolása több fájl szerverrel x

x x

24

Több fájl szerverrel kapcsolatot tartó több felhasználó lényeges befolyással lehet a hálózat hatékonyságára. Ennek az az oka, hogy az Ethernet a hálózatra küldött minden adatot minden hozzá kapcsolódó készüléknek elküld mindaddig, amíg az el nem ér a címzetthez. A helyi hálózatot Ethernet kapcsolóval (switch) szakaszolva ezt a szk keresztmetszetet hatásosan lehet javítani. Az alapvet fontosságú készülékekhez huzal-sebesség útvonalakat létrehozva lehetvé válik, hogy a közvetlen útvonalon az adatok a lehet legnagyobb sebességgel haladjanak (23.17.a, ábra).

]Π|+> }

‡%  ' @ >  @|'} qŒ |+> }

~ ^ '  @| '} ~ > QŒ |+> } Œ |+> }

~ >

‡%

23.17.a, ábra: Helyi hálózat szakaszolása b. Nagysebesség] munkacsoportok kialakítása Ha egy 10 Mbit/s sebesség helyi hálózaton egy nagysebesség munkacsoportot kell kialakítani, de arra még nincs lehetség, hogy az egész kapcsolót 100 Mbit/s sebességre építsék ki. Ekkor egy Ethernet kapcsolóval létre lehet hozni egy dedikált 100 Mbit/s sebesség kapcsolatot, amely elválasztható a hálózat többi részétl, és ettl a hálózatra kapcsolt minden készülék lehetségei javulnak(23.17.b, ábra). „    @ | '}]Z ]ZZ~ †  |+> }

~ ^ '   @YŠq €&\ 

‘^ '   @| '}ƒ Y „    @ | '}]Z

]Z~  †> 

]Z~  † 

]ZZ~ †>  ]Z~  †> 

23.17.b, ábra: Nagysebesség munkacsoportok kialakítása A tároló-továbbító (store-and-forward) hálózati kapcsolók minden egyes teljes adatcsomagot – átmeneti tárolás céljára – beolvasnak a bels puffer-memóriájukba. Itt a cél és a forrás címét összevetik a kapcsoló bels címjegyzékével – éppen úgy, mint ahogyan a hidak (bridge) teszik. Egyidejleg a teljes csomag sértetlenségi vizsgálaton esik át. Ez a folyamat azt igényli, hogy a teljes adatcsomag beolvasása befejezdjön, hiszen az ellenrz szám a csomag legutolsó karaktere. Ellenrzés után az adatcsomag a puffer-memóriából a megfelel cél-készülékhez kerül. Ezzel szemben az átfuttató (cut-through) kapcsolók (switch-ek) megvizsgálják a forrás és a cél címét, majd meghatározzák a megfelel útvonalat és elkezdik az adatcsomag továbbítását.

25

A hibaellenrzés elmaradása miatt az átfuttató kapcsolók által okozott késleltetés kisebb, mint a tároló-továbbító kapcsolóké. Az átfuttató kapcsolók azonban nem ellenrzik az adatcsomag tartalmát, így a hálózaton keresztül hibás csomagok is továbbítódnak. A legtöbb hálózatfelügyel kedvezbbnek tartja, ha a hibás adatcsomagokat kiszrik, és így azok már nem is érhetnek el a hálózatra, ezért egyre inkább a tároló-továbbító típusok terjednek el az átfuttató kapcsolókkal szemben. Kétsebességes kapcsolók A kétsebességes, automatikus érzékelés 10/100 Mbit/s felépítés kapcsolók lehetvé teszik a gyors-Ethernet hálózatok összekapcsolt csomópontjainak kezelését, anélkül, hogy a 10 Mbit/s-os portra csatlakozással veszítenének sebességükbl. Mindegyik port érzékeli a hozzákapcsolt készülék sebességét, így egyes munkaállomásokat ki lehet jelölni 10 Mbit/s sebességre, miközben más alkalmazások nagyobb sebességet használhatnak. Így nem kell felhasználni a 10 Mbit/s sebességre egy kapcsolót és a 100 Mbit/s sebességre is egy másikat, mindezek egyetlen egységben elérhetek. Az ipari Ethernet hálózatoknál a hálózati kapcsolókat a párhuzamos kommunikáció kialakításához alkalmazzák. A legtöbb kommunikációs kapcsolat a hálózati eszközök között lehetvé teszi alhálózatok kialakítását a hálózat szegmentálása révén. A hálózati szegmentáció switch-ek révén valósítható meg. Az így kialakított hálózatot kapcsolt Ethernetnek nevezik. A 23.18.a, ábra szemlélteti a hagyományos busz struktúrájú és az eszközök közötti pont-pont összeköttetést biztosító hálózat és a csillag topológiájú kapcsolt Ethernet hálózat felépítését. A

1

BB

2

B

4

D

A

CC

3

2

C

1

3

D

4

5

E

E

5

23.18.a, ábra: Busz ill. csillag topológia A switch beiktatásával kapcsolt csillag topológiánál a központi eszköz képes elemezni a bejöv csomagok forráscímeit, így meg tudja határozni, hogy melyik állomás van csatlakoztatva a porthoz. Amikor a központi eszköz fogad egy csomagot, azt átküldi a célállomásnak. Ez a megoldás nagyobb sávszélességet igényel, mert a központi eszközön egyszerre több átvitel történhet. Ha tehát az eszközön belül nagyobb sávszélesség áll rendelkezésre, akkor az adatfolyamot párhuzamosan lehet továbbítani. Ezt szemlélteti a 23.18.b, ábra. B

C

D

A

H

G

F

E

23.18.b, ábra: Párhuzamos adatátvitel a csillag hálózaton 26

Az ütközéses, félduplex osztott Ethernet és a kapcsolt teljesen duplex ütközésmentes Ethernet hálózat viszonyát szemlélteti a 23.18.c, ábra.

osztott

kapcsolt

23.18.c, ábra: Az osztott és a kapcsolt Ethernet A kapcsolt Ethernet el@nyei: x x x

jelentsen növeli az adatforgalmat a teljes duplex átvitel, alkalmazás specifikus hálózat, szegmentálás révén nagymértékben csökken az ütközések száma, az ütközések lecsökkentésével egyre inkább determinisztikus a mködés.

A kapcsolt Ethernet lelke a megfelel switch-ek alkalmazása. A switch az OSI réteg 2-es szintjén funkcionáló eszköz, amely biztosítja a különböz fizikai közegek pl. optikai kábel, csavart érpár csatlakoztathatóságát. A switch-et gyakran több portos hídnak (multi port bridge) nevezik, mert adottságai a bridge-hez hasonlóak. A switch feldolgozza a 48 bites MAC címet és elállít egy ún. forrás/cím táblát (Source Address Table - SAT). A switch minden portja képvisel egy hálózati szegmenst. Ezen szegmensek mindegyike használhatja a teljes hálózati sávszélességet. A switch egy-egy portja fogadhat és küldhet adatokat egymástól függetlenül. A portok össze vannak kötve egy bels@, nagy sebesség] buszon (backpane). A switch-en belüli adatbufferek biztosítják, hogy nem léphet fel adatvesztés. A switch bels felépítését szemlélteti a 23.19. ábra.

23.19. ábra: A switch bels felépítése

27

A switch tehát egyaránt növeli a teljes hálózati kommunikáció hatékonyságát és a szegmensét is. A switch megvizsgál valamennyi csomagot és meghatározza a cél szegmens címet, majd továbbítja az adatcsomagot a célszegmenshez. A switch-ek az eredeti busz topológiájú Ethernet hálózatot bus/star, azaz vonal/csillag topológiájú hálózattá alakítják. Valamennyi szegmens rész a busz topológiával van csatlakoztatva a switch egy portjához a csillag struktúrában. Az adatcsomagokat át lehet küldeni a portok között a maximális Ethernet sebességgel. A switch-ek fontos képessége, hogy menedzselni képesek az adatkereteket ugyanabban az idben a különböz szegmensek között (menedzselt switch-ek). Az elmúlt évtizedben a hálózati topológiák az útvonalválasztókat az elosztókkal vagy kapcsolókkal együtt használták. Az elosztó vagy a kapcsoló a helyi hálózati szegmensben központi csomópontként mködik, míg az útvonalválasztó a magasabb szint feladatokat látja el, mint pl. az adatformátum átalakítása, a helyi hálózati szegmensek közötti forgalom szervezése és a távolsági kapcsolatok elérése. A 3. réteg kapcsolója, amely a 2. réteg kapcsolóját és a 3. réteg IP útvonal-irányítását foglalja magában, a helyi hálózat kialakításának gazdaságos megoldása, mivel a kapcsolást és az útvonalválasztást egy készülékben egyesíti. A 2. réteg hagyományos kapcsolója az adatokat vizsgálat nélkül küldi tovább, a 3. réteg kapcsolója megvalósítja az útvonalválasztó azon képességét, hogy elküldés eltt megvizsgálja az adatcsomagot. A kapcsoló és az útvonalválasztó egyesítése a 3. réteg kapcsolójában gazdaságos módon növeli meg a kapcsoló sebességét és az útvonalválasztó intelligenciáját. A 3. réteg kapcsolójának két alaptípusa van: x

Csomagonkénti 3. réteg (Packet-by-packet Layer 3, PPL3). A PPL3 kapcsolók valójában útvonalválasztók, amelyek minden adatcsomagot megvizsgálnak a célállomásra való elküldés eltt. A lehetséges legnagyobb sebességet azzal a módszerrel érik el, amely elször a legrövidebb útvonalat nyitja meg (Open Shortest Path First, OSPF) és az útvonal adatait átmeneti gyorsító (cache) tárolóban rögzíti. Mivel ezek a kapcsolók ismerik és kihasználják a hálózat topológiájából adódó elnyöket, a hagyományos útvonalválasztókat túlszárnyalják a másodpercenként több mint 7000000 (hét millió!) adatcsomag továbbításával.

x

Átfuttató 3. réteg: a 3. réteg kapcsolójának ez a módszere a még nagyobb sebesség érdekében rövidítést végez. Az átfutó jelleg kapcsoló nem vizsgálja meg az adatcsomagokat, hanem csak a célállomás címét olvassa ki bellük. A cél ismeretében – a nagyobb sebesség elérése érdekében - az adatfolyamot átadja a 2. rétegnek.

A hub-ok és switch-ek közötti különbségek: a, Hub x x x x x

Csak egy adatcsomag képes egy idben átjutni a hub-on. Az átviteli sebesség 10 vagy 10/100 Mbps a kétsebesség hub-oknál. A hub-ok „nem tudják”, hogy melyik porthoz melyik állomás van csatlakoztatva. A hub-okat nem kell konfigurálni. A hub-ok olcsóbbak, mint a switch-ek.

b, Switch x x x

28

A switch több különböz helyrl érkez adatcsomagot képes egy idben átbocsátani. A teljes sávszélesség (adat átbocsátó képesség) sokkal nagyobb, mint a hub esetén. A switch-ek tudják, hogy melyik porthoz milyen állomások vannak csatlakoztatva.

Növeli a kommunikáció hatékonyságát, hogy a switch alkalmazásával az adatforgalom szrése és redukálása is megtörténik azáltal, hogy a helyi adatforgalom „helyben” marad, azaz a switch portjai között történik. A switch-en történ adattovábbítást mutatja a 23.20. ábra. Forrás /cím tábla Port 1 2 3 4 Adat keret/Cím A Adat Adat Adat Adat

Cím A, B C D E, F

Port 5 6 7 8

Cím G H I, J K, L Adat keret/Cím G

Kapcsoló mátrix

keret/Cím B keret/Cím C keret/Cím D keret/Cím E

1 2 3

Adat keret/Cím F

4

Adat keret/C ím H Adat keret/C ím I Adat keret/Cím J Adat keret/C ím K Adat keret/Cím L

5 6 7 8

23.20. ábra: A switch-en belüli adattovábbítás a kapcsoló mátrix és kapcsolási tábla révén A legújabb switch-ek képesek „megtanulni” az eszközök csatlakoztatásával kapcsolatos információt. Ennek algoritmusát szemlélteti a 23.21. ábra. A switch fogad egy adatkeretet az 1-es porton

Keresi a cél címet a címtáblában. Megtalálta? A kijelölt port a fogadó port

Nem

Igen Ellenrzi melyik port tartozik a címhez

A keresett címhez rendelt port a 24-es A keret elejtése

A keret küldése a 24-es portra

Keresi a forrás címet a címtáblában. Megtalálta?

Küldi a keretet az összes porton keresztül, kivéve az 1-est

A címet nem találta

A forrás címet megtalálta Idbélyeg frissítés

Idbélyeggel látja el a címet (tartalmazza a port kijelölést)

23.21. ábra: A switch-ek tanulási folyamatábrája

29

23.4.2.2. Forgalomirányító (router) A hagyományos vállalati forgalomirányítók alkotják a legtöbb adathálózat magját. Ezek két f szolgáltatást nyújtanak: a hálózat intelligenciáját és az egyszer keretek továbbítását. Ezek a forgalomirányítók általában egyszer összevont gerinchálózat felépítések, ahol a forgalomirányító anyakártyája alkotja az épület, vagy az egyetemi hálózat gerincét, ehhez csatlakoznak a helyi hálózatok, a szerverek, a távoli hálózat és az Internet. A forgalomirányítóknak illeszkedniük kell a változó igényekhez, de ez az egyszer hálózat erre kevésbé alkalmas - és a hálózati forgalom egyre nagyobb része távoli hálózatról és az Internet-rl érkezik, nem pedig a helyi hálózatról. A forgalomnak ez a drámai változása nagyobb terhelést jelent a gerinc forgalomirányítókra, ez pedig elkerülhetetlenül fennakadásokat okoz. Az új, 3 réteg hálózati kapcsolókat forgalomirányító gyorsítóknak is nevezik, mivel a forgalomirányító helyett kezelik a helyi forgalmat. A hagyományos hálózatokban a kapcsolók olyan készülékek, amelyek csak helyettesítik az elosztót az adatátviteli vonal megosztásában, vagy a megosztott adatátviteli vonalak elosztói között szegmensek kapcsolását végzik. A 3 réteg kapcsolók – amelyek a 2 réteg kapcsoló és a 3 réteg IP forgalomirányító együttesét valósítják meg – azonban a mködképesség teljesen új szintjét valósítják meg. A forgalomirányító gyorsítók a hidaknál megismert képességeket valósítják meg a 3. rétegben azáltal, hogy a küls részhálózatnak küldött 3. rétegbeli adatcsomagokat a forgalomirányító helyett közvetlenül irányítják. A különböz kapcsoló portokon az IP címek helyének felismerése után a gyorsító dinamikusan kialakítja a saját útvonal-táblázatát. Ezt az információt az forgalomirányítóhoz men adatok válogatására használja fel. Azokat az adatokat, amelyeket csak a forgalomirányító tud kezelni, el is küldi neki, de a legtöbb adatcsomagot egyszeren csak a megfelel részhálózathoz kell küldeni. A 3. rétegbeli forgalomirányító gyorsító és a 2. rétegbeli kapcsoló között az a különbség, hogy a 3. réteg gyorsítója a forgalmat intelligens módon irányítja, míg a 2. réteg kapcsolója minden forgalmat egyszeren csak továbbít. A forgalomirányító gyorsítók költséget takarítanak meg. A hagyományos, programmal mköd forgalomirányítók és a gyorsítók együttmködésével lényegesen csökkenthet a forgalomirányító terhelése és a részhálózatok közötti áteresztképességet a másodpercenkénti 1 millió adatcsomagra megnöveli. Az intézmények a helyi hálózataik közötti adatforgalom költségeit sokkal alacsonyabb szinten tarthatják, mintha a meglev forgalomirányítóikat kicserélnék. 23.4.2.3. 100 Base-T (100 Base-TX, - T2, - FX, - T4) A 100 Base-T Ethernet a 10 Base-T-hez hasonlóan a CSMA/CD közeghozzáférést alkalmazza. A 100 Mbps sebesség adatátvitelnél ezt a szabványt részesítik elnyben, amely az Ethernet már meglév MAC rétegét használja, különböz fizikai közegt@l függ@ (PMD, Physical Media Dependent) rétegekkel növelve az átvitel sebességét. Ezeket az IEEE 802.3u és 802.3y szabvánnyal írják le. Az IEEE 802.3u szabványnak három változata létezik az alkalmazott fizikai közeg szerint: x x x

30

100 Base-TX, amelyben két érpáras 5. kategóriás UTP vagy STP kábeleket használnak, 100 Base-T4, amelyben 4 érpáras 3., 4., vagy 5. kategóriás UTP kábeleket használnak, 100 Base-FX, amelyben többmódusú vagy egymódusú száloptikai kábeleket használnak.

Az IEEE 802.3y fizikai közege az alábbi: x

100 Base-T2, amelyben 2 érpáras 3., 4., vagy 5. kategóriás UTP kábeleket használnak.

A fentieket foglalja össze a 23.22. ábra. ^^^YZqŒ  ]ZZƒ €„~&†€ˆ ~&€

~  +

]ZZƒ‡  +ƒ +

$>@" _+

]ZZƒ  \Œ  Œ –‚+ ]Œ  Œ„‚

]ZZƒQ @" 

]ZZZƒ˜   +ƒ +

$>@" _+

]ZZZƒ€    œ 

]ZZZƒ < +\Œ  Œ +%> + –‚ 

23.35. ábra: A gigabit Ethernet változatai A gigabites Ethernet MAC rétege A gigabites Ethernet megtartja a 802.3 szabvány keretformátumát, a CSMA/CD algoritmusban azonban nélkülözhetetlen volt egy apró módosítás annak érdekében, hogy hatékonyan mködhessen 1 Gbps sebességen. A 10 és 100 Mbps sebesség rendszereken megszokott 64 bájtos résid 512 bájtra ntt. E nélkül a hálózat a gyors Ethernet kiterjedésének tizedét érhetné el, ami mindössze 20 métert jelent. A résid határozza meg, hogy meddig tartja magánál a közeg vezérlését a csomópont, és ezen belül meddig felels az ütközésérzékelésért. A gigabit Ethernet hálózatokban a megszokott idtartamot nyolcszorosára, vagyis 4,096 Ps-ra emelték, kiegyenlítve a tízszeres sebességnövekedés hatásait. Az ütközési tartomány mérete így ismét nagyjából 200 méteres lehet. Amennyiben az átküldött keret mérete 512 bájtnál kisebb, az adó jelbvítési szimbólumokkal (carrier extension symbol) egészíti ki a teljes méretre. A módszert a 23.36. ábra mutatja be.

"\]q%

$">+

Ž >@>

23.36. ábra: Jelbvítés Ezzel a módszerrel könnyen úrrá lehetünk a hálózat méretével kapcsolatos gondokon, de sok rövid keret küldésénél - ami ipari rendszerekben gyakran jelenség - meglehetsen rossz a hálózati kihasználtság. Így például egy 64 bájtos keret küldésénél 448 további kiegészít bájtot kell csatolnunk, ami kevesebb, mint 10 %-os kihasználtságot eredményez. A jelenség elkerülhetetlen, de a helyzetet némiképp javíthatjuk a csomaghalmozás (csomaggyorsítás, packet bursting) módszerével. Miután az els keret sikeresen átjutott az 512 bájtos ütközési ablakon esetleg jelbvítési bájtokkal kiegészítve -, az átvitel folytatódik további keretek halmozásával, egészen egy 1500 bájtos határ eléréséig. Az összméret természetesen függ a felhalmozott keretek számától és méretétl. Mindez a bvítési szimbólumok révén elvesztegetett idt több keretre osztja szét. Az újabb csomagok hozzáadása valós idben történik, a köztük lév szü44

netet pedig a jelbvítési szimbólumok töltik ki. A rendszer minden keret átküldése után öszszegzi a halmozott bájtok számát, és addig folytatja az adást, amíg legalább 1500 bájtot át nem vitt. Mindezt a 23.37. ábrán mutatjuk be. &'>> @' ]\ZZ%

"

   ]

 

  q

   

Keret N

&    $   >@>  $   

23.37. ábra: Csomaghalmozás 23.4.4.2. A fizikai közegtl függ (PHY) réteg A 802.3z gigabit Ethernet szabvány az ANSI X3T11 üvegszálas csatornaszabványait alkalmazza az 1000 Base-SX és 1000 Base-LX rendszerek, illetve a 150 ohmos iker-koaxiális (twinax) rézkábeles 1000 Base-CX rendszer fizikai közegtl független (PHY) alrétegének megvalósítására. Az üvegszálas, 1 Gbps sebességen mköd PMD alréteg felel az adatok 8B/10B kódolásáért, az adatrejtjelezésért és az NRZI jelkódolásért az idzítéssel, valamint az órajel és az adatok kinyerésével egyetemben. Ez az adatátviteli sebességet 800 Mbps-ra módosítja, így az IEEE szabványban hasznos 1 Gbps sebesség átvitel elérése érdekében a PHY rétegben 1250 Mbps-t kellett meghatározni. A 8B/10B kódolás a bitnyolcasokból tízbites szimbólumokat állít el, melyek jellemzje, hogy mindegyikük tartalmaz legalább két 1-0 átmenetet. Mindez biztosítja, hogy elegend jelátmenet szerepeljen az átvitt bitsorozatban az órajel vev oldali összehangolásához. Ez a kódolási rendszer lehetvé teszi, hogy vezérlszimbólumokat is meghatározzunk, például a csomagok, ill. a keretek elejének és végének jelzésére, valamint az eszközök vezérlésére. A kódolás emellett kiegyensúlyozza az egyes szimbólumokban található 1-esek és 0-k számát - ezt hívják egyenáramú kiegyensúlyozásnak (DC balancing). Ez azt eredményezi, hogy a feszültségingadozások átlaga mindig 0 lesz az adatfolyamban, ami meggátolja, hogy a váltófeszültségre érzékeny eszközök torzítsák a jelet (alapvonal-vándorlás, Baseline wandering). 23.4.4.3. 1000 Base-T 5-ös kategória UTP-vel Ez a változat az IEEE 802.3ab szabvány alá tartozik, amely négy pár 5. kategóriájú vagy jobb minség érpárt ír el az átvitelhez. Itt a négy érpár mindegyikén egyaránt egyidej adás és vétel zajlik, ellentétben a 100 Base-TX rendszerrel, ahol külön párok feleltek meg az adásnak és a vételnek. Ezt a különbséget szemlélteti a 23.38. ábra.

45

23.38. ábra: A 100 Base-TX és az 1000 Base-T rendszer összehasonlítása A rendszer ugyanazt a PAM-5 kódolási módszert alkalmazza, amelyet a 100 Base-T2 kapcsán megismertünk. Itt öt feszültségszint vesz részt a jel felépítésében, ami csökkenti a zajjal szembeni ellenállást - ez a gond azonban kiküszöbölhet digitális jelfeldolgozók (DSP) alkalmazásával az egyes párokon. A tízszeres sebességnövekedést a 100 Base-T2-höz képest a kétszer több (4) érpáron megvalósított átvitellel és az ötszörös órajel frekvenciával (125 MHz) érik el. A teljes duplex jelismétlk szerepét a gigabites Ethernet hálózatban a 23.39. ábra mutatja.

& %"œ%>  $

%

 @

 @

 @

~&€

~&€

‚?ž

‚?ž

 @

~&€

~&€

‚?ž

‚?ž

23.39. ábra: Teljes duplex jelismétlk a gigabites Ethernet hálózatban 23.4.4.4. A gigabites Ethernet rendszerek tervezési szempontjai Száloptikai kábelhossz A csomópont és a teljes duplex 1000 Base-SX, illetve LX jelismétlk közti legnagyobb kábelhossz függ az alkalmazott hullámhossztól, a kábel típusától és sávszélességétl. A

46

többmódusú kábeleken ezt a hosszt a különbség alapú (differenciális) késleltetés (DMD, Differencial Mode Delay) korlátozza. A többmódusú szálba sugárzott vékony lézernyaláb viszonylag kisszámú sugarat eredményez a szál belsejében. Ezek eltér terjedési idvel rendelkeznek, hiszen különböz hosszú üvegszálakon haladnak át, ahogy cikkcakkban terjednek a kábelben. Mindez végeredményben vibrálást és interferenciát okozhat a vevnél. A jelenség elkerülhet, ha a lézersugarat állapotirányított módon lövik a kábelbe. Ez ugyanis egyenletesen elosztja a lézerfényt a szál belsejében, úgy, mintha egy LED fényforrást alkalmaznánk. Így sok egyedi sugarat kapunk, vagyis az impulzus simábban terül szét, kisebb interferenciát okozva. Ilyen irányított sugárzásra kerül sor az 1000 Base-SC (SX, LX) adó-vevkben. Az 23.9. áblázatban felsoroljuk a teljes duplex 1000 Base-X (SX, LX) jelismétlk legnagyobb kábelhosszait. 23.9. áblázat: A teljes duplex 1000 Base-X jelismétlk legnagyobb kábelhosszai Hullámhossz 850 850 850 850 1300 1300 1300

Kábeltípus 50/125 Többmódusú 50/125 Többmódusú 62,5/125 Többmódusú 62,5/125 Többmódusú 50/125 Többmódusú 62,5/125 Többmódusú 9/125 Egymódusú

Sávszélesség (MHz) 400 500 160 200 500 500 Végtelen

Csillapítás (dB/km) 3,25 3,43 160 200 2,32 1,0 0,4

Legnagyobb hossz (m) 500 550 220 275 550 550 5000

23.4.4.5. A gigabites jelismétl@kre vonatkozó szabályok Az 1000 Base-T ütköztetési tartományokon belül alkalmazható kábelhossz és a jelismétlk száma a kábelekben, a jelismétlkben és a hálózati kártyákban fellép késleltetéstl függ. Az 1000 Base-T rendszerek legnagyobb körbeérési késleltetése 512 bájt, illetve 4096 bit átvitelénél 4,096 Ps. E körbejárási id alatt a keretnek el kell jutnia a legtávolabbi csomópontig, majd vissza is kell térnie onnan. Az egyirányú késleltetés ennek az értéknek a fele. Végeredményben az ütköztetési tartomány legnagyobb mérete az alábbi képletbl számítható ki. Jelismétl@k késleltetései + Kábelek késleltetései + Hálózati kártyák késleltetései + Biztonsági ráhagyás (legalább 5 bit) < 2,048 Ps. A fentiek alapján kiszámíthatjuk az IEEE 802.3X félduplex gigabit Ethernet rendszerek legnagyobb ütköztetési átmérit. Az IEEE megfelel szabványos értékeit a 23.10. áblázatban láthatjuk. 23.10. áblázat: A félduplex gigabit Ethernet hálózatok legnagyobb átméri Rendszer 1000 Base-CX 1000 Base-T 1000 Base-SX vagy LX

Legnagyobb ütköztetési átmér@, pont-pont, félduplex 25 m 100 m 316 m

Legnagyobb ütköztetési átmér@, egyismétl@s szakasz 50 m 200 m 220 m

Mivel a piacon nem találunk félduplex gigabit Ethernet jelismétlket, ezért alkalmazzunk teljes duplex ismétlket a megengedett pont-pont kábelhosszakkal a csomópontok és a jelismétlk, illetve a csomópontok és a kapcsolók között. Megjegyzés: a különböz átviteli sebesség Ethernet hálózatok hatékonyságának növekedését szemlélteti a 23.40. ábra.

47

23.40. ábra: A különböz átviteli sebesség Ethernet hálózatok hatékonysága 23.5. A TCP/IP protokoll család 23.5.1. A TCP/IP modell A TCP/IP protokoll modell eltér az OSI modelltl. A két modell összehasonlítását a 23.41. ábra szemlélteti. OSI modell

TCP/IP modell

Alkalmazási réteg Megjelenítési réteg

Alkalmazási réteg

Viszony réteg Szállítási réteg Hálózati réteg

Kapcsolati réteg Fizikai réteg

Szállítási réteg Hálózati (Internet) réteg Hálózatelérési réteg Fizikai réteg (nincs rá elírás)

23.41. ábra: Az OSI és a TCP/IP protokollrétegek összehasonlítása A TCP/IP modellben láthatóan hiányzik a viszony és a megjelenítési réteg, a fizikai réteget nem szokás beleszámítani, a hálózati réteget pedig az IP esetében Internet rétegnek hívják. Az Interneten alkalmazott protokollréteg négy szintjét a következkben részletezzük. Megjegyezzük, hogy az OSI rétegekre vonatkozóan korábbi ismereteket találunk az Ipari kommunikációs rendszerek I. kötet 6. fejezetében.

48

a, Hálózatelérési réteg A hálózatelérési (network interface) réteg a legalsó, ez biztosítja a kapcsolatot a csomópontok közötti hálózati építménnyel (Ethernet, vezérjeles gyr, stb.). A gyakorlatban azonban még a TCP/IP modellben is a hálózatelérési réteg elnevezés helyett gyakran az OSI modellbeli két rétegre való felosztást és az ezeknek megfelel elnevezéseket használják. b, Hálózati (Internet) réteg A hálózati (network) réteg (más néven Internet réteg) végzi a csomagok útvonal-kijelölését (útválasztását) a hálózatok között és egy szabványos csomag formátumot (format) és protokollt (protocol) határoz meg, mely utóbbi elnevezése az Internet Protokoll (Internet Protocol, IP), így a hálózati réteg ezeket az IP csomagokat továbbítja. A rétegben elforduló események és hibák jelzésére szolgál az Internet Vezérlüzenet Protokoll (ICMP). Vannak a hálózati rétegnek egyéb protokolljai is. Az Internet célja az volt, hogy olyan kapcsolatot hozzon létre, amely bármelyik résztvev kiesése esetén is mködképes, valamint ami különböz adatsebesség igényeket is kielégít. Mindennek kielégítésére az Internet hálózati rétegenként egy csomagkapcsolt hálózatot valósítottak meg, amely összekapcsolja a különböz számítógép-hálózatokat anélkül, hogy összeköttetéses hálózati szolgálat létesülne közöttük. Az IP mködése során az egyik legfontosabb feladat a csomagok útválasztása a torlódás elkerülése érdekében. Mindezek alapján az Internet réteget az OSI hálózati rétegének feleltethetjük meg. A 23.41. ábrán látható, hogy a kétféle hivatkozási modellben egyes rétegeknek egymástól eltér a szintjük, azaz nem feltétlenül ugyanazt a feladatkört jelenti egy réteg a két modellben. A TCP/IP-beli hálózati (Internet) réteg például azért keskenyebb mint az OSI hálózati réteg, mert az Internet réteg elssorban nem csomópontok, hanem hálózatok (mint pl. Ethernet) között végzi a címzést és az útválasztást. A helyi hálózatban a gazdagépek közötti adatforgalom a hálózatelérési rétegen keresztül zajlik. c, Szállítási réteg A TCP/IP szállítási (transport) réteg kézbesítési szolgáltatást nyújt a felette lév alkalmazási rétegnek. A réteg egy másik elnevezése: gazdagéptl-gazdagépig (host-to-host) réteg, mivel a két közlési végpontot alkotó gazdagép között hoz létre egy közvetlen látszólagos kapcsolatot (virtual link). A TCP/IP-ben a két legfontosabb szállítási rétegprotokoll a TCP, amely egy összeköttetéses szállítási protokoll és az UDP, amely egy összeköttetés-mentes szállítási protokoll. A 23.41. ábrán láthatóan a TCP/IP szállítási réteg több nagyobb feladatkört ölel fel, mint az OSI szállítási réteg, mivel a TCP/IP szállítási protokollok végzik az OSI viszony réteg feladatai közé tartozó logikai összeköttetések létesítését a rendszerek között és az összeköttetés befejezését a viszony végén. Ez utóbbi feladatkört csak a TCP protokoll végzi, a szintén TCP/IP szállítási protokollként mköd UDP nem. d, Alkalmazási réteg Az alkalmazási (application) rétegben vannak a legfels szint programok, amelyek a felhasználói és a hálózati kapcsolatot biztosítják. 23.5.2. Az Internet jellegzetes protokolljai A 23.42. ábra bemutatja a TCP/IP protokoll halom egyes rétegeiben leggyakrabban elforduló protokollokat, melyek közül a hálózatelérési réteg f protokolljai az elz fejezetekben már bemutatásra kerültek, a többi protokollról pedig a késbbiekben részletesen szó lesz.

49

Alkalmazási

DNS, FTP, http, POP3, Rlogin, SMTP, Telnet

Szállítási

TCP

BOOTP, DHCP, DNS, NFS, RIP, SNMP UDP

Ping Traceroute

-

IP

Hálózati Hálózatelérési

-

ICMP

ATM, Ethernet, ARP, RARP FDDI, Kerettovábbítás, Token Ring, HDLC, WLAN

OSPF, IGMP SLIP, PPP RS-232, PSTN, ISDN

23.42. ábra: Az Internet jellegzetes protokolljai Az Ethernet keret rétegenkénti elállításának elvét szemlélteti a 23.43. ábra. €>+ ‡%

?   '

‡%

?  ' ‚"  

^ '   

23.43. ábra: A keret, csomag, fej és hasznos „teher” kapcsolatrendszere A keret rétegenként egy fejrészbl és az adatokat tartalmazó „hasznos teher”-bl áll. Az egyes rétegeken hozzátevdik egy új fejrész, a további rész „beágyazásra” kerül az új keretbe. A 98-as (39 38 ASCII-ben) adat küldése esetén a 23.44. ábra a fejrészek elnevezését mutatja. &"

"

„+  

ŸY 

?~ ˜! %† €> 

?‚ !%

#  €‚! %

&" >+



‚!%

^ '  !%

23.44. ábra: Az egyes Internet rétegek fejrésze az adat elállításától az Ethernet keretig A 98-as adat a különböz számrendszerekben:

50

x x

A 9 ASCII hexadecimal formátuma: 39 h = 00111001b A 8 ASCII hexadecimal formátuma: 38 h = 00111000b

Az adatok és a réteg protokollok beágyazását küldés, ill. vétel esetére mutatja a 23.45. ábra a négy Internet rétegen. _" ‡' @ " | }

&" ŸY

&

&" ŸY

T

A

&" ŸY

I

T

A

&" ŸY

I

T

A

& >

%' ‡+ƒ

‚  

$"  

$"  

‡>

Célcím ]‹%

23.47. ábra: IP fejrész ( 5 * 4 = 20 bájt) Az IHL az IP fejléc 32 bites szavakban mért hosszát adja meg. Legkisebb értéke 5, ami 5 * 4 = 20 bájt-os fejlécet jelent. A szolgáltatás típusa mezben definiálható az üzenetek prioritása. 23.5.3.2. Címzési rendszer A címzési rendszer kialakításánál azt a valóságos tényt vették figyelembe, hogy a címzés legyen hierarchikus: azaz vannak hálózatok, és ezen belül gépek (hosztok). Így célszer a címet két részre bontani: egy hálózatot azonosító, és ezen belül egy, a gépet azonosító címre. Mivel a cím hossza 32 bit ezért ezt kellett két részre bontani, olyan módon, hogy a nagy hálózatokban lév sok gépet is meg lehessen címezni. Négy ill. 5 különböz formátum használható, ahogy ezt a 23.48. ábrán bemutatjuk.

53

23.48. ábra: IP címek A cím négy bájtját szokásos közéjük pontokat írva, a bájtok decimális megfeleljével leírni. Az els három címforma 128 hálózatot hálózatonként 16 millió hoszttal (A osztályú cím), 16 384 hálózatot 64 K-nyi hoszttal (B osztályú cím), illetve 2 millió hálózatot, (amelyek feltételezheten LAN-ok), egyenként 254 hoszttal azonosít. Az utolsó eltti címforma (D osztályú cím) többszörös címek (multicast address) megadását engedélyezi, amellyel egy datagram egy hosztcsoporthoz irányítható. Az utolsó címforma (E) fenntartott. A címzéseknél a hálózat és hoszt címének szétválasztására cím-maszkokat (netmask) használnak és alkalmazásakor bitenkénti ÉS mveletet végezve az IP cím és a cím-maszk között, különítik el a hálózati címet. C osztályú címek esetén ezért a maszk: 255.255.255.0, míg B osztálynál: 255.255.0.0, stb. A címzésnél bizonyos címtartományok nem használhatók. A 127-el kezdd címek a “loopback” (visszairányítás) címek, nem használhatók a hálózaton kívül, a hálózatok bels tesztelésére használható. A hoszt címrészbe csak 1-eseket írva lehetséges az adott hálózatban lév@ összes hosztnak üzenetet küldeni (broadcast). Például a 195.13.2.255 IP címre küldött üzenetet a 193.13.2 cím hálózatban lév összes gép megkapja. Ha a hoszt címrésze 0, az az aktuális hálózatot jelöli. Ha a hálózati cím 0, az az aktuális hálózatot jelöli. Például a saját géprl 0.0.0.0 címre küldött üzenet a saját gépre érkezik. Az Internetben a rétegeknek megvan az egyedi azonosítója a címzéshez: Réteg

Címzési módszer

Alkalmazási

Hoszt neve, portja

Internet

IP cím

Hálózat elérési

Fizikai cím

23.5.3.1. TCP (átvitelvezérlési protokoll) Alapszolgáltatások A TCP (Transmisson Control Protocol) kapcsolat alapú protokoll, ami annyit jelent, hogy a protokoll az adatok küldése eltt kapcsolatot épít ki a két állomás között. A kapcsolat megléte lehetvé teszi, hogy ellenrizze az egyes csomagok megérkezését, és hiba esetén újra átküldje a meghibásodott vagy elveszett csomagokat. E beépített lehetségeknek természetesen ára van - megnövekszik a fejléc mérete, valamint a feldolgozás ideje.

54

A TCP alapszolgáltatásai a következk: x x x x x x x

nagyobb adattömbök tördelése az IP által elfogadható méretre, amely eljárást szegmentálásnak hívjuk, hogy elkülöníthessük az IP hasonló mveletétl, adatfolyam visszaállítása a kapott adatcsomagból, fogadás nyugtázása, csatolószolgáltatások, amelyekkel egyidejleg több kapcsolat tartható fenn a távoli állomások portjaival, csomagellenrzés és hibajavítás, folyamatszabályozás, csomagsorszámozás és sorbarendezés.

A fenti szolgáltatások hatékony megvalósításához a TCP portokat és csatolókat (socket), kapcsolat alapú adatcserét, csúszóablakokat, sorszámokat és nyugtázást használ. Portok Az IP egyszeren elvezeti az üzenetet a célállomáshoz a megadott IP cím alapján. A TCP-nek azonban azt is tudnia kell, milyen folyamathoz (programhoz) juttassa el az adatokat a célállomáson. Erre egy igen egyszer eszközt alkalmaz - meghatároz egy 1 és 65 535 közti számmal azonosított portot. Csatolók A hely és az alkalmazás együttes azonosítására a csomag valódi rendeltetési helyeként egy csatolót, vagyis egy IP cím és egy port együttesét határozhatjuk meg. Az IP címet fizikailag az IP fejlécben, míg a port sorszámát a TCP, illetve UDP fejlécben találhatjuk. A TCP helyes mködéséhez mind a forrás-, mind a célállomáson szükség van egy-egy csatoló megadására. A protokoll emellett alkalmas egy porthoz több csatolót is fenntartani. Sorszámok A TCP egyik fontos tulajdonsága, hogy az adat minden átküldött bájtja egyedi, 32 bites sorszámmal rendelkezik. Természetesen ez nem azt jelenti, hogy minden bájthoz egy 32 bites számot csatolnának, hanem arról van szó, hogy az egyes szegmensek els bájtjának sorszámát tároljuk a TCP fejlécben, a többit pedig a fogadó maga is ki tudja számolni. Mieltt bármilyen adatátvitel történne, a küld és a fogadó félnek meg kell egyeznie abban, hogy milyen kezdsorszámokat (ISN) használjanak. Ezt a folyamatot nevezzük a kapcsolat kiépítésének. A TCP támogatja a teljes duplex adatátvitelt, ezért mind az ügyfél, mind a kiszolgáló kiválasztja a kezdeti sorszámait a kapcsolathoz - még akkor is, ha adott esetben az adatáramlás egyirányú. A sorszámot ezért egy 32 bites programozott számláló állítja el, amely rendszerindításkor indul, és nagyjából 4 milliomod másodpercként eggyel n (bár a sebesség operációs rendszerenként eltér lehet). A kapcsolat kiépítésénél a TCP leolvassa a számláló értékét, és ezt használja kezdsorszámként. Mindez nagyjából véletlenszer kezdsorszámokat ad. A kapcsolat fennállása során elfordulhat, hogy a sorszám eléri a 65 535-öt, és 0-ra ugrik. A TCP ezt a helyzetet is nagyszeren kezeli. Nyugtázási számok A TCP a fogadott adatokat szegmensenként nyugtázza, bár elfordulhat az is, hogy több, egymás után következ szegmenst egyszerre nyugtáz. A sikeres átvitelt jelz nyugtázási szám az utolsó fogadott bájt sorszáma +1, vagyis a következként várt sorszám. Tegyük fel, hogy 10 bájtot küldünk át, 33-as kezd sorszámmal - ez azt jelenti, hogy az els bájt sorszáma a 33, az utolsóé pedig 42. Ha a szegmens fogadása rendben lezajlott, a küld a 43-as nyugtázási számot (ACK) kapja vissza. Ebbl megállapítja, hogy a fogadás valóban sikeres volt. A TCP 55

nem képes szelektív nyugtázásra, vagyis ha a csomagok sorában egy hibás, akkor ennek a szegmensnek els bájtja sorszámát adja vissza - vagyis a küld kénytelen újra átvinni az ez után következ csomagokat (még akkor is, ha ezek egyébként rendben megérkeztek). Az elzekbl nyilvánvaló lehet, hogy ha a küld kétszer ugyanazt a nyugtázási számot kapja meg, valami hiba történt e sorszám után az adatátvitelben. A fejlécben található sorszám és nyugtázási szám nem áll kapcsolatban egymással, hiszen az elbbi a kimen, míg az utóbbi a bejöv adatokhoz tartozik. A kapcsolat kialakításánál a két állomás kezdeti sorszámának beállítása független egymástól, így ezek a számok még csak nem is lehetnek hasonlóak. Csúszóablakok A biztonságos adatátvitel szempontjából fontos az adatátvitel nyugtázása. Ezt a TCP a pozitív nyugtázás újraküldéssel nev módszerrel oldja meg, amelyben megköveteli a fogadó féltl, hogy meghatározott idn belül nyugtázza az adatok fogadását. Az adó elindít egy idzítt, amelynek lejárata után az üzenet egy újabb példányát küldi át. Ezt a helyzetet mutatja be a 23.47. ábra. Ügyfél

Kiszolgáló

1-es csomag küldése, idzít indul Idtúllépés 1-es csomag újraküldése, idzít indul

Csomag elvész

Csomag fogadása, ACK visszaküldése

ACK 1 fogadása idzít visszaállítása

23.4Ÿ. ábra: A pozitív nyugtázás elve A TCP a pozitív nyugtázás csúszóablakos típusát alkalmazza, mivel igen idrabló volna minden egyes csomag után megvárni a beérkez nyugtázásokat. Ezért egyszerre több csomagot küld át (melynek összmérete nem haladhatja meg az „ablak” szélességét), és csak ezután kezdi várni az els csomag nyugtázását (hiszen ez késlekedhet némiképp). Ha a nyugtázások beérkeztek, az ablak továbbcsúszik, és az adó újabb csomagokat küld. A TCP kapcsolat kialakítása során az állomások tájékoztatják egymást az általuk használt ablakméretrl. A Windows 95/98 rendszerekben ez jellemzen 8 K vagy 8192 bájt körül van, ami Ethernet hálózatok esetén 5 teljes adatkeret (vagyis 5 x 1460 = 7300) nyugtázás nélküli átvitelét jelenti. Ezután azonban az ablak fennmaradó mérete 1000 bájt alá csökken, ami gyakorlatilag azt jelenti, hogy az átvitel szünetel, amíg nyugtázó üzenet nem érkezik. Kapcsolat kiépítés A TCP a kapcsolat kiépítésére háromlépéses SYN/SYN, ACK/ACK kézfogást alkalmaz (lásd a 23.48. ábrát). Mivel teljes duplex kapcsolatról van szó, lehetséges (st követelmény) a kétirányú kapcsolat egyidej kiépítése. Amint a korábbiakban említettük, a TCP látszólag véletlen sorszámokat készít egy 32 bites számláló segítségével, amely rendszerindításkor indul, és 4 milliomod másodpercenként eggyel n. A kapcsolatot kiépít állomás kiolvas e számlálóból egy 0 és 232-1 közti egész számot, amit ezután elhelyez a sorszám mezben. Ezt követen 1-re állítja a SYN jelzt, és elküldi a fejlécet (egyelre adatok nélkül) a megfelel

56

IP címre és porthoz. Ha például a 132-es sorszámot kaptuk, ezt a mveletet röviden SYN 132vel jelöljük. Ügyfél SYN keret küldése, a kiszolgálónak

Kiszolgáló SYN X

ACK X +1 SYN Y

A SYN keret fogadásának nyugtázása ACK üzenettel

A SYN keret fogadásának nyugtázása ACK üzenettel, valamint SYN üzenet küldése egyazon keretben

ACK Y +1

23.\Z. ábra: A TCP kapcsolat kiépítése A fogadó gép (vagyis a kiszolgáló) mindezt úgy nyugtázza, hogy növeli a sorszámot 1-gyel, és ezt nyugtázási számként visszaküldi a küldhöz. Mindeközben az ACK jelzt 1-re állítja, jelezve, hogy nyugtázásról van szó. Mveletünk röviden ACK 133. Ugyanekkor a kiszolgáló egyúttal egy Y sorszámot is kér saját számlálójától, beilleszti a fejlécbe, és a SYN jelzt is 1-re állítja a kapcsolat másik irányú kiépítéséhez. A fejlécet ezután elküldi a másik gépnek (az ügyfélnek) a mvelet röviden SYN 567. A fejlécben átvitt összetett üzenet végül is ACK 133, SYN 567. Az ügyfél fogadja az üzenetet, észleli, hogy eredeti kérelme meghallgatásra talált, és nyugtázza a másik csomópont kapcsolati kérelmét az ACK 568 üzenettel. A kétirányú kapcsolat ezzel létrejött. Kapcsolat lezárása A fennálló kapcsolatok megszakítására több mód ismeretes. Elször is, bármelyik gép kérheti a kapcsolat lezárását a FIN jelz beállításával. A másik gép nyugtázhatja ezt az ACK üzenettel, de nem kell feltétlenül azonnal lezárnia a kapcsolatot a maga oldalán, hiszen elfordulhat, hogy adatokat kell még küldenie. Ezt a helyzetet nevezik fél-lezárásnak. Ha a másik fél is elkészült,  is küld egy FIN üzenetet, amelyre ACK nyugtázást vár. Ezt követen a kapcsolat teljesen lezárttá válik (23.49. ábra). Másodszor, bármely csomópont lezárhatja a kapcsolatot egy RST üzenet küldésével, amelynek hatására a másik fél is eláll a kapcsolat fenntartásától. Visszajelezhet egy ACK üzenettel, de ez nem kötelez. Ügyfél Kiszolgáló

Ügyfél Kiszolgáló FIN üzenet küldése a kiszolgálónak

FIN ACK FIN

A kiszolgáló nyugtáz (teljes lezárás)

A kiszolgáló nyugtáz, de még nem készült fel a lezárásra (fél-lezárás)

RST

Az ügyfél nyugtáz A kiszolgáló már lezárna, ezért egy (nem kötelez) FIN üzenetet küld az ügyfélnek

ACK

A kiszolgáló egyoldalúan bontja a kapcsolatot

ACK

23.\]. ábra: Kapcsolat lezárása

57

A TCP adatkeretet a 23.5q ábra szemlélteti. ‚!%

€‚!%

&" 

qZ%

qQ%

&" 

‡  >

€' > „>

– & ‚ „ ‡ ^ ƒ ‡+ ƒ  € „ „ ž &   ‘  ?  < < ^ $+ „_++>  @    Z

 $ 

]‹

q

A három bets rövidítések jelentése: URG ACK PSH RST SYN FIN

A sürgsségi mutató mez érvényes A nyugtázás érvényes A szegmens push mveletet igényel Kapcsolat bontása Sorszámok összehangolása A küld adatai végére ért

23.5q. ábra: TCP adatkeret A fejléc mezinek jelentése a következ: Forrásport: 16 bit A forrás portjának száma. Célhely port: 16 bit A cél portjának száma. Sorszám: 32 bit Az aktuális szegmens els adatbájtjának sorszáma, kivéve, ha a SYN jelz értéke 1. Ez utóbbi esetben a kapcsolat kiépítése folyamatban van, így a fejlécben a kezdeti sorszám (ISN) szerepel. Az els ezt követ adatbájt sorszáma ISN + 1. Nyugtázási szám: 32 bit Amennyiben az ACK jelz értéke 1, ez a mez tartalmazza a következként várandó adatbájt sorszámát. Ha a kapcsolat kiépült, ez a mez minden fejlécben szerepet kap. (Lásd korábban a nyugtázási számokról szóló részt). Eltolás: 4 bit Az TCP fejlécben található 32 bites szavak száma (hasonló az IP fejléc IFH mezjéhez), ami az értékes adatok kezdetét jelzi. A TCP fejléc hossza (még ha beállításokat tartalmaz is) mindig a 32 bit egész számú többszöröse. Foglalt: 6 bit Késbbi használatra tartják fenn. Tartalma kötelezen 0. 58

Ellen@rz@ összeg: 16 bit Jelz@k: 6 bit Ebben a mezben szerepel a fejléc és az adatok 16 bites szavainak egyes komplemens összege (0 esetén az eredményt a rendszer FFFF-re módosítja). Amennyiben a szegmens páratlan számú adat-oktettet tartalmaz, a gép kiegészíti az utolsót a jobb oldalon egy 0 oktettel, hogy elkészíthesse az ellenrz összeget. A kitöltés nem utazik az üzenettel - az ellenrz összeg számításakor maga az ellenrz összeg mezje lesz 0. A fentiekben az Internet szabványos ellenrz összegét mutattuk be - ez használatos az IP fejlécben is. Ellenrz összegünk hatáskörébe von egy 96 bites „álfejlécet” is, ami tartalmazza a forrás és a cél IP címét, a protokoll számát (06), valamint a TCP üzenet hosszát. Fontos tudnunk, hogy ez az álfejléc kizárólag a számítás céljából készül el, fizikai valójában nem visszük át a hálózaton. Szerepe, hogy megvédje a TCP-t az eltévedt szegmensektl. Ablak: 16 bit Azon adat-oktettek száma, amelyeket - a nyugtázási mezben jelölttl kezdve - a szegmens küldje fogadni képes, illetve fogadni szándékozik. Sürg@sségi mutató A sürgs adatok a keret elejére kerülnek, ez a mutató ezek tömbjének végére mutat (a sorszámhoz, vagyis a keret els bájtjának címéhez viszonyítva). A rendszer csak akkor foglalkozik ezzel a mezvel, ha az URG vezérlbit értéke 1. Beállítások A beállítások a TCP fejléc végén állnak, hosszuk a 8 bit többszöröse lehet. Minden beállítás bekerül az ellenrz összegbe. 23.5.4. UDP (felhasználói adat protokoll) Alapszolgáltatások Az állomás-állomás réteg másik protokollja az UDP, amely a TCP-hez hasonlóan az IP-t használja az adatcsomagok (datagramok) továbbítására. Az UDP „kapcsolat nélküli”, vagyis nem kapcsolat alapú protokoll, amelynek nincs szüksége arra, hogy az adatátvitel megkezdése el@tt a két gép kapcsolatot építsen ki. Mindezek miatt ezt a protokollt „megbízhatatlannak” nevezik - ellentétben a „megbízható” TCP-vel. A TCP-hez hasonlóan a csomagok itt is csatolókhoz, illetve portokhoz jutnak el - most azonban semmi sem biztosítja, hogy az üzenetek hibátlanul célba érnek, sorrendjük megfelel lesz, illetve eljutnak egyáltalán rendeltetési helyükre. Az UDP adatcsomagok küldése igen csekély terhelést jelent, hiszen nincsenek összehangolási paraméterek, elsbbségi beállítások, sorszámok, újraküldési idzítk, vagy késleltetett nyugtázás, és a csomagok újraküldésére sem kell ügyelni. A fejléc rövid - a protokoll gyors és hatékony mködést biztosít. Az egyetlen lényeges hátrány, hogy a célba érkezés nem biztosított. Ezért az UDP-t adatszórás, általános hálózati bejelentések, illetve más valósidej adatok átvitele esetén alkalmazzák. A protokoll különösen alkalmas hang- és videofolyamok átvitelére, ahol követelmény az alacsony átviteli költség, és az elveszett csomagok újraküldése kifejezetten káros volna.

59

Az UDP keret (User Datagram Protocol) Az UDP keret egy fejlécbl és adatokból áll, felépítése a 23.5. ábra szerinti. UDP adat struktúra ‚!%

–ˆ‚!%

&" 

qZ%

Y%

&" 

‡'| }

€'| }

#  ' Z

–ˆ‚ $+ ]‹

23.5. ábra: UDP keret struktúra

60

q

24. HÁLÓZATMENEDZSELÉS/HÁLÓZAT-MENEDZSMENT 24.1. Bevezetés A hálózati funkciók összehangolása, a hibadetektálás, a bvítés/csökkentés kezeléséhez szükség van a hálózat felügyeletére, menedzselésére. A hálózatmenedzselés célja: x x

az üzemeltetési és karbantartási (Operation and Maintenance) feladatok ellátása, döntéshozók informálása (szabályozási, jogi, gazdasági kérdések).

A hatékony hálózatmenedzselés eredménye: x x x x x

bevételek védelme és növelése, csökken üzemi költségek, nagyobb versenyképesség, jobb hálózatminség, fejlettebb szolgáltatások.

A hálózat-menedzsment definíciója: azon erforrások irányítása, koordinálása és felügyelete, amelyek a hálózati kommunikáció lebonyolításáért felelsek. A hálózat menedzselésénél fellép követelmények az alábbi szempontok szerint csoportosíthatóak. a, A hálózat kielégít@ m]ködéséhez szükséges funkciók: x x x

a hibák detektálása és a korrekció elkészítése, a hálózati kommunikáció minségének (válasz id, hibás telegramok száma, terhelési adatok, stb.) figyelése az infrastruktúra komponensek monitorozása révén, a hálózat bvítésével (új hardver, szoftver, protokollok, stb.) kapcsolatos teendk ellátása.

b, A m]ködéssel kapcsolatos hibákra adott automatikus vagy félautomatikus válaszok: x x x

a hiba eseményre adandó válasz pl. konfiguráció módosítás valósidej végrehajtása, a redundancia koncepció szerinti válasz végrehajtása (pl. infrastruktúra váltás), hálózati behatolás (hacker) detektálása.

c, A környezetben történ@ változásokra adott dinamikus válaszok: x x

a hálózati struktúrában vagy a konfigurációban történ változtatások automatikus végrehajtása, az átviteli sávszélesség automatikus módosítása,

d, A hálózat menedzselése: x x

a központi hálózati irányítás és figyelés osztott funkciókkal, az adatbázis hatékony elállítása és karbantartása a konfigurációs és az ellenrzött adatoknak megfelelen.

A hálózat-menedzsment architektúra ún. menedzser-ágens (manager-agent) architektúra, amely a következ kulcs komponenseket tartalmazza: x x x

menedzselt (felügyelt) eszközök, menedzsment (felügyel) állomások, menedzsment (felügyeleti) protokollok,

61

x

menedzsment (felügyeleti) információ bázis (MIB).

Ezt a 24.1. ábra szemlélteti. ~ "  $

~ ">

>

~ "

~  > "'

 ; %



~ ">

  

+ 

~  + '

24.1. ábra: Menedzser-ágens architektúra A hálózat menedzselését menedzser állomások (manager stations) végzik egy speciális menedzsment szoftver révén. A menedzser állomás kérdéseket intéz az ágensekhez. A menedzselt eszközök a hálózat résztvevi, mint pl. hosztok, router-ek, switch-ek, hidak, stb. Az ágensek kommunikálnak a menedzser állomással, fogadják annak kéréseit, válaszolnak a kérésekre, vagy kérés híján bejelentkeznek. Valamennyi menedzselt eszköz karbantart egy vagy több változót (pl. hálózati interfész kártya paraméterei, konfigurációs paraméterek, stb). Ezeket menedzselt objektumoknak (managed objects) hívják. Ezen menedzselt objektumok gyjteménye a menedzsment információs bázis (Management Information Base - MIB). A hálózat-menedzsment protokoll a menedzser-intéz és az ágens (ügynök) közötti kommunikációhoz szükséges eljárásrendet tartalmazza. A hálózat-menedzsment során a menedzser és az ágens közötti kapcsolatrendszert az alábbi szempontok szerint célszer csoportosítani: x x x x

funkcionális aspektus, információs aspektus, kommunikációs aspektus, szervezési aspektus.

A hálózat-menedzsment (Network Management) öt f területre osztható: Hálózat-menedzsment

Elszámolás menedzsment

Konfiguráció menedzsment

Teljesítmény menedzsment

Biztonság menedzsment

A hálózat-menedzsment funkciók kapcsolatrendszerét a 24.2. ábra mutatja.

62

Hiba menedzsment

24.2. ábra: Hálózat-menedzsment funkciók a, Hiba menedzsment (Fault management) A hiba menedzsment biztosítja a magas szint hálózati mködést és rendelkezésre állást. Tartalmazza a hibadetektálással és a hiba korrekcióval kapcsolatos összes feladatot, amit ilyen esetben a hálózatnak el kell látnia. Ezt a hálózat és a kapcsolódó rendszer állandó figyelésével látja el. A hiba menedzsment három f@ feladata: x x x

hibadetektálás, a hálózati események állandó figyelése, hibaüzenet elállítása, a hibaüzenet továbbítása a menedzserhez, hibadiagnosztika, amely az események és a hiba riportok analízisén alapul és a hiba típusának és az okának meghatározását eredményezi, hibajavítás, ami a hiba kijavításával kapcsolatos szoftver indítását eredményezi és értesíti a rendszeradminisztrátort.

$hibakezelés eszközei: x x x x

naplók karbantartása és vizsgálata, hibabejelentések fogadása és kezelése, hibák nyomon követése, diagnosztika, teszt.

b, Konfiguráció-menedzsment (Configuration management) A konfiguráció-menedzsment tartalmazza a hálózati konfigurációval kapcsolatos összes funkciót, mint pl. megjelenítés, monitorozás, és a konfigurációs paraméterek módosítása. A konfiguráció-menedzsment tehát az alábbi funkciókat tartalmazza: x x x x x

tárolja az aktuális hálózati konfigurációs adatokat, tárolja a konfigurációs adatok változtatását, inicializálja a menedzselt objektumokat, azonosítja a hálózati komponenseket, megváltoztatja a menedzselt objektumokat.

c, Teljesítmény-menedzsment (Performance management) A teljesítmény-menedzsment feladata a hálózat mködésével kapcsolatos információk gyjtése, szolgáltatása. A teljesítmény-menedzsment az erforrások kihasználtságát, a kommunikáció hatékonyságát felügyeli.

63

Funkciók: x x x x

forgalmi adatok gyjtése, rendszer (kihasználtsági, terheltségi) állapotának naplózása, teljesítképesség vizsgálata üzemi körülmények között, mködés beállítása, optimalizálása.

d, Elszámolás-menedzsment (Accounting management) Feladata: a hálózati erforrások használatának nyomon követése. Funkciók: x x x

erforrások használatának mérése, felhasználók tájékoztatása a használt erforrásokról, költségekrl, tarifák és kvóták meghatározása.

e, Biztonság-menedzsment (Security management) Feladata: a hálózat és a rajta futó alkalmazások biztonsági követelményeinek támogatása. Funkciók: x x x

biztonsági szolgáltatások és mechanizmusok vezérlése, hozzáférési jogok és információk szétosztása, események naplózása és jelentése.

A biztonságkezelés fenti funkciói az alábbiakra terjednek ki: x x x x

jogosultság figyelés, hozzáférés ellenrzés, titkosítás és kulcsmenedzselés, hálózati biztonsággal kapcsolatos események (pl. behatolás).

A hálózat menedzselésre példaként a Foundation Fieldbus esetében használt rendszermodellezési funkcióra utalunk. Ezt az IPARI KOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK I. kötetben a 10.2. pontban találjuk. Itt csak illusztrálásként mutatjuk be, de megértéséhez a hivatkozott fejezet és kommunikációs rendszer (FF) ismerete nélkülözhetetlen. Bevezetésként a Foundation Fieldbus architektúrát mutatja a 24.3. ábra.

SMK

AP

APK

Hálózat menedzselés

DD FBO

FB AP SMIB

OD

Fieldbus üzenetszolgáltatások (FMS) Csatlakozás nélküli és csatlakoztatás orientált szolgáltatások Közeghozzáférés és fizikai réteg (MAC, PHY)

24.3. ábra: Foundation Fieldbus architektúra Az ábrán szerepl blokkok jelentése az alábbi: AP SMK

64

Application Process System Management Kernel

Alkalmazások Rendszer menedzsel kernel

OD

NMIB

FB AP DD NMIB NMA OD SMIB MAC FMS FBO

Function Block Application Processes Device Descriptions Network Management Information Base Network Management Agent Object Dictionaries System Management Information Base Medium Acces Protocol Fieldbus Message System Function Block Objects

Funkcióblokkok Elemleíró adatállomány Hálózat menedzselési információk Hálózat menedzselés Objektum könyvtárak Rendszer menedzselési információk Közeghozzáférési protokoll Fieldbus üzenet szolgáltatások Funkcióblokk objektumok

Hálózat- és rendszermenedzselés a Foundation Fieldbus rendszerben A FF rendszerben külön réteget nem képez, de az egyes rétegekkel szoros kapcsolatban álló egység a hálózat illetve a rendszer irányítási feladatokat látja el. Ezt a 24.4. ábra szemlélteti.

24.4. ábra: A hálózat és rendszer menedzselési funkció kapcsolata a rétegekhez A felügyelet vonatkozik a rendszerre és a hálózatra egyaránt. A virtuális terepi eszközök (Virtual Field Device - VFD) biztosítják a rendszer menedzselési információs bázishoz (System Management Information Base - SMIB) való hozzáférést. Az NMIB (Network Management Information Base) adatbázisnak az adatai tartalmazzák a virtuális kommunikációs kapcsolatokat (Virtual Communication Relationship - VCR), a dinamikus változókat, a rendszerütemez táblázatait, a rendszerórát. Az SMIB adatai tartalmazzák az elemcímet, a tervjelet, és nem utolsósorban a táblázatokat a feladat végrehajtás számára. Rendszer-menedzselési kommunikáció (VCR) Ez a kommunikációt a rendszerirányítási feladatok végrehajtásának támogatására fejlesztették ki. A rendszer-menedzser egység beállíthatja, vagy törölheti a PD tag-et vagy egy eszköz címet. A kommunikáció két részbl áll. Elször a rendszer-menedzser a LAS kezdeményezésére lekérdezi az eszközöket, majd ugyancsak a LAS kezdeményezésére az eszközök megküldik válaszukat a rendszer-menedzsernek. Ehhez a kommunikációhoz speciális protokoll használatos (24.5. ábra).

65

24.5. ábra: FF rendszer-menedzselési kommunikáció Az ipari Ethernet hálózattal kapcsolatos menedzselési funkciókat az SNMP (Simple Network Management Protocol) látja el. 24.2. SNMP (egyszer] hálózat-felügyeleti protokoll) Az SNMP (Simple Network Management Protocol) az alkalmazási réteg protokollja, amely lehet@vé teszi a hálózati eszközök között a felügyeleti adatok cseréjét. A rendszerfelügyelk számára eszközt biztosít a hálózat teljesítményének szabályozására, a hibák felderítésére és kijavítására, valamint megkönnyíti a hálózat bvítésének tervezését. A protokollnak jelenleg három változata létezik - az SNMPv1, az SNMPv2 és az SNMPv3. Ezek számos közös tulajdonsággal rendelkeznek, bár a 2-es változat bizonyos területeken például a protokollmveletek tekintetében - bvebb eldjénél. Az SNMP fejldésének idbeli állomásait a 24.6. ábra mutatja.

66

„

'@

 !>ƒ 

24.9. ábra: Az SNMP protokoll alapvet mveletei Az SNMP szolgáltatási mechanizmusát a 24.10. ábra mutatja. ~ ">

>

„ " –ˆ‚ –ˆ‚ ‚ ‚ &"    

?@



‘  

„ ¤

~ " % > ‘ 

~ "  $ & > % >  > "

„ 

„† " &

&  > 

„† " &

a,

„† " &

& >  ‚€ ‚€ „† " &

& > ž ‚€  ‚€ „† " &

‚€ „† " &

b,

24.14. ábra: Rendszer integráció driver-ekkel (a) és OPC-vel (b) E probléma megoldásának kulcsa egy olyan szabvány, amely igazi „plug-and-play” szoftvertechnológiát biztosít az ipari folyamatirányítás terén, ahol minden eszköz és driver szabadon összeköthet és kommunikálhat egymással. Ennek a szabványnak OPC (OLE for Process Control), a neve. Az OLE napjainkra átstrukturálódott és objektum orientáltság helyett objektum (komponens) alapúra változott, amit Active-X elnevezéssel jeleznek. Az OPC tehát egy új szabványos szoftvertechnológia, amely összekapcsolja a Windows alapú folyamatirányító vagy mérrendszereket az üzemi szinten található legkülönbözbb terepi eszközökkel. Az OPC a Microsoft COM/OLE technológián alapul, meghatározza, hogy az önálló szoftverkomponensek hogyan mködjenek együtt, hogyan, miként történjen az irányítórendszer adatainak Windows-os környezetbeni kezelése. OPC szerver(ek) segítségével nyitott folyamatirányító rendszerek hozhatók létre. Az OPC szerver „egyik oldala” ersen cégfügg, másik oldala viszont univerzális. Tehát minden irányító eszközt gyártónak érdeke, hogy termékeinek illesztéséhez OPC szervert fejlesszen és ajánljon. Az OPC szerver rendszerint Microsoft Windows NT operációs rendszeren fut és az irányítástechnikai készülékekkel valamilyen hálózaton (terepi busz) kommunikál. A hálózati alkalmazásokra a COM (Component Object Model) modellt továbbfejlesztették az osztott mködéshez szükséges funkciókkal. Ezt DCOM-nak nevezték el. A DCOM egy 73

~+%   "

^ '  '@

‚€  

‚˜€ „> @+ „ ">

  >

+

ƒ > @ "

> ">

 §

 

? ‚

€‚

„

 †   $>+'% @

&'@ 

!

„ '>+'% @

&„ '+ '

24.18. ábra: Beágyazott menedzsment szoftver blokkdiagramja A 24.18. ábra szerint egy tipikus beágyazott menedzsment rendszer az alábbi szoftver típusokat tartalmazza: x x x

beágyazott real-time operációs rendszer a valósidej mködést igényl alkalmazásokhoz, IP protokoll stack, amely a szükséges szoftvertámogatást biztosítja (ARP, ICMP, UDP stb.), SNMP protokoll.

Az SNMP monitor konfigurációjának általános beállítását szemlélteti a 24.19. ábra. A további beállításokat lásd a www.ipsentry.com

75

24.19. ábra: SNMP monitor konfigurációs ablak

76

25. AZ IPARI ETHERNET TECHNOLÓGIA q)ˆ*  ÉS ESZKÖZEI Ebben a fejezetben az ipari Ethernet ' @+!%" >  %  "   %n +Œ^ !%"+> 25.1. ábrán láthatjuk a Siemens gyártmányokon keresztül.

25.1. ábra: Az ipari Ethernet technológia fejldése 25.1. Az ipari Ethernet topológiák fejldésének története Az automatizálási eszközök fejlesztésével foglalkozó szakemberek figyelme 1980-tól az Ethernet hálózat ipari alkalmazása felé fordult annak számos elnye miatt. Az els ipari Ethernet hálózattól hosszú id telt el a valós-idej Ethernet hálózat megjelenéséig. Az ipari Ethernet terminológia tulajdonképpen ipari igényeket kielégít hálózatot jelent. A valós-idej (real-time) igényeket kielégít hálózatot real-time Ethernet (RtE) hálózatnak nevezik. Ennek fejldéstörténetét a 28. fejezetben mutatjuk be. Az Ethernet buszrendszer Az 1980-as években megindult Ethernet fejlesztés busz-topológiára épült és maximum 1024 node osztozott a a 3-4 Mbps átviteli sebességen. Ez a busz rendszer 1983-ban IEEE 802.3 számon került szabványosításra. Ez a megoldás SINEC H1 néven 1985-ben került alkalmazásra. A megoldás azonban a CSMA/CD közeg hozzáférési technika miatt nem volt alkalmas valós-idej ipari alkalmazásra. A 80-as évek végén jelent meg az els redundáns hálózat ketts Ethernet buszrendszerrel. 25.1.1. Ethernet, mint csillag vagy fa topológiájú rendszer Az optikai kábeles átvitel elterjedésekor a 80-as évek végén kezddött a váltás a busztopológiáról a csillag topológiára az Ethernet hálózatoknál. Így a node-ok között nagyobb távolságok áthidalása vált lehetvé. Csillag (star) topológia esetén a hálózaton pont-pont kommunikáció folyik az aktív hálózati komponensen, a csillag csatolón vagy hub-on keresztül. A 90-es évek közepén bevezetett csavart érpár új átviteli közegként jelent meg. Alkalmazásával nagyobb node-srség vált elérhetvé alacsony költséggel. 25.1.2. Ethernet, mint vonal- és gyr-topológiájú rendszer Az ipari alkalmazásnál igényelt rendelkezésre álláshoz a lineáris optikai hálózatot gyrvé alakították. Így a gyrben történt meghibásodás esetén gyorsan lehetett kialakítani a helyettesít utat. 77

A 90-es években a fejlesztés fókuszába az alábbi két célkitzés került: x x

ütközésmentes hálózati mködés, amelyet full duplex átvitellel és a hálózati komponensekben az adatok bufferelésével értek el, a hálózaton átbocsátott adatmennyiség növelését az átviteli sebesség 10 Mbps-rl 100 Mbps-re történ növelésével és a hálózati komponensek adatforgalmának szrésével érték el.

A fenti célkitzésekhez az egyszer hálózati hub-ok már nem feleltek meg, új hálózati komponensekre volt szükség. Így jelentek meg az ipari hidak (bridge) és a kapcsolók (switchek). A redundáns struktúrákhoz került kifejlesztésre a feszítfa protokoll (Spanning Tree Protocol – STP, IEEE 802.1 D). Ennek újabb változata a gyors feszítfa protokoll (RSTP – Rapid Spanning Tree Protocol), amelyre a gyors átváltású redundáns gyr topológia (újrakonfigurálási id < 300 ms) elterjedése miatt volt szükség. Nagy sebesség redundáns gyr-topológiát szemléltet a 25.2. ábra Siemens optikai switch modulokkal (OSM).

25.2. ábra: Nagy sebesség redundáns gyr OSM modulokkal A korábbi innovatív fejlesztés eredményeként jelent meg a standby funkció a redundáns gyr csatolásban (25.3. ábra).

25.3. ábra: Redundáns csatolású gyr hálózat 78

Jelents hatással volt az ipari Ethernet fejldésére, amikor 1999-ben szabványosították a Gigabites Ethernetet. Ez a nagy sebesség gigabites switchek kifejlesztését igényelte. Az ipari Ethernetet – eleinte terepi alkalmazásban nem idkritikus (nem real-time) átvitelre használták. A fejlesztések kifejezetten a valós-idej kommunikáció elérésére irányultak, így jutottak el napjaink (2009) technikájához, a PROFINET-hez. 25.2. Az ipari Ethernethez kapcsolódó fogalmak Az ipari Ethernet hálózatoknak meg kell felelniük az ipari hálózatokra vonatkozó követelményeknek – mint pl. a magas rendelkezésre állás – kivéve a valós-idej mködés követelményeinek. Az elz pontban vázoltak szerint az ipari Ethernet hálózatok esetén az ütközéseket ki kell küszöbölni. Ennek egyik módja a teljesen duplex átvitel megvalósítása. Amíg a half duplex (HDX) résztvevk különböz idben (idosztással) adnak és vesznek adatokat, addig a full duplex (FDX) eszközök adnak és vesznek egy idben. FDX átvitellel az adatütközés kiküszöbölhet, nem fordul el. Az FDX kommunikációhoz egyrészt a hálózati résztvevknek két csatornával kell rendelkezniük (adás és vétel), másrészt duplex fizikai rétegre van szükség. Utóbbi két optikai kábelt vagy két sodrott érpárú kábelt igényel elszeparálva adásra, ill. vételre. A full duplex és párhuzamos kommunikációt szemlélteti a 25.4.a, ábra.

25.4.a, ábra: Teljesen duplex és párhuzamos kommunikáció A full duplex átvitelhez tehát külön kell választani az adás, ill. vétel vezetékeket. Az ilyen kialakítást szokás dedikált médiának nevezni. Full duplex átvitel esetén a CSMA/CD média hozzáférési eljárásból kiesik a vivérzékelés (Carrier Sense – CS), az ütközésdetektálás (Collision Detect – CD) funkció, és elmarad az ütközésdetektálás esetén a félduplex átvitelnél fellép várakozási periódus (loopback). A félduplex (HDX) és a teljes duplex (FDX) Ethernet MAC funkciót szemlélteti a 25.4.b, ábra.

79

Ütközés detektálás

Küldés

Küldés

Loopback

Loopback

Vétel

Vétel

Félduplex HDX Ethernet vezérl

Küldés

Ütközés detektálás

Félduplex HDX Ethernet vezérl

Küldés

Ütközés detektálás

Ütközés detektálás Vétel

Teljes duplex (FDX) Ethernet vezérl

Vétel Teljes duplex (FDX) Ethernet vezérl

25.4.b, ábra: A HDX és az FDX Ethernet MAC Három feltétel kielégítésére van szükség a FDX Ethernet használatához: x x x

Csak két eszköz lehet a LAN-on, így pont-pont közötti kommunikáció jön létre. Ezt a „mikroszegmentálást” switch-ekkel lehet elérni. A fizikai közegnek képesnek kell lenni az egyidej adás és vétel lebonyolítására. A hálózati eszköz (pl. PC) hálózati interfészének (Network Interface) konfigurálhatónak kell lennie FDX módba.

Az FDX adó (transmitter) mködése: x x

az állomás bármely idben kezdeményezhet adást, és be kell fejeznie a megkezdett keretet a következ keret küldése eltt, az adóállomásnak szünetet kell tartania két üzenetküldés között,

Az FDX vev (receiver) mködése: x x x x x

a vev várja a keretet, majd a Start of Frame Delimiter vétele után elkezdi összeszerkeszteni a keretet, ellenrzi a célállomás címét (Destination Address), ellenrzi a FCS-t (keret ellenrzés) és dönt, ellenrzi a keret hosszát (512 bit), továbbítja a keretet a felsbb protokoll szintre.

Az FDX kialakítás elnyei: x x

FDX kialakítás esetén nincs ütközés és megduplázódik az átviteli sebesség (pl. gyors Ethernet hálózatnál 100-ról 200 Mbps-re), FDX alkalmazása esetén növelhet a hálózat terjedelme.

25.2.1. Autonegotation Az Autonegotation funkciót, amely az összekapcsolt különböz sebesség eszközök optimális sebesség megválasztását szolgálja a 23. fejezetben már érintettük. Ez a funkció az alábbi prioritási sorrendben keresi a megfelel sebességet: x x x x 80

1-1000 Base TX teljesen duplex (FDX) 2-100 Base TX teljesen duplex (FDX) 3-100 Base TX fél duplex (HDX) 4-10 Base TX teljesen duplex (FDX)

x

5 10 Base TX fél duplex (HDX)

25.2.2. Feszítfa (spanning tree) algoritmus A feszítfa algoritmus, amelyet az Ethernet struktúrák szervezésére használnak az adatforgalom irányításához a router-ekkel, switch-ekkel, hidakkal felépített hálózatokban van, az IEEE 802.1d szabvány írja le. Egy feszítfa (spanning tree) az alhálózat részhalmaza, amelyben minden router benne van, de nem tartalmaz hurkokat. Ha minden router tudja, hogy vonalai tartoznak a feszítfához, egy bejöv adatszórásos csomagot minden, a feszítfához tartozó vonalra kimásolhat, kivéve azt, amelyen érkezett. Ez az eljárás kitnen használja ki a sávszélességet, csak annyi csomagot hoz létre, amennyi mindenképpen szükséges a feladat elvégzéséhez. A feszítfa jelleg forgalomirányítást a feszítfák algoritmus valósítja meg. A feszítfák (spanning trees) algoritmus kiválasztja a hálózatközi kapcsolatok egy részhalmazát azért, hogy egy hurokmentes fa szerkezetet alakítson ki úgy, hogy bármelyik két útválasztó közül csak egy használt útvonal (ág) legyen (a fának csak éppen elegend összeköttetése legyen). Ezt a fa alakzatot azért hívják feszítfának, mert minden csomópontot átível a helyi hálózatok által alkotott hálózatközben, amint azt a 25.5. ábra szemlélteti. Az így létrehozott feszítfát használják minden forráshoz és minden többesadás csoport esetén.

RC S=RA RR RE

RG

RD

RF

RH

RI

RJ RL RK RM

RN

RP

RO

Jelmagyarázat: szórási faág útválasztó a hozzá tartozó alhálóval IP kapcsolat csoporttag gazdagép nem csoporttag gazdagép

25.5. ábra: A feszítfa 81

&   @    

 $" >+   ! !  @ $    keresztül továbbítja, kivéve azt, amelyiken a csomag érkezett. Így biztosítja, hogy a

$">+%$  @ '@ $ Œ&+ > ['+ az útválasztóknak csak annyi információra van szükségük a többesadás forgalmának irányítá'[ '+  + ' !_    >+!  k részei- ! !  [ + nem. ‡ !    _$' +     > " !+>'[ > +   

Œ& ! !    30-60 másodpercre volt szükség a hálózati fa kialakításához, ami a folyamatirányításhoz és a megjelenítéshez elfogadhatatlanul magas. Ezért került kidolgozásra a !4 [‰@[ $! "Š (Rapid Spanning Tree - RST), amely !4 ".-6% 2$‹$ $&‰# &  [‰@[ 7.$8 maximum 10 switch-et tartalmazó alhálózat esetén (25.6. ábra).

  (IEEE 802.1d)

  (SIMATIC NET (IEEE 802.1w)

A hálózat újrakonfigurálása > 30 sec

A hálózat újrakonfigurálása < 0,3 sec

25.6. ábra: &'+> +! !+ >"   $'   25.2.3. Átviteli közeg (média) ajánlás az IEEE 802.3 szabvány szerint

Optikai

Elektromos

25.1. táblázat Átviteli közeg Koaxiális kábel (vastag) Koaxiális kábel (vékony RG58) Csavart érpár (UTP CAT 3,2 érpár) Csavart érpár (UTP/STP CAT 5,2 érpár) Csavart érpár (UTP/STP CAT 5,4 érpár) Üveg FO 62,5 μm Üveg FO 62,5 μm vagy 50 μm Üveg FO 62,5 μm vagy 50 μm Üveg FO 62,5 μm

Átviteli sebesség 10 Mbps 10 Mbps

Kábelhossz 500 m-ig 185 m-ig

Szabvány 10 Base 5-802.3-1985 10 Base 2-802.3a-1988

10 Mbps

100 m-ig

10 Base T-802.3i-1990

10/100 Mbps

100 m-ig

100 Base T-802.3u-1995

10/100/1000 Mbps

100 m-ig

1000 Base T-802.3ab-1999

10 Mbps 100 Mbps 1 Gbps 1 Gbps

2 km-ig 2 km-ig 2 m - 550 m 2 m - 5 km

10 Base FL-802.3j-1993 100 Base FX-802.3u-1995 1000 Base SX-802.3z-1998 1000 Base LX-802.3z-1998

Megjegyezzük, hogy a táblázatban az optikai kábelek a csatlakozókban térnek el. 25.2.4. Aktív és passzív hálózati komponensek busz-topológiájú Ethernet hálózat esetén Bevezetésül az Ethernet   +%  ¡ 

]Z~+-topológiát szemléltet a 25.7. ábra.

82

25.7. ábra: Ethernet busz-topológia +!+> '>+>  x

Busz kábel (sárga kábel)  "

\Z¨-os hullámimpedanciájú koaxiális kábel, melynek maximális hossza 500 m. Az adatátviteli sebesség 10 Mbs. Az ilyen hálózatot osztott Ethernetnek nevezik. A lezáró ellenállás a kábel két végén 50 ¨Œ

x

Transceiver Funkciója az áramköri illesztés a kábelhez.

x

Drop kábel A drop kábel csatlakoztatja az állomást a transceiver-hez. Maximális hossza 50 m.

x

Repeater Feladata: jelregenerálás, két busz szegmens összekapcsolásánál használatos.

 2Š %] Ethernet $@%4 ( x x x

a busz egy passzív átviteli közeg, amelynél egy eszköz meghibásodása nincs hatással a többi eszközre, a >   ! 

 $$ [+>+~‡  [ a kommunikációs meghibásodások detektálása protokoll analizátorral könnyen elvé+' Œ

Hátrányai: x x x x

az átviteli sebesség 10 Mbps-re korlátozott és az ütközések is csökkentik a sebességet 20-30 %-kal, az összes állomás osztozik a sávszélességen, a full duplex módú átvitel nem lehetséges, a CSMA/CD buszhozzáférés miatt a két állomás közötti távolság korlátozott.

83

A csillag- ill. fa--$8! .& $@%4 ( x x x x x

alacsony csatlakoztatási költség, ha a központi switch magas portszámmal bír, a node- >+>  ' , ill. a helyük át'' , +">  @"+   [ nagy átviteli sávszélesség, magas adatbiztonság.

Hátrányai: x x x x

a node- ' "  !_++ ! ruktúra költsége, a csillag központi kapcsolójának (switch) meghibásodása esetén lebénul a kapcsolódó hálózati rész, redundáns rendszer kialakítása költséges a központi kapcsoló duplázása miatt, a hálózati node-ok általában csavart érpárú kialakítást igényelnek, amely maximális hosszúsága a 100 m.

A vonal topológia (25.8. ábra) $@%4 : x x x x

minimális a kábelezési költsége, a node-     +@[ +'@  ' +[ mozgó géprészek esetén is használható.

25.8. ábra: Ipari Ethernet vonali topológia ELS TP40 eszközökkel Hátrányai: x x x x

az aktív hálózati komponenseket (switch, hub) külön kell megtáplálni, és ha táplálási hiba lép fel, akkor az aktív komponensek által leválasztott alhálózatok lebénulhatnak, ezért redundáns táplálást igényelnek, az aktív hálózati elemek késleltetési idi összeadódnak, ami a valós-idej átvitel ellen hat, a vonal jelleg kialakítás meghibásodási valószínsége rontja a rendelkezésre állást, ezért alacsony hiba rátájú (magas MTBF) hálózati komponensek alkalmazása ajánlott, a vonal-topológia half duplex átvitelt biztosít, így full duplex átvitelhez kétvonalú hálózat szükséges.

Redundáns hálózati topológiák kialakítása az ipari Ethernet technikában gyr és redundáns gyr révén lehetséges. Az ipari alkalmazásoknál biztosítani kell a redundáns adatutat a kábel vagy eszközhiba okozta problémák kiküszöbölésére. Ez legtermészetesebben gyrtopológiával lehetséges. Ilyenkor egy hálózati komponens redundancia menedzserként viselkedik. Egy ilyen optikai gyr-topológiát szemléltet a 25.9. ábra.

84

25.9. ábra: Ipari Ethernet hálózat kia    +|„> } A >+" ! '   %>% [ '+ "!7 2.. 9$$9 9% "%%4 @ szükséges az eszközök átkonfigurálásához. Napjaink technikájával például egy 50 switch-et tartalmazó hálózat átkonfigurálása a hiba esemény észlelése után kisebb, mint 0,3 másodperc. A +-topológia egyetlen hálózati elem (pl. vonalszakadás vagy switch hiba) esetén nyújt biztonságos megoldást. Nagyobb biztonságot ún. Š%.% !4]] topológiával érnek el. Ilyen redundáns +-topológiát szemléltet a 25.10. ábra.

25.10. ábra: Redundáns +-topológia 85

A !4]]-topológia $@%4 ( x x x x x

viszonylag olcsón lehet biztosítani a hálózati redundanciát, +    $$ #$ "9$@&9% is viselkednek, csavart érpárral viszonylag nagy hálózatok alakíthatók ki, +2@3‰9 !4]% megoldható, az átkonfigurálás gyorsan megoldható.

Hátrányai: x x

+ $$"    

szolgál  _$ $> '@  számára, így a sávszélesség igények növekednek pl. HMI alkalmazás esetén, a 7.$8 &9$$9& '!@%&, ami a valós-"% átvitelt rontja, ezért kiküszöbölésül Gigabit Ethernetet használnak, amelynél a késleltetések a gyors Ethernethez képest tizedére csökkennek.

Ethernet hálózati topológiák összehasonlítása (25.2. táblázat)

86

87

Közepes

Magas (menedzselt switch-ek) Magas Magas Közepes-magas

Alacsony (szegmens hiba, nem menedzselt) Alacsony Alacsony Alacsony

-

Alacsony

Kábelezési igény Rendelkezésre állás A hiba észlelése utáni átkonfigurá" Kábelhiba helymeghatározásának nehézségi foka Központi menedzsment támogatás Optikai közeg támogatás  ' + Egy aktív hálózati komponens meghibásodásának hatása

Alacsonytól a magasig a bonyolultságtól !_++

Magas Alacsony (a csillag-pont miatt) -

Alacsony (egy busz +> ! lhoz) Alacsony Alacsony

Tervezési igény

Csillag/fa

Busz

Topológia

Magas Alacsony

Magas

Magas (menedzselt switch-ek)

Magas

       Œ&" " megjósolhatóságának hiánya hosszú ideig az egyik érv volt az Ethernet ipari környezetben való alkalmazása ellen. Ezt az érvelést azonban leginkább a korai hálózati topológiákkal való tapasztalatok alapján alkalmazták, amelyeknél a hálózatra csatlakozó eszközök hubokon keresztül voltak összekötve egymással. Egy hub az összes olyan csomagot, ami egy portra van címezve, minden más portnak is továbbküld. A korai Ethernet hálózati topológiákban, amelyeket azonban részben még megtartottak napjainkban is, szabványosan hubok használatosak, mive     > $"  '-ek a 80-as években és a 90-es évek elején még nagyon költségesek voltak. Az áttörést az Ethernet iparivá válásához a switch-ek jelentik. A switch az ipari Ethernet hálózati infrastruktúrájának a kulcsa. A switch-ek konfigurálhatósági szempontból x x

nem konfigurálható és konfigurálható

csoportba sorolhatók. 25.3.1.1. Nem konfigurálható switch-ek A nem konfigurálható switch- '   '@  !truktúrák ipari környezetben @++   Œ+   >>!  !+@ [ >+$sz $    @-kiosztása esetén is a legtöbb modell az Auto-Crossing funkcionalitásának (Auto-~ˆ †} $$ '  +>Œ^ %

['+> " '- + é_ + >  $ $

  [ >nd a switch-ek közötti összeköttetésben egyenes- >  (Straight-Through} ' ' @

 >    _ +©€© ábel. A switch-eket leginkább a portok számával jellemzik. Tájékoztatásul egy öt ill. 15 portszámú ipari switch adatait mutatjuk be. Ezen adatok a switch-ek kiválasztásához szükségesek.

88

(Forrás: Weidmüller)

89

25.3.1.2. Konfigurálható switch-ek Az ipari hálózatok decentralizált felépítéséhez sok alkalmazásnak egy központi switchre van szüksége a kapcsolószekrényben. Erre a célra például a Weidmüller egy nagy teljesítmény menedzselt ipari Ethernet switch-e, az IE-SWxx-M használható. Az IE-SWxx-M segítségével strukturálttá lehet tenni az ipari hálózatokat, hogy optimalizálni lehessen a hálózati forgalom átviteli útjait és átviteli idit. Az egyedi hálózati komponenseket hierarchikusan, fizikailag csillag szerkezetben kábelezik össze. A felosztó, ebben az esetben egy IE-SWxx-M nagy teljesítmény ipari Ethernet switch, képezi a központi kapcsolóhelyet. A Weidmüller összes switch-e áttekinthet protokollal rendelkezik. Minden port saját hálózati szegmenst, saját ütközési tartományt képez. Ezen szegmensek mindegyikének a teljes hálózati sávszélesség rendelkezésére áll. Ezáltal nem csak a teljes hálózatban növekszik a hálózati teljesítmény, hanem minden egyes szegmensben is. A switch minden átmen csomagban megvizsgálja a célszegmens MAC-címét, és azt közvetlenül oda tudja továbbítani. A Weidmüller switchek nagy elnye abban a képességben rejlik, hogy a portjaikat közvetlenül egymással össze tudják kapcsolni.

90

A Weidmüller menedzselt switchei többek között a következ funkciókkal rendelkeznek: x x x x x x x x x x x x

Port trönkölés (Port trunking) Port tükrözés (Port mirroring) VLAN Fix bejegyzésekkel rendelkez "szr és továbbító tábla" (Filtering and Forwarding Table) Szelektív multicast vezérlés Szolgáltatás minsége (Quality of Service) Relé funkciók Betekintés a címtáblába ("Address Table") Konfiguráció web interfészen vagy terminálprogramon keresztül SNMP V.1-képesség RSTP és RapidRing™ IGMP figyelés, lekérdezés funkciókkal.

Port trönkölés A port trönköléssel két Ethernet készülék két vagy több portját egy csoporttá tudja öszszefogni. Ez a csoport úgy viselkedik, mint egy "egyedi logikai kapcsolat", azonban megfelelen magasabb adatátviteli sebességgel. A port trönkölés ezen túl redundanciát képez, amely nagyon gyors ismételt feléledési idvel rendelkezik ("recovery time"). Ha egy kapcsolat a trönk csoportban megsznik, a maradék kapcsolatok azonnal átveszik a szerepét, hogy a két switch közötti adatcserét fenntartsák. Port tükrözés A port tükrözés lehetvé teszi, hogy egy portra az IE-SWxx-M egy vagy több másik portjának összes fogadott vagy elküldött adatát "tükrözni" ill. másolni lehessen. Azok az üzenetek, amelyeket a tükrözött portra küldtek pl. a MAC-címek segítségével szrhetk. VLAN A VLAN a "Virtuális LAN" rövidítése. Itt egy, a szokásos LAN összes tulajdonságával rendelkez hálózati struktúráról van szó, azonban térbeli összeköttetés nélkül. A VLAN-ok rendszerint olyan kapcsolt hálózatok, amelyek távoli csomópontokat tudnak egy virtuális helyi hálózattá összekötni. A VLAN funkcióval egy hálózatot különböz szegmensekre lehet felosztani. Szerver és munkaállomásokat lehetséges funkcióik szerint dinamikus munkacsoportokká összefogni. A VLAN-okat áttekintheten és a hálózat fizikai megváltoztatása nélkül lehet elrendezni, és többszörösen virtuális helyi hálózatként lehet konfigurálni. A VLAN-ok esetében olyan átviteli eszközökrl van szó, amelyek kiterjedése több switchen át lehetséges. A forgalom csak a mindenkori VLAN-ban látható. Az a lehetség, hogy a VLAN-okat teljesen el lehet egymástól szigetelni, az adatátvitel biztonságának növelését szolgálja. Az adatokat így csak egy VLAN csoporton belüli Ethernet-eszközökre küldik el. Ha a VLAN funkció aktiválva van, akkor egy VLAN frame-et csak egy, ehhez a VLAN-hoz tartozó portra lehet a VLAN-on belül továbbítani. Ha a célport egy másik VLAN-hoz tartozik, akkor a frame törldik. Az is lehetséges, hogy egy portot több VLAN-hoz egyszerre hozzárendeljünk. Ez a szerkezet lehetvé teszi, hogy a hálózatok egy routert vagy szervert megosztva használjanak. A VLAN-ok egyesítik a bridzsek és routerek elnyeit. Ezzel könnyen hozzá lehet fzni, el lehet távolítani, vagy meg lehet változtatni egy állomást. Ezen túl a hálózatot tetszlegesen lehet strukturálni. Így például virtuális felhasználói csoportokat lehet képezni. Nem szükséges

91

$['+!' @   +  + >

 _$ $'@  'ndeljük. Azokhoz a szerverekhez is, amelyek központi helyiségekben vannak elhelyezve, hozzá lehet rendelni térben távoli munkacsoportokat. Kétféle VLAN típus létezik, amelyet az IESWxxx-M támogat: x x

Port-VLAN 802.1q VLAN.

Az IE-SWxx-M switch-ek esetén a címek "tanulása" mellett statikus bejegyzéseket is lehet tenni a továbbítási táblázatba ("Forwarding Table") vagy címtáblázatba. Ezek tartósan megmaradnak, és nem érvényes rájuk az elévülési folyamat. Min@9! $!.$. A "Szolgáltatás m +e" funkció (Quality of Service - QoS) megengedi, hogy minden Ethernet frame-ben egy QoS prioritást alkalmazzunk. Ez attól függ, melyik portról származik a frame. Hibarelék Az IE-SWxx-M rendelkezik ezen kívül egy relé csatlakozással. Ezt arra használják, hogy az egyes folyamatokat felügyeljék a hálózatban. A relé jelzi egy kapcsolat kimaradását vagy jelenlétét egy vagy több porton. '%!9@ 6‰"táblázat (Browse Address Table) & $ + >táblázat funkció megengedi, hogy a teljes címtáblázatra mutassunk rá vagy egy MAC-címre lokalizáljuk. Ez a funkció abban segít, hogy áttekintést kapjunk az összes MAC->Œ&~&€-címekhez tartozó portok szintén megjelennek. Konfiguráció Az IE-SWxx-M menedzselt switch-ek konfigurációja mind terminálprogrammal, mind az integrált interaktív webszerver webes interfészén keresztül beállítható. Ez a web-szerver a helyi hálózat minden Internet-képes PC-% '!' Œ & -szerver kompatibilis az Internet Explorer újabb verzióival (5.0 vagy újabb az ajánlott) ill. a Netscape Navigatorral (7.1 vagy frissebb ajánlott). & $   ' +  x x x x

Port státusz: "Enabled" vagy "Disabled" (engedélyezve/tiltva) Adatátviteli sebesség és duplex átvitel ("Speed/Duplex"): állandó vagy "automatikus egyeztetés" (Autonegotiation) Átviteli közeg meghatározása ("Auto MDI/X"): "Enabled" vagy "Disabled" (engedélyezve/tiltva) Az IE-SWxx-M switch-et ezen felül az SNMP funkcióval is lehet menedzselni. Az SNMP trap-ek olyan üzenetek, amelyeket akkor kell továbbítani, ha egy úgynevezett "Trap Event" lép fel. Legfeljebb négy "trap vev ©|}' >+" Œ& IE-SWxx-M a "rákapcsolódás" (Link-up), "lecsatlakozás" (Link-down), "visszaigazolási hiba" valamint "hideg- és melegindítás" funkciók "trap"-jeit támogatja.

Az IE-SWxx-M menedzselt switcheket SNMP és konzol menükkel lehet felügyelni. Ennek során többek között üzenetek készültek: x x x x 92

a "port forgalom" (Port Traffic) kijelzésére, a "címtáblázat" (Address Table) átnézésére, a "switch történet" (Switch History) kijelzésére, a "switch hmérséklet" (Switch Temperature) kijelzésére.

Minden portra el lehet állítani egy "port hibás csomag statisztikát" (Port Error Packets Statistics). Ez adatokat tartalmaz az: x x x x x x x

"elvetett csomagokról" (Dropped Packets), "túlméretes csomagokról" (Oversize Packets), "méret alatti csomagokról" (Undersize Packets), © $"  ©|‡+>

}, ©> " ©|Ž}, ©_ $ ©|€ }, "késleltetett átvitel jellemzjérl" (Deferred Transmission).

Az IE-SWxx-M konfigurálható ipari Ethernet switch-ek paraméterei x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

10BaseT, 100BaseTX RJ45 portok / szegmenshossz; 100 m ?>  -tartomány: -40 °C - +75 °C Stabil alumínium ház/ [  !'  IEEE 802.3x; IEEE 802.3; IEEE 802.3u CE, UL508 Redundáns tápfeszültség-ellátás (10 … 36 V DC, 8 ... 24 V AC) LED-ek: tápfeszültség["   +['>  !_+ [  †  Automatikus egyeztetés (Autonegotiation) és folyamatvezérlés Autocrossing Broadcast storm control Terminálprogrammal vagy Web-interfésszel konfigurálható Automatikusan egyeztetett (Autonegotiated) vagy statikus adatátviteli sebesség, duplex és folyamatvezérlés $ $ +++ ' Szolgáltatás m +e (Quality of Service, QoS) 802.1p Port virtuális LAN támogatás 802.1q Programozható hibarelé MAC alapú trönkölés link failover-rel SNMP menedzsment  !+@$ ++„qq 

Port tükrözés IGMP figyelés Spanning Tree IEEE 802.1s (Multiple Spanning Trees) Rapid Spanning Tree IEEE 802.1w.

Redundancia kialakítása az ipari Ethernet hálózatnál Az ipari Ethernet területén két séma létezik a hálózat redundanciájának elérésére: x x

+-topológia, RSTP.

A !4]]-topológia ++++ '@ " " %  >+ mtésére. Szabvány híján kifejlesztették a RapidRing™ technológiát. Ezen a módon az ipari automatizá '     +  '     > 

   " "  Œ & " +ª++"'   " "  Œ&+@"@ _   +  [>

+  ++ + Œ~+  ' 'oz (loop) vezetne a hálózatban, az egyik kapcsolatot logikailag deaktiválják (backup-link).

93

A másik lehetség az IEEE szabványú "Rapid Spanning Tree Protokoll" (RSTP, IEEE 802.3w), hogy egy hálózatban redundanciát létesítsünk.    $7@39   7.$8zat hálóhoz hasonló felépítését. Ezen a módon többszörös redundanciát lehet elérni. Az RSTP '  +'@   > +[>

" +ª'  [„‚ sok érdekes opciót kínál. ~ "    "   >+      > " , tervezett felhasználási területen. Az ipari automatizálásban gyakran !% !4] a !4]]Š&.& összekábelezni. Az RSTP üzemeltetése egy 15 vagy több switch-   >@+  >!+ + sséget kínálni. A RapidRing™ használata mellett egy ilyen elrendezésben < 300 ms átkapcso" '  [ a++ ' + Œ RapidRing™-  '   + $     [   !+   + switch-et master-nek. A hálózatban lev többi switch-et slave-nek kell kon!+ Œ&+ összekötéséhez mindig az 1-es és 2-es portot kell használni. Az egyik switch 1-es portját a $  'q- %  $ " " + Œ^$ $ >+ $! & !4]]7' vezet. A hálózat bekapcsolása után a '@ > $" Œ A backup-link mindig a master 2-es portján található. Ezen a módon a backup-    meg ' '  Œ^

 >+!en úgy lehet kiválasztani a master-t, hogy a hálózat át  képessége optimális legyen. Ha egy összeköttet  +  >+ "[ akkor a backup-  

 ! @% [ >>  @ >  >+  @ Œ~   sérült kapcsolatot ismét helyreállították, a backup-linket automatikusan ismét deaktiválják. &+  > " 



 h web-szerverén keresztül le lehet kérdezni. Egy saját szekcióban SNMP útján rendelkezésre állnak a MIB adatok a távoli lekérdezéshez és az automatikus feldolgozáshoz. Az RSTP szabvány a Spanning Tree Protokoll (STP, IEEE 802.1D) egy továbbfejlesztett változata. Az RSTP a hálózatot olyan módon konfigurálja, hogy nem keletkeznek hurkok. Kü$ $ " "  $ $

   | -links) többszörös redundanciát kínálnak. Az RSTP-re kapcsolódó switch-ek a hálózaton keresztül BPDU-kban (Bridge Protocol Data Unit) cserélik ki egymással az információt. Egy megszakadt kapcsolatot így gyorsan pótolni lehet. A hálózaton történt változásokat automatikusan fel lehet ismerni. &„‚ @  > $>

+$ $

  "  >œ'@ kra. Mivel több lehetséges út létezik a hálózatban, az RSTP-nek a hálózatot mindig teljesen >  Œ^ $>

ZZ> ++ " '$ Œ<+ >œ hálózatokban az átkapcsolás néhány másodpercig is tarthat. Egy RSTP-t használó hálózatot gondosan kell tervezni és átgondolni, mert egyébként kiszámíthatatlanul viselkedhet.

94

25.11. ábra: RapidRing™: Kevesebb, mint 300 ms alatt az összeköttetés ismét aktív. A hálózati topológia több portot igényel A konfigurálható switch-ek kiválasztásához szükséges adatok szemléltetésére a 16 port-tal ren"     >  %  (Forrás: Weidmüller).

95

25.3.2. Router-ek A router-ek kapuként szolgálnak Ethernet hálózatok között. A router-ek két tipikus alkalmazása: x x

Ethernet hálózatok szétválasztása adatbiztonsági okokból vagy akár az egysze]22 &%[ !Š.6 8 " , '   Internet-csatlakozást.

a, Ethernet hálózatok szétválasztása a gyárakban ^+ >'@ +++'@ +  "'@ +   Ethernet    ' %[  

    %  _$ $ Π~

"'ó96

zatban a nagyobb adatmennyiség és a hálózat azzal kapcsolatos lassúsága teljesen elfogadha @[ '"'@   '' ' het. A két hálózat teljes elszi+      >[' > $ 

' +['+++  +  '@  ' % > " !> Œ&!>  

 

'    [ felügyelet-_ +  > +  $ 

 ' Œ&" %

 +y$" [ + '  Œ&'@ "    "+sségének meghatá ' + - hogy csak a VLAN-t, a QoS-t nevezzük meg a Layer 2 szintre. Az IP-szinten (L } @ "  ' +   router kínálja. Az   %> [ >

  in!.$ ][$‘ 7.$8 6‰"-fordítás (Network Address Translation, NAT), portcím-fordítás (Port Address Translation, PAT) és a modemen keresz _ $   '!egy ilyen router-t hatékony segédeszközzé tesz a hálózatok szétválasztásának >+@ 'Œ €   !%+ 

 !' @  "   _  "

 hálózathoz hozzáférni, és csak az engedélyezett készülékek tudnak a védett hálózatból kifelé adatokat _" Œ&+ égével egy saját IP alhálózattal és több hálózati    "  +  ! +   ‚-cím mögé lehet elrejteni. Ehhez az IP>' _ $   '!   >    +[    >$+$

 '@    meghatározott IP-címre irányítódnak át. Amennyiben kívánatos, a készülék szükség esetén _' >"ŒŽ   - + _>">   _ ' ztani, és ezen a módon a céges hálózat terhelése nélkül a router-hez és a >$+$

+' hozzá lehet férni. Ezek a hozzáférések PPP-vel és PAP-val vagy visszahívással a Virtual Private Network-ön (VPN) történnek. Így mindig nagy biztonsági fokozatot lehet biztosítani. b, Csatlakozás az Internethez Mindkét ipari hálózati router, az IE-AR-10T és az IE-AR-]Z „ˆ">Œ „ˆ">+

%+  $  ' ' óságot ill. elérh + Œ _ >">  | „ˆ"  Œ Íme, három média   > %> (Weidmüller).

25.4. Ipari Ethernet - Passzív komponensek Bár sok alkalmazást és a megfelel termékeket is nagyrészt kommunikációs szabványok, szoftveres megoldások és alkalmazási protokollok határoznak meg, mégis megmarad a hálózat abszolút megbízható fizikai szerkezetének követelménye. Ugyanis egy ipari hálózatban az összes hiba 80 %-át a tágabb értelemben vett érintkezési hibák okozzák. Lazán illeszked csatlakozók, érintkezési problémák, nedvesség, kábelszakadások, elektromágneses összeférhetségi problémák vagy csatlakozási hibák - csak néhány a leggyakoribb hibák közül. A Weidmüller hosszú élettartamú és karbantartást nem igényl villamos csatlakozásokat kínál kapcsolószekrényekhez készült hagyományos termékekkel ugyanúgy, mint ipari hálózatokhoz való innovatív és szabványosított alkotórészekkel. Az ipari Ethernet területén az olyan tisztán elektromechanikus termékek, mint a csatlakozók, vezetékek és kivezetések mellett ide számít egy sor elektronikus készülék is, amely egy kiszolgálást nem igényl hálózati infrastruktúra szabványosított üzemeltetéséhez szükséges. Természetesen ehhez olyan bevált termékek is rendelkezésre állnak, mint a jelátalakítók, kapcsoló üzem tápegységek, túlfeszültség-védelmi modulok, kábeljelölk és szerszámok. Az ipari Ethernet számára készült kábelezési koncepció

101

kiszolgáló-semleges, és az alkalmazások függvényében patch technikával és anélkül is lehet használni. Médiaként figyelembe veheti a réz- és optikai kábelt is. A gerinckábelezést elnyös optikai kábelekkel kivitelezni. A Weidmüller ehhez 2-eres multimódusú PVC kábeleket kínál, amelyek SC-Duplex vagy ST dugaszolható csatlakozókkal vannak szabványos hosszakban szerelve, vagy vev-specifikusan lehet ket rendelni. Ennek során különbséget teszünk a szekrénybe való Zipcord és a terepi Breakout kábel között. Így megtakarítható egy optikai kábel-konfekcionálás a terepen. A gerinckábelezés kivitelezése csillag alakzatban, de a berendezés rendelkezésre állására és biztonságára vonatkozó követelmények szerint switcheikkel akár !4]]&9% Š%ánsan is történhet. Ekkor a gerinckábelezés nem csak a fel@22  %] $8& !‘ 7%"  !9-&7 $-‰ $8& !  "7  !9-&7 $e-‰ $8&8$ $@%4' Š% 3.$ ‘ '"' 9&.2$$$ "%% 3.22  !9-& & 3éseihez. Itt végzdik rendszerint az univerzális és kiszolgáló, ill. alkalmazás semleges strukturált ipari kábelezés. A Weidmüller ezen kívül az összes komponensével és kábelével nem csak a meglév szabványokat, mint az ISO/IEC 11801:2002 és EN 50173-1:2003 az épület és irodai kábelezés területérl, hanem az ipari kábelezésre vonatkozó ISO/IEC 24702 ill. EN 50173-3 szabványtervezeteket (2004) is már figyelembe vette.

25.12. ábra: Optikai Breakout ill. PVC Zipcord kábel Kábelezési példát szemléltet a 25.13. ábra.

25.13. ábra: Példa egy kábelezési topológiára Lényeges alkotórésze a kábelezési koncepciónak, hogy a patch-, installációs- és csatlakozókábeleket mindig 4 érpárral és árnyékolva gyártják, hogy lehetvé tegyék a Gigabit Ethernetet és pl. a Power-over-Ethernetet. Az E és D osztályú átviteli útvonalak kiépítéséhez réz

102

kábelválasztékban az alkalmazás és beruházási biztonság függvényében Cat.6 és Cat.5 csatlakozóelemeket, patchkábelt, tömör installációs és hajlékony csatlakozókábelt, valamint FRNC, PVC és PUR köpenyanyagokat kínálnak. Természetesen az elektromágneses zavarok ellen az átviteli útvonalakat optikai kábellel is ki lehet építeni. Az elosztó kapcsolószekrényekhez készült FRNC patch-kábelek lángállóak, és az oltóvízzel történ érintkezéskor nem fejlesztenek korrozív gázokat vagy savakat. Az RJ45 típusú csatlakozó dugójukon továbbá ers, fröccsöntött törésgátlóval és rögzítkar védelemmel rendelkeznek. A PVC terepi kábelek hajlékonyak,  + '>    >   ' ' @ Œ & ‚– terepi kábelek különleges hajlékonyságukkal, olajállóságukkal és kopásállóságukkal tnnek ki. És hogy a szekrénybeli és a terepi kábelezésre használt kábel ne legyen összecserélve, a kábelek színkódolásúak: világosszürke a szekrényhez, zöld a terepre, a csatlakozó komponensekhez illesztve. A csatlakozóelemek olyan teljesen árnyékolt központi termékeken alapulnak, mint az RJ45 csatlakozóhüvely, RJ45 csatlakozódugó, és RJ45 összeköt. A kábelt egyszeren a terepen lehet velük szerelni - az AWG 27 - AWG 24 tartományban az RJ45 csatlakozódugóval és az AWG 26 AWG 22 tartományban az RJ45 csatlakozóhüvellyel. Különösen crimp-szerszámokkal lehet gyorsan biztos és gáztömör kötést létrehozni. Azért, hogy a változtatásokat egyszeren lehessen elvégezni, elszeretettel használják a patch-technikát (rangier). Ilyenkor egy a nyomvonalra rögzítetten fektetett, tömör installációs kábelt (AWG 23/1 vagy AWG 24/1) csatlakoztatnak IDC technikával az RJ45 csatlakozóhüvelyhez, amelyet a szekrényben elszeretettel egy patch-mez alkatrészeként, és a terepen csatlakozódobozként állítanak össze. Tartósínes és gép mellé szerelend kimenetek emellett kitnnek egyszer szerelhetségükkel és helytakarékos felépítésükkel. Az alkalmankénti mozgatást elviselAWG 26/7 hajlékony csatlakozó kábelre mindig RJ45 csatlakozó dugót szerelnek. Az RJ45 csatlakozó dugók és hüvelyek a felhasználás helye függvényében ipari kivitelben IP20 és IP67 védettséggel készülnek. Az IP67 kivitel egy reteszelfület tartalmaz, amely a véletlen nyitás ellen véd. A D osztály/Cat. 5 kapcsolat választása a legtöbb meglevés jövbeli adatátviteli igényt le lehet fedni.

Az E osztály/Cat. 6, ill. F/Cat. 7, a beruházás biztonságát is nyújtja, mely az automatizálási technikában a következ évek elvárandó teljesítmény növekedését kedvezköltség, visszafelé kompatibilis megoldással le tudja fedni. Másrészt a teljesítmény tartalékokkal, amelyek a kevésbé érzékeny kötéstechnikán alapulnak, a berendezésnek már ma nagyobb a rendelkezésre állása: pl. túl nagy szegmenshosszak, elektromágneses zavarok vagy a terepi szerelésnél a lehetséges kezelési hibák esetén. Ha két installációs kábelt (AWG 24 - AWG 22) egymással össze akarunk kötni (hosszabbítani, javítani) - semmi gond, az IECCM installációs kábelöszszekött LSA-val, Cat.7 kivitelben kínálják. Magától értetden az E osztályhoz /Cat. 6, a gép és alkalmazások területére, ill. alternatívaként a D osztályhoz / Cat. 5, a csarnokok területén is használhatók a kiegészítésekben. Az RJ45 összekötvel ellátott beépíthet perem lehetvé teszi a patch- és rendszerkábelek közvetlen összekötését anélkül, hogy a rendszerkábelt a falon át kellene vezetni és tömíteni. Ere elkészített rendszerkábelt is beszerezhet. Az IE-CT kábel- és csatlakozás-vizsgáló rendszerrel az olyan létesítési hibákat, mint a rövidzár vagy a vezetékek felcserélése, gyorsan és megbízhatóan fel lehet ismerni. Ennek során egy optikai 7 szegmenses kijelz megmutatja a hiba fajtáját. Az ellapi csatlakozó, egy átvezet, IP65 magas védettségkivitelben különböz adatportok mellett csatlakozást kínál az Ethernet hálózat-

103

ra is. Így gyors csatlakozást lehet létrehozni, pl. diagnosztikai célból, a kapcsolószekrény belsejéhez anélkül, hogy az ajtót ki kellene nyitni. Az árnyékolt, IP20 védettség RJ45 dugó crimpeléséhez való TT 8 RS MP 8 présszerszámtól az AM 12 csupaszoló szerszámon át, egészen a PDT beszúró szerszámig, amelyet az IE-CCM kábelcsatlakozó-modulnál a késes sorkapocs csatlakozóba való beszúrásra használnak. A hálózat alkatrészei éppen úgy a programhoz tartoznak, mint a kábeljelölk vagy kapcsolószekrény átvezetk. A továbbiakban a teljesség igénye nélkül, inkább illusztrációként mutatunk be jellegzetes csatlakozó típusokat.

104

25.4.1. Ipari Ethernet kábelek - rézkábel A Weidmüller a   @> ' " kábelek nagy választékát is kínálja, következetes módon egyformán nyolc eres, tehát négy érpárú kivitelben, a biztos jövj, szolgáltatássemleges Ethernet hálózatokhoz. 25.4.2. Ipari patch kábelek

Az installációs kábeleket switch-ekhez, média átalakítókhoz, és hasonlókhoz való csatlakoztatásra használják elosztó, ill. kapcsolószekrényekben IE-6PC jel, világosszürke (RAL 7035) szín, "E" osztályú /Cat.6 patch-kábeleinket FRNC köpennyel, amelyek 1:1 bekötéssel ren-

105

delkeznek. Emellett a csatlakozó vezeték már maga S/FTP Cat.7 600 MHz 4x2xAWG 27/7, amely itt is kitnátviteli tulajdonságokat és nagy teljesítménytartalékot biztosít. A kábelköpeny halogénmentes és lángálló. A patch-kábelek az RJ45 csatlakozó dugó és a csatlakozó vezeték körüli fröccsöntött burkolatnak köszönheten törésvédelemmel rendelkeznek, amely jelents húzóterhelés-mentesítést biztosít. A villamos érintkezési helyeket ezáltal nem terhelik mechanikai erhatások. A reteszelfül fektetés közbeni véletlen letörését a fülre öntött burkolat akadályozza meg. A patch-kábelek szabványosan hat hosszméretben, 0,5 m és 10 m között rendelhetk meg, ahol a hosszúság adat a törés elleni burkolaton található. 25.4.3. Ipari installációs kábelek (vízszintes fektetés] kábelek)

Épületekben történ fix kábelezéshez Cat.7 és Cat.5 kategóriájú, PVC és az IEC 60754-2 szerint halogénmentes PUR köpennyel rendelkez, zöld szín (RAL 6018) installációs kábeleket kínálnak 100-, 500- és 1000 m-es gyrkként. A négy érpár minden járatos Ethernet protokollt támogat, egészen a gigabites tartományig, és azon túl. Az installációs kábelek mindkét oldalon egyszeren RJ45 csatlakozóhüvellyel csatlakoztathatók, és egy eres, AWG23/1 méret bels vezetjük miatt elméletileg maximálisan 115 m átviteli utat tesznek lehetvé. Az EN 50173-1-re támaszkodva ajánljuk azonban az installációs kábeleknél is a "90 méteres szabály" betartását, hogy a jövbeli rendszerek átviteli képességét teljesen ki lehessen használni. A Weidmüller installációs kábelei 75 °C üzemi hmérsékletig alkalmazhatóak. 25.4.4. Ipari csatlakozó kábelek Terepi mozgatható készülékek csatlakoztatásra a Weidmüller mind Cat.7 mind Cat.5 kategóriájú csatlakozó kábeleket kínál, itt is PVC vagy halogénmentes PUR köpennyel, 100 m-es gyrként. Az egyformán nyolc eres AWG 26 - AWG 24 méret csatlakozó kábelek csatlakozási méretei az RJ45 csatlakozó dugóhoz vannak kialakítva, így ezeket a kábeleket az öszszes dugó és hüvelyváltozattal kombinálni lehet. A Weidmüller csatlakozó kábelei 75 °C üzemi hmérsékletig alkalmazhatóak. 25.4.5. Ipari rendszerkábelek

Ha nem egyénileg akarjuk elvégezni a gépek és készülékek számára az ipari csatlakozó kábelek konfekcionálását, rendelkezésre áll elkonfekcionált csatlakozó kábel választék. Az 1 m, 2 m, 5 m, 10 m és 15 m a szabványos méret. Az elre konfekcionált kábeleket választhatóan

106

IP20- és IP67-csatlakozókkal lehet megrendelni, vegyes felszerelés a következ oldalakon található. 25.4.6. Ipari kábelvezet@ lánchoz alkalmas csatlakozó kábel

Olyan alkalmazásokhoz, amelyeknél a kábel gyakori mozgatásnak van kitéve, a Weidmüller szállítószalaghoz alkalmas ipari csatlakozó kábele ajánlható. Itt is választhatók 100 m-es gyƒ rvagy elre leszabott, IP67 védettségcsatlakozókkal ellátott különböz hosszúságú kábelek.

Alkalmazás:

Fix telepítés

Fix telepítés

107

Alkalmazás:

Alkalmazás:

108

Fix telepítés

Alkalmankénti mozgatás

Fix telepítés

Alkalmankénti mozgatás

Alkalmazás:

Alkalmankénti mozgatás

Alkalmankénti mozgatás

Alkalmazás:

Alkalmankénti mozgatás

Alkalmankénti mozgatás

A továbbiakban a teljesség igénye nélkül, szemléltetési céllal mutatunk be további, az ipari Ethernet hálózatokhoz ajánlott és használt kábel típusokat.

109

Alkalmazás:

Alkalmazás:

110

Állandó mozgatás

Kapcsolószekrényben, irodai környezetben

Kapcsolószekrényben, irodai környezetben

Alkalmazás:

Alkalmazás:

Kapcsolószekrényben, irodai környezetben

Terepen

Terepen

111

26. MOXA GYÁRTMÁNYÚ IPARI ETHERNET TECHNOLÓGIA A MOXA, amely az ipari Ethernet eszközgyártók között kiemelked helyet foglal el, olyan termékeket és megoldásokat fejlesztett ki, amelyekkel szélsséges körülmények között mköd ipari felhasználók az Ethernet szabvány használatának minden elnyét élvezhetik. 26.1. Ipari Ethernet eszközök tervezési szempontjai Amikor az eszközök elhagyják az irodai környezetet, az alábbiakra mindenképpen figyelemmel kell lenni: x x x x x

magasabb rendelkezésre állás (MTBF), ami alapvet az ipari környezetben, meghibásodás utáni gyors és biztonságos visszaállítás, dinamikus státusz riportok a meghibásodásokról és üzemeltetési problémákról, redundáns topológia és gyrcsatolás.

A fenti követelmények a MOXA gyártmányoknál az alábbiak szerint érvényesülnek: a, Nagyobb rendelkezésre állás A MOXA ipari Ethernet termékeknek meg kell felelniük az alábbi környezeti elvárásoknak: x x x x x x

Redundáns táplálás az egypontos betáplálás hibáinak kiküszöbölésére. Ring topológia megvalósítása a redundáns tartalékútvonal támogatásához. Az ipari Ethernet eszközökbe épített komponensek jobb minségek és robusztusabbak, nagyobb MTBF értékek biztosítására, pl. nem használnak ventillátorokat, amelyek rövid élettartamúak. Az eszközöknek szélsséges hmérsékletviszonyok között is mködniük kell, akár -20 oC … 70 oC között. A termékeknek ki kell állniuk a mechanikai igénybevételeket is. Az ipari Ethernet termékeknek nem csak a törvényi szabályozásoknak (CE, FCC, UL, stb.) kell megfelelniük, de az ütés, rázásállóság feltételeinek is.

b, Meghibásodás utáni gyors és biztonságos visszaállítás A fenti igények megvalósítása alapvet ipari alkalmazásokban. Azonban az ipari kommunikációban a megbízhatóság többet jelent a tokozásnál és a szélsséges körülmények közötti mködésnél, ez a hibatrési képesség. Az irodában nem gond, ha 3 percig kommunikációs hiba áll fenn és nem tudunk levelet írni. Ipari megoldásban ugyanez a 3 perc azt jelenheti, hogy leáll a termelés, és ez hatalmas veszteséget jelenthet. Ezért az alábbi önvisszaállító képesség alapvet ahhoz, hogy a hálózat folyamatosan mködjék. Az önellenrz watch-dog megelzi a véletlenszer szolgáltatás megszakadást. A gyors vonalátkapcsolási képesség használata átkapcsolást biztosít a hálózatos eszköz másik portra irányításával, és így a kapcsolat többperces kimaradás nélkül tovább üzemel (26.1. ábra).

26.1. ábra: Eszköz átkapcsolás 112

Egy másik fontos szempont, hogy az ipari Ethernet eszközöket általában egy automatizálási rendszer részeként használják. Mivel ezek a rendszerek érzékenyen érintik az irányított rend> $" [     i védelem igen fontos. A kiválasztott csopor    $

>@" '  |26.2. ábra).

26.2. ábra: Védett eszköz elérés c, Dinamikus státusz riportok a meghibásodásokról és üzemeltetési problémákról Mivel az ipari Ethernet eszközök általában végpontokon helyezkednek el, nem tudják, hogy mi történt a hálózatban. Ez azt jelenti, hogy vészesemények fellépésekor értesíteniük kell a rendszer felügyeletét ellátó személyzetet. A tradicionális módszer az eszközök periodikus lekérdezése, de sajnos ez nem valós"% >'   Œ&!+>  _   + á > [>@"okon oldandó meg: x x

Üzenetküldés (pl. e-mail): amikor egy hiba keletkezett, például egy kiemelt fontosságú eszköz levált a hálózatról, vagy hatalmas hálózati túlterhelés keletkezett. Jelkimenet biztosítása (pl. digitális kimenet, relé kontaktus) a terepen dolgozó személyzet számára, akik gyorsan be tudnak avatkozni a vészhelyzet megszüntetése érdekében.

d, Redundancia Az átviteli közeg redundancia[ > ' +  " + '         $   áttérésre, alap     >  Œ & ' @+ %    - IEEE 802.1D Spanning Tree Protocol (STP) - Ethernet !4]] topológiát ajánl, amely azonban régebbi eszközökkel nem volt megvalósítható. A &@-csillag topológia[>>+!>gbízhatóságot adott, viszont igen drága volt. Bár az IEEE 802.1D STP szabvány néhány korlátozást megoldott, további gyengeségeket hagyott megoldatlanul, mint a lassú átkapcsolás, az átjárók nagy mérete, VLAN megoldás hiánya és link blokkolás kis sávszélesség esetén. Az % ^^^YZqŒ]§"„

 +‚ |„‚} %



[" p">+> "+ >">" Œ& ~&[> + @ +_

, az ipari alkalmazásokban is használható gyors átkapcsolási megoldást fejlesztett ki. A Moxa Turbo Ring átkapcsolási ideje 300 ms 

 |qZ>[]qZ $  }[>

+ topológián megvalósított, nagy távolságokat áthidaló redundancia költségei is kedve  (26.3. ábra).

26.3. ‘  113

e, Gyrcsatolás Bizonyos esetekben nem célszer az összes eszközt egy hatalmas redundáns gyrbe kapcsolni, mivel sok eszköz igen távoli területeken helyezkedik el. A gyrcsatolás, amely a Turbo Ring által biztosított funkció, lehetvé teszi a kisebb redundáns gyrkre történ elosztást úgy, hogy az egymás közötti kommunikáció továbbra is fennálljon (26.4. ábra).

26.4. ‘  26.2. Új ipari automatizálási platform A MOXA egy ipari Ethernet alapú új automatizálási platformot dolgozott ki és ehhez biztosítja a szükséges eszközöket, úgymint switch-ek, I/O eszközök, video eszközök, stb. & $ "   %++   _>  %  % >  !> eszköz rendszerét. A ré     ~&€ˆ-re utalunk. Nem menedzselt switch-  _  ^ '   'lózat ipari körülmények esetén a 26.5. ábra szerint alakítható ki.

114

26.5. ábra: A MOXA ipari Ethernet rendszer nem menedzselt switch-ekkel Menedzselt switch- felépített MOXA ipari Ethernet rendszer látható a 26.6. ábrán.

115

26.6. ábra: MOXA ipari Ethernet rendszer menedzselt switch-ekkel 26.2.1. Hatékony és intelligens Ethernet I/O eszközök A MOXA I/O eszközök révén az ipari Ethernet hálózat folyamat perifériái megvalósíthatóak külön eszközök (pl. PLC) nélkül. ^'' "    _$ $& [&[ˆ [ˆ[ stb. eszközök. Ily módon kifejlesztésre került egy új ipari Ethernet alapú automatizálási platform. Ezt illusztrálja a 26.7. ábra.

116

26.7. ábra: Ipari Ethernet alapú automatizálási platform A MOXA rendszer fejlett I/O tükrözési funkcióval van ellátva. Az E3000-es sorozatú I/O szerver „kábel áthelyezési” megoldást biztosít, amely a bemeneti jeleket továbbítja a távoli kimenetekhez Ethernet hálózaton keresztül. Az I/O tükör funkció felhasználható távoli érzéke %  Ethernet hálózaton keresztül PLC-khez vagy DCS rendszerhez, vagy HMI meg%  '$ $  csatlakoztatására (26.8. ábra). & _$ $~&+ >  †zközök specifikációja megtekint'   ~& '  , ill. a MOXA hazai disztribútora – egyben a könyv szponzora által biztosított CD-n.

117

26.8. ábra_$ $   $+ >+"' @ † _ $ _$ $~&   "+ /kimeneti modulokat mutat a 26.9. ábra.

26.9. ábra_$ $~&   "+ /kimeneti modulok 26.2.2. Videojel átvitel &~& " ++^ '    >+ %"    >azásokat, és ehhez rendelkezik a szükséges eszközrendszerrel, úgymint ipari kamera, ipari video kódoló, ill. dekódoló. Egy ilyen rendszer felépítését szemlélteti a 26.10. ábra.

118

26.10. ábra: Képátviteli alkalmazáshoz használatos MOXA rendszer A mellékelt CD-n számos MOXA ipari Ethernet eszközt és alkalmazást találunk.

119

Varga Attila egyetemi tanársegéd 27. AZ IPARI ETHERNET KIALAKULÁSA Ismeretes, hogy az ún. irodai Ethernet (osztott Ethernet) hálózat a CSMA/CD buszhozzáférési eljárás miatt nem determinisztikus. Emiatt a korábbi hierarchikus irányító rendszerekben a valósidej adatfeldolgozást igényl szinteken nem, csak a hierarchia legfelsbb szintjén a termelési adatok továbbításánál volt használatos. A 27.1. ábrán az Ethernet hálózat azon szk keresztmetszetei láthatók, amelyeket a valósidej mködéshez meg kell szüntetni.

27.1. ábra. A megosztott Ethernet valósidej problémái Amint az adatok az Ethernet keretben haladnak, az adatokat akárhány helyen megállíthatják, a kontrollertl a berendezés felé tartó úton. Az olyan fogalmakat, mint a várakozási id, a dzsitter, sorkezd blokkolás, keretvesztés és egyéb hibák, gyakran használják a továbbítási teljesítmény és képesség mérésére. Ebben a konfigurációban a vizsgálatok és mérések igazolják, hogy miután a terhelés elérte a 30%-ot, a hálózat érzékelheten lassabb lett. Miután a terhelés elérte az 50%-ot, az alkalmazások idzítje még a küldés teljesítése eltt lejár. Nincs garancia arra, hogy az adat megérkezik a célállomásra. Összegezzük az okokat, amelyek megakadályozták, hogy a múltban az Ethernetet valósidej alkalmazásokhoz és folyamatokhoz lehessen használni: x x x x x x x x

A sávszélesség megosztott és nem kijelölt. A megosztás szükségessé tette a busz vezérlését, de prioritási koncepció nélkül. A megosztás ütközést eredményez, ha egyidejleg két vagy több eszköz próbál adni (CSMA/CD). Az ütközések blokkolják a hálózatot, és megakadályozzák az eszközök adattovábbítását. Az egy szegmensen lév nagyobb számú eszköz növeli az ütközések valószínségét. A nagy broadcast küldk lefoglalják a felhasználható sávszélességet. Nem lehet különbséget tenni a magas és az alacsony prioritású forgalmak között. Nem lehet kis késleltetés útvonalat biztosítani a valósidej forgalomnak.

Ugyanakkor az Ethernet hálózat számos elnnyel rendelkezik, mint pl. a világméret elterjedtsége, az Internet közvetlen elérhetsége, a hardverek és szoftverek olcsósága, kipróbáltsá-

120

ga, stb. Ezért került az irányítástechnika és az ipari informatika fejlesztinek érdekldési középpontjába az a kérdés: hogyan lehetne alkalmazni az Ethernet hálózatot ipari körülmények között valósidej feldolgozást igényl feladatokhoz. Miért érdemes az Ethernet hálózatot determinisztikussá tenni? Ennek okai: x a tömeggyártás miatt olcsó, x könny integrálni az Internettel a TCP/IP vagy alkalmazási szinten az FTP és a http protokoll révén (a http a web szerverek, az FTP a fájlok fel és letöltésére), x nagy átviteli sebesség érhet el, x azonos vagy kompatibilis protokoll használható az adatfeldolgozás fels szintjén és a technológiai szinten is, x az Ethernet nagy sávszélessége támogat olyan alkalmazásokat, amelyeket a terepi buszok nem, pl. „gépi látás”, x a különböz gyártású eszközök könnyen rendszerbe integrálhatók, x minden szinten kihasználhatók a Web-alapú automatizálás elnyei. Hogyan tehet determinisztikussá az Ethernet hálózat? E kérdéssel kapcsolatosan számos irányzat született, amelyek közös ismérve a CSMA/CD buszhozzáférési mechanizmus módosítása vagy kiküszöbölése. A fejlesztk az alábbi megoldás variációkat dolgozták ki: x x x x x x

CSMA/CD alapú protokollok, módosított CSMA protokollok, token passing, TDMA, master-slave technika, kapcsolt Ethernet.

A továbbiakban ezen megoldásokat tekintjük át. 27.1. CSMA/CD alapú protokollok A protokollok ezen csoportját a CSMA/CD viselkedés módosítása révén megvalósítható valósidej mködés jellemzi. Szabványos Ethernet hálózat adaptert használnak és mködésük az eredeti CSMA/CD versengés feloldó mechanizmuson alapszik. Kihasználják azt a tényt, hogy a hálózat hozzáférés során keletkez ütközés valószínsége a hálózati forgalom jellemzivel áll szoros kapcsolatban, mégpedig a busz kihasználtsági faktorral, az üzenethoszszal és a precedencia kezeléssel. A forgalom jellemz paramétereit ismerve kiszámítható a csomagveszteségek és válaszid túllépések valószínsége. Számos elosztott valósidej alkalmazás esetén a hálózati kihasználtság már a tervezési fázisban körvonalazódik. Ezeknél a várt válaszid túllépési ráta alacsony. Például egy 100 Mbps sebesség hálózaton másodpercenként 1000 db 128 byte-os üzenetet generálva 1 ms-os válaszidvel, az idintervallum 1140 év lesz. Míg ugyanolyan terhelés mellett 2 ms-os válaszidvel egy 10 Mbps-os hálózaton az intervallum 1 órára csökken. Ez az óriási mérték csökkenés azt eredményezi, hogy a busz kihasználtság 1%-ról 10 %-ra n.

121

Ez jól szemlélteti, hogy a hálózati kihasználtság és a válaszid túllépés valószínsége között ers függségi viszony áll fent. Az is látható, hogy a kihasználtságot eléggé alacsonyan tartva (ez esetben 1 %) és viszonylag rövid üzeneteket generálva (128 byte) a válaszid túllépés valószínsége gyakorlatilag elhanyagolható lesz. Az Ethernet jóval nagyobb sávszélességet szolgáltat, mint amekkorát a gyakorlati alkalmazások igényelnek. Léteznek Ethernet felett mköd valósidej kommunikációs protokollok alacsony sávszélesség kihasználási faktorral és kisméret adatcsomaggal. Nagyobb sávszélesség kihasználtság eléréséhez alacsony válaszid túllépés valószínsége mellett további vezérlést igényel a hálózati forgalom. Ezt adatforgalom csillapításnak vagy alakításnak nevezik. A válaszid túllépés nem-nullává, de tetszlegesen kicsivé tehet a sávszélesség kihasználtság hatékony szabályozásával. Gyakorlatilag ezek a technikák használhatók kemény valósidej (HRT) alkalmazásokban is (lásd 28. fejezet), de a valódi célterületet olyan gyenge valósidej (SRT) rendszerek jelentik, mint például a multimédia, ahol egy esetleges válaszid túllépés csak átmeneti teljesítményromlást eredményez. Elosztott számítógép vezérl rendszereknél is alkalmazhatók ezek a technikák, melyek a vezérlés szemszögébl nézve arra lettek tervezve, hogy a pillanatnyi mintavesztést elviseljék. 27.1.1. NDDS (Network Data Delivery Service) A Hálózati Adattovábbító Szolgáltatás (NDDS) az elosztott valósidej alkalmazásoknál használt szoftver, melyet a Real-Time Innovation fejlesztett ki a valósidej kiadó-elfizet modell alapján. A rendszer architektúra egy központosított NDDS adatbázison alapszik, mely tárolja a kiadói és elfizeti csoportok adatait (27.2. ábra). Az adatbázishoz az NDDS könyvtár és az NDDS feladatok férnek hozzá. Az NDDS könyvtár egy átfogó szolgáltatáskészletet biztosít a felhasználói alkalmazáshoz. Az NDDS folyamatok szolgáltatásokat kezelnek, szolgáltatói frissítéseket küldenek és fogadnak. Az NDDS adatbázison a hálózati csomópontok osztoznak, holosztikus szemléletet biztosítva a kommunikációs feltételek kapcsán. Ilyen globális tudásbázis lehetvé teszi a válaszid túllépés valószínségének becslését az aktuális terhelés ismeretében. Ez az információ utána az alkalmazás számára elérhet.

122

Felhasználói alkalmazások

NDDS könyvtár

NDDS adatbázis

NDDS feladatok

Operációs rendszer hálózati interfész

27.2. ábra: NDDS architektúra A hibatolerancia tekintetében, mely a valósidej rendszerek gyakori követelménye, az NDDS egyéb mechanizmusokat is szolgáltat a kiadói redundancia támogatására. Így minden egyes csoporthoz ugyanazon entitás több elfizeti és kiszolgálói példánya tartozhat (például hmérséklet érték, melyet párhuzamosan szolgáltatnak). Minden egyes közléshez két társított paraméter tartozik: intenzitás és állandóság. Az intenzitás egy kiadó relatív súlyát definiálja a többi kiadóhoz viszonyítva ugyanazon entitás vonatkozásában. Az állandóság a közlés átmeneti érvényességét specifikálja. Az elfizetk csak akkor vesznek figyelembe egy közlést, ha a saját állandóság nagyobb vagy egyenl azzal az állandósággal, melyet utoljára kaptak meg az adott entitás kapcsán. Ez esetben az állandóság ablak lejár, az entitás els közlése azonnal elfogadásra kerül függetlenül az intenzitástól. Ezek a mechanizmusok sorozatszámot rendelnek valamennyi kiadóhoz, mely lehetvé teszi a hibás mködés detektálását. A kiadók egy bufferbe teszik a közléseiket egy adott idtartamra. Ez alatt az id alatt, ha az elfizetk elszalasztották a közlés fogadását, akkor újraküldést kérhetnek.

123

27.1.2. ORTE (OCERA Real-Time Ethernet) Az OCERA Valósidej Ethernet (ORTE) nyílt forráskódú valósidej kiadó-elfizet protokollként lett implementálva. Ez a protokoll lehetvé teszi statisztikai valósidej csatornák létesítését az Etherneten, mely a sávszélesség kihasználtság korlátozásán alapszik. Az ORTE bels felépítése a 27.3. ábrán figyelhet meg, funkcionálisan azonos az NDDS architektúrával. Az ORTE réteg egyrészt kezel objektumokból (Manager Object - M) tevdik össze, melyek a forgalommenedzselésért felelsek, másrészt menedzselt alkalmazásokból (Manager Applications - MA), melyek a felhasználói alkalmazást reprezentáló objektumok az ORTE rétegen belül.

27.3. ábra: ORTE bels architektúra 27.1.3. Forgalom finomítás (Traffic Smoothing) Kweon és társai vezették be a forgalom-finomító eljárás fogalmát. A szerzk analitikusan mutatták be, hogy lehetség van valószínségi garancia biztosítására úgy, hogy a csomagok sikeresen továbbíthatók legyenek egy elre definiált idkorláton belül, ha a hálózaton az állomások által generált csomagok teljes érkezési rátája egy küszöb alatt (hálózat-széles bemeneti korlát) van. A valószínségi garancia kifejezhet az alábbi képlettel: P(DdDk*)>1-Z, ahol Z a tolerancia és Dk* a legrosszabb esetbeni késleltetés, melyet a csomagok elviselnek a k-adik sikeres próbálkozásig.

124

Ha a hálózati átlagos terhelés az adott küszöb alatt van és a burst-ös átvitel nem megengedett, kicsi lesz az ütközések keletkezésének valószínsége a hálózat által okozott késleltetés becsült értékénél. Ehhez a mködéshez, egy csatoló réteget (forgalomcsillapító) helyeztek az Ethernet adatkapcsolati réteg alá. Ez a komponens felels az illet csomópont által generált forgalom alakításáért az adott sebesség alapján, mely az állomás bemeneti korlátjához kapcsolódik. A forgalomfinomítás egy megfelel mélységgel és átereszt sebességgel rendelkez „lyukas vödröt” helyez a rendszerbe, mely biztosítja és finomítja a csomópont által okozott nem-valósidej forgalmat. Másrészrl a valósidej (RT) forgalom a természetétnél fogva nem burst-ös, így az idközök kis adatcsomagokkal kis ütközési valószínséget eredményeznek. Ezért nincs szükség finomításra, és a „lyukas vödör” elkerülésével folyik az adatforgalom (27.4. ábra). Alkalmazás

(TCP, UDP)/IP

Forgalom hangoló RT forgalom

NRT forgalom

Lyukas vödör

Ethernet

27.4. ábra: A forgalom finomítás szoftver architektúrája Az ún. „lyukas vödör” elnevezés eljárást gyakran használják forgalomirányításra. Az alapeljárású lyukas vödör (leaky bucket) forgalomirányítás elnevezése arra utal, hogy egy lyukas vödörbl kifolyó víz mennyiségét a lyukon áthaladó víz határozza meg, ha van víz a vödörben, egyébként pedig nulla. Erre emlékeztet a lyukas vödör alapeljárás, amely a legegyszerbb sorbanállási (queuing) algoritmus. Lényege, hogy egy hálózati eszköz kimeneti határfelületéhez csatlakozó ütköztárból adott sebességgel küldi ki az adatokat, függetlenül a tár telítettségétl. Másrészt, ha már megtelik, a frissen bejöv csomagokat eldobja. A lyukas vödör egy csomag ütköztárból és egy vezérjel ütköztárból áll. A csomag ütköztárat végtelennek tételezzük fel, a vezérjel ütköztár viszont az alapeljárás esetén nem tárolhat egynél több vezérjelet. A „lyukas vödör” forgalomirányítás alapeljárása átlagos adatsebességet kényszerít ki, függetlenül attól, hogy mennyire szakadozott (bursty) a forgalom. Ilyen esetekben könnyen el is 125

veszhetnek a csomagok. Számos alkalmazásnál azonban jobb, ha a kimenet felgyorsul, amikor egy nagyobb küldemény érkezik, ezzel megelzve az ütköztár feltöltdését és emiatt a csomagok elvesztését. Így ezekhez egy rugalmasabb algoritmus szükséges. A „lyukas vödör” alapeljárás fejlettebb alakja, melyet „lyukas vödör”, vagy „vezérjeles vödör” (token bucket) forgalomirányításnak is szoktak nevezni, megóvja a kis sávszélesség kapcsolatokat a forgalommal való telítdéstl. Ez esetben is a lyukas vödör vezérjeleket tartalmaz, amelyeket meghatározott idközönként létrehoz egy óra. Minden egyes csomag átküldésekor egy vezérjel elvész. A vezérjeles lyukas vödör algoritmus másféle forgalomirányítást nyújt, mint az alapeljárású lyukas vödör. Az alapeljárású algoritmus nem teszi lehetvé egyetlen kiszolgálónak sem, hogy összegyjtsön vezérjeleket (engedélyeket) és késbb egy küldeményt küldjön ki. A vezérjeles vödör algoritmus mködését a 27.5. ábra mutatja be.

27.5. ábra: A lyukas (vezérjeles) vödör forgalomalakítás Egy kapcsolatban bejöv csomag elször sorban áll egy ütköztárban (várakozási sorban). A vezérjelek x sebességgel jönnek létre és kerülnek bele a vezérjel ütköztárba (a vödörbe), ha ott még van hely. Ha nincs hely, akkor az újonnan létrejött vezérjelet figyelmen kívül hagyják. A sorban álló csomagok közül a soron következ úgy tud kijutni a hálózatba, ha kap egy vezérjelet a vödörbl. Ha a vödör üres, akkor a csomagnak várakoznia kell. A csomagsort tartalmazó ütköztár természetesen nem végtelen, így ez is megtelhet, s a bejöv csomagot ebben az esetben is eldobják. A lyukas (vezérjeles) vödörrel való forgalomalakítás során, mivel legfeljebb y vezérjel lehet a vödörben, a legnagyobb küldemény mérete y, ami meghatározza a küldemény sebességet. Mivel a vezérjel létrehozás sebessége x, így azon csomagok legnagyobb száma, amelyek bármilyen t idtartam alatt ki tudnak jutni a hálózatba x t + y. Így az x vezérjel létrehozásának sebessége a csomagok hálózatba juttatása tartós átlagsebességének korlátjaként szolgál. Két sorba kapcsolt adatáramlás csúcssebessége is változtatható. Az állomás bemeneti korlát úgy, mint a lyukas vödör paramétere, definiálható statikusan a tervezési fázisban, vagy dinamikusan az aktuális forgalmi értékek alapján. Az eredeti implementáció statikus megközelítést alkalmazott, melyben az állomás bemeneti korlát a tervezési fázisához kötdött. Hátránya ennek a megoldásnak, hogy alacsony sávszélesség kihasználtságot eredményezhet, futási idben egy vagy több állomás alacsonyabb sávszélességet használ, mint amilyen ki lett osztva. Ilyen feltételek mellett a nem használt sávszélesség egyszeren kárba vész. Továbbá az állomások számát ismerni kell az állomás bemeneti korlátok számítá-

126

sához. Olyan nyílt forrású rendszereknél, ahol futási idben csatlakoznak fel, és le az állomások, nem elfogadható ez a megoldás. Leginkább a dinamikus megközelítést propagálják, melynél a busz terhelés megállapítása online módon történik, és az állomás bemeneti korlát egy elre definiált tartományon belül változhat. Így a nagyobb kommunikációs igényeket támasztó állomások sávszélesség kibvítést igényelhetnek a mások által ki nem használt sávszélességbl, ezzel megnövelve a sávszélesség kihasználtságot. Mivel az állomások dinamikusan alkalmazkodnak a forgalmi feltételekhez, az eljárás az állomások számának növelése esetén is hatékonyan mködik. Lo Bello és társai egy újabb megoldást fejlesztettek ki a dinamikus megközelítés kapcsán, mely a hálózati forgalmat az ütközések számával és az áteresztéssel becsüli (mindkettt egy adott intervallumon belül figyelik). A paramétereket ezután egy fuzzy szabályozóra küldik a hálózati bemeneti korlát beállításához. A hatékonyság a busz hozzáférést jellemz paramétert tekintve jóval nagyobb lesz, mint a statikus és dinamikus megközelítés esetén. 27.2. Módosított CSMA protokollok Az elz kategóriával ellentétben, ebben az esetben egy tetszleges protokollt megfelelen módosítva, a visszatart-újrapróbál mechanizmus révén a hálózat mködésében átmeneti javulás érhet el. Az eredmény a CSMA család egy teljesen elosztott tetszleges protokollja, mely a helyi információt és a buszhozzáférés aktuális állapotát alapul véve határozza meg, hogy mikor történjen átvitel. Két alapvet lehetség jöhet szóba: az átvitel késleltetése az ütközések valószínségének csökkentéséhez, vagy az ütközések szabályozott módon történ megszüntetése. A könyv ezen része 4 protokollt fog bemutatni. A virtuális id CSMA az els opciót követi az ütközés elkerülése érdekében implementált CSMA típussal, mely az üzenettovábbítást egy átmeneti paraméter alapján késlelteti. A maradék 3 protokoll, Windows, CSMA/DCR és EquB a második opciót követi, módosítva a visszatart-újrapróbál mechanizmust azon célból, hogy a hálózati hozzáférés késleltetése bármely üzenet esetén behatárolható legyen. A CSMA/DCR és EquB egy determinisztikus határt szolgáltat, míg a Windows egy valószínségi megközelítést használ az állomások kiválasztásához. 27.2.1. Virtuális-Id CSMA (Virtual-Time CSMA) A virtuális CSMA protokoll különböz ütemez taktikát implementál és különböz várakozási idket rendel az átvitelre szánt üzenetekhez. A forgalom a buszon a várakozási id alapján lesz besorolva. Ez a mechanizmus eléggé rugalmas abban az értelemben, hogy az összes valósidej ütemez taktika implementálható, akár statikus, akár dinamikus alapon. Ezen protokoll legérdekesebb tulajdonsága, hogy a döntés a kommunikációs csatornák állapotának figyelésével történik. Amikor a busz üresjáratba (idle) megy és egy csomópont üzenetet akar küldeni, egy adott ideig várnia kell, mely az ütemez taktikától függ. Például az MLF (Minimum Laxity First) ütemezés alkalmazása esetén a várakozási id meghatározás a pontatlansághoz használt arányos konstans révén történik. Ha ütközés lép fel, az ütemez több mint egy üzenet átvitelére jogosult ugyanazon idben. Ez esetben a protokoll újraszámolhatja a

127

várakozási idket ugyanazon szabály vagy ugyanazon valószínségi számítás alkalmazásával. Az utolsó lehetség olyan szituációk rendezésében játszik fontos szerepet, ahol az ütemez nem tudja szétválasztani az üzeneteket, például az ugyanolyan pontatlanságúakat, ezért, mindig ütközni fognak. A 27.6. ábra a Virtuális Id CSMA protokoll mködését mutatja MLF ütemezéssel. Az m-edik üzenet átvitele alatt az a és a b üzenet küldésre kész állapotba kerül. Mivel az a üzenet pontatlansága kisebb, mint a b üzeneté, az a üzenet kerül elször továbbításra. Az a üzenet továbbítása alatt megérkezik a c üzenet. A b és c üzenet ugyanazzal a válaszidvel és pontatlansággal bír. Ezért a rendszer megpróbálja mindkettt egy idben továbbítani, ütközést okozva ezzel. Majd az algoritmus a valószínségi megközelítést alkalmazza. A b üzenet egy véletlenszer várakozási idt kap, mely kisebb, mint a c üzeneté, így az kerül elször továbbításra. Amikor a b üzenet átvitele befejezdött, a c üzenet várakozási ideje újraszámolódik, és csak ezen id letelte után történik meg a c üzenet továbbítása.

27.6. ábra: VT CSMA példa MLF alkalmazásával Elnye, hogy az Ethernet hardver használata révén ebben a megközelítésben az összes NIC számára hozzáférhet csatorna állapotinformáción kívül egyéb globális információra nincs szükség. Így relatíve alacsony számítási terheléssel teljesen elosztva és egységesen implementálható a protokoll. Mindazonáltal ez a megvalósítás számos hátránnyal is bír: x

a teljesítmény nagyban függ az arányos konstans értékétl, mely a várakozási id generálásához szükséges: x ütközések lépnek fel, ha túl rövid, x üresjáratok alakulnak ki, ha túl hosszú, x az arányos konstans érték az üzenetkészlet tulajdonságaitól függ, ezért az online módosítások rossz teljesítményhez vezethetnek, x a lehetséges ütközések miatt, a legrosszabb-eset átviteli id nagyobb lehet, mint az átlagos átviteli id és így csak valószínségi idgarancia biztosítható, x az implementációban a számítási túlterheltség a busz forgalmának növekedésével emelkedik, mert minden egyes átvitel vagy ütközés megszakítást idéz el a csomó-

128

pontokban. Ez költséges lehet nagy sebesség hálózatok esetében, mit például a Fast vagy Gigabit Ethernetnél, fleg amikor a forgalom sok rövid üzenetet tartalmaz. 27.2.2. Windows protokoll A Windows protokollt a CSMA/CD és a token gyrs hálózatokhoz fejlesztették ki. A csomópontok a hálózaton egy közös idintervallumot, ablakot (window) fogadnak el. A sikeres átvitel érdekében minden csomópont az ablak indításával szinkronizálódik. A busz állapot révén mérhet a kereten belül továbbítandó üzenetekhez tartozó csomópontok száma: x x

ha csak egy üzenet van az ablakban, akkor az továbbítódik, ha kett vagy több üzenet van az ablakon belül, akkor ütközés lép fel.

A busz állapotától függen számos akció mehet végbe: x x x

ha a busz üres járatban marad, akkor az ablak idtartama valamennyi csomópontban megn, ütközés esetén az idablak lerövidül valamennyi csomópontban, sikeres továbbítás esetén az ablak újraindul, és az idtartama nem módosul.

Az els két esetben az ablak idtartama megváltozott, de az ablak nem indul újra. Továbbá az ablak idtartama egy maximum és minimum érték között változik. Egy meglehetsen hosszú üresjárat periódusban az ablak visszatér az eredeti maximális hosszához. Ha egy új csomópont lép be dinamikusan a rendszerbe, akkor egy pillanatnyi ablak idtartam eltérés fog mutatkozni a többi csomóponthoz képest. Ez zavart idézhet el a kezdeti periódusban, több ütközést eredményezve, mint az elvárható lenne. Ameddig az üresjárat fennáll, minden ablak közelíteni fog a kiinduló hosszhoz. Valószínségen alapuló mechanizmusra lehet szükség, amikor az ablak lecsökken a minimális hosszra és ütközések lépnek fel (két üzenet ugyanazzal az átviteli idvel). A 27.7. ábra egy lehetséges példát mutat be a Windows protokoll mködésére MLF üzenetütemezést alkalmazva. A fels tengely a legutóbbi üzenetek (A, B ,C) küldési idejét reprezentálja. Az üzenet legutolsó küldési ideje a legutolsó idpillanat, mellyel az üzenettovábbítás el kell, hogy induljon a válaszid teljesítéséhez. Ez ugyanaz, mint az üzenet pontatlansága, melyet az elz fejezetben mutattunk be. Az els ablak (1. lépés) tartalmazza a három üzenet legutolsó küldési idejét, mely egy ütközést generál. A résztvev csomópontok észlelik az ütközést, és az ablak lerövidül (2. lépés). Az A és B üzenetek utolsó küldési ideje még mindig az ablakon belül található, mely egy újabb ütközést idéz el. Erre válaszul, az ablak mérete újra lecsökken (3. lépés). Ez esetben az A üzenet utolsó küldési ideje az ablakon belül lesz, mely sikeres továbbítást eredményez.

129

IstA

1. ablak

1. lépés

2. ablak

2. lépés

3. lépés

Ist C

IstB

3. ablak

A, B és C üzenetek ütköznek

A és B üzenetek ütköznek

A üzenet továbbítása

27.7. ábra: Példa bemutatása a Windows protokoll mködésére Ez az eljárás olyan jellemzket szemléltet, melyek nagyon hasonlóak az elz eljáráshoz (Virtuális id protokoll). Csak lokális információn alapszik, mely valószínségi korlátot biztosít a hálózati késleltetéshez, valamint könnyen implementálható teljesen elosztott és egységes módon. A számítási túlterheltség is hasonló az elz megoldáshoz. Ez a megvalósítás viszont hatékonyabb, mint a virtuális id az adaptálhatóság miatt, mivel könnyen megoldható a csomópontok és a kommunikációs követelmények dinamikus változtatása. A hatékonyság alapjában véve a lépések nagyságával befolyásolható, az ablak idtartamának variálásával. 27.2.3. CSMA/DCR (CSMA / Deterministic Collision Resolution) LeLann és Rivierre mutatta be a CSMA/DCR protokollt, ahol a DCR determinisztikus ütközésfeloldást jelent. Ez a protokoll egy teljesen determinisztikus hálózati hozzáférési sémát valósít meg, mely az ütköz üzenetekbl felépül bináris faként fogható fel (27.8. ábra). A prioritások hierarchiába rendezdnek, mely révén a maximális hálózati késleltetés (melyet egy üzenet még elvisel) megadható.

27.8. ábra: CSMA/DCR keresési fa példa

130

Keresési sorrend Csatorna állapot Forrás index

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

C

C

C

I

C

X

X

X

C

I

C

X

C

X

X

2

2

2

2

2

3

5

12

12

12

14

14

15

3 5 12 14 15

3 5

3

3

14 15

14 15

15

Megjegyzés: csatorna állapot: C - ütközés, I (idle) - üresjárat, X - átvitel

Normális mködés közben, a CSMA/DCR a szabványos IEEE 802.3 protokollt követi (véletlenszer elérés). Amikor egy ütközés lép fel a protokoll „epoch” módba kapcsol. Ebben a módban az alacsonyprioritású üzenetforrások önként lemondhatnak a buszról, és magasabb prioritású üzenetek küldését kísérli meg. Ez a folyamat addig ismétldik, amíg sikeres továbbítás nem megy végbe. Miután valamennyi keret, mely az ütközésben részt vett, továbbítódott, a protokoll visszavált a véletlenszer hozzáférési módhoz. Figyelembe véve, hogy az alacsonyabb indexek magasabb prioritást jelentenek, a kezdeti ütközés után a jobb ága a fának (12, 14, 15 üzenetek) felhagy a buszért való versengésben. Mivel még 3 üzenet van a bal ágon, egy új ütközés lép fel a 2,3,4 üzenetek között. Így, a bal alág lesz újra kiválasztva, kihagyva az 5. üzenetet. A következ menetben, a 2. és a 3. üzenet ütközik ismét. Az az alág lesz ismét kiválasztva, mely ezek után nem tartalmaz aktív üzeneteket, így a következ idközben a busz üresjáratban lesz (4. lépés). Ez okozza az elmozdulást a jobb alágra, ahol a 3. és az 5. üzenet tartózkodik, mely újabb ütközést eredményez. Végül, a 6. lépésben az egy üzenetet tartalmazó ág 5-ös indexszel lesz kiválasztva, mely sikeres továbbítást eredményez. Az algoritmus addig folytatódik, amíg valamennyi üzenet sikeresen nem továbbítódik. Annak ellenére, hogy biztosítható egy korlátozott hozzáférési id az átviteli közeghez, ez a megközelítés két hátránnyal jár: x x

számos esetben a firmware-t (förmvert) módosítani kell, ezért a szabványos Ethernet hardver révén nyert gazdaságosság eltnik, a legrosszabb eset átviteli ideje, mely a legfontosabb tényez a valósidej rendszerek tervezése során, hosszabb lehet az átlagos átviteli idnél. Következésképpen, minden legrosszabb eset analízis nagyon pesszimista, amely a sávszélesség alacsony kihasználtságához vezet.

27.2.4. EquB Sobrinho és Krishnakumar nevéhez fzdik az EquB protokoll kidolgozása, mely elre becsülhet mködést tesz lehetvé osztott Ethernet hálózatokon. Egy átlapoló mechanizmussal egészíti ki az eredeti CSMA/CD eljárást, mely lehetvé teszi valósidej és nem valósidej forgalom lebonyolítását ugyanazon a hálózaton, mialatt privilegizált hozzáférést biztosít az elznek az utóbbival szemben, (elsnek érkezett elsnek kiszolgált (FCFS hozzáférés).

131

Az ütközés feloldó mechanizmusnál a valósidej források miatt az Ethernet eredeti exponenciális backoff mechanizmusát le kell tiltani. Ezt konfigurálni kell az adott hosztok hálózati interfészén, de az utóbbi paraméter alapértelmezés szerint nem támogatott az NIC-knél. A valósidej forgalmi modell feltételezi, hogy a hosszú idtartamok alatt, melyeket üléseknek nevezünk, a valósidej hosztok folyamatosan periodikus adatfolyamokat generálnak átvitelre a hálózaton keresztül. Ez jellemz például, amikor egy hoszt egy videó folyam átvitelét kezdi meg egy konstans bit sebességen. Az ütközésekben résztvev nem valósidej hosztok az Ethernet eredeti CSMA/CD mechanizmusa révén rendezdnek. Amikor valósidej hosztok vesznek részt az ütközésben, akkor egy torlódást jelent jelzést továbbítanak, mely hosszabb, mint az Ethernet MAC protokollban specifikált. Ezeket a mesterséges torlódást jelz szignálokat fekete burst-öknek nevezik, és a maximális idtartamuk egy adott hoszt által egy adott üzenet küldésére várt idtartammal arányos, vagyis az ütközés feloldási folyamat idtartamával. A fekete burst-ök átvitele alatt, a busz állapota folyamatosan monitorozott. Ha egy adott pillanatban a buszért verseng valósidej hoszt azt detektálja, hogy már nincs fekete burst-öket küld csomópont, akkor ez azt bizonyítja, hogy ez a hoszt rendelkezik a legrégebbi küldésre kész üzenettel, következésképpen megszakítja a saját fekete burst-jének küldését, és azonnal áttér az adatcsomag küldésére. Ha egy valósidej hoszt a teljes fekete burst-jét átküldte és még mindig torlódást észlel a buszon, akkor ez azt bizonyítja, hogy a hosszabb fekete burst-tel bíró hosztok hoszszabb várakozási idvel versengenek a buszért. Ilyen esetben a hoszt visszalép, megvárva, míg a busz üresjáratba nem lép. Ekkor a fekete burst idtartama újraszámolódik a megnövekedett várakozási idk mérlegeléséhez, és egy újabb kísérletet tesz az üzenet elküldésére. Maximális „black burst” idtartam

tacc 1 tvárakozás 1

RT csomag 1

t IFS

tacc 2

Maximális „black burst” idtartam

tvárakozás 2

RT csomag 2

t IFS

IFS

Adat csomag k

t

t0

t1

t2

t3 t4

t5

t6

Jelmagyarázat: NRT adat csomag

RT adat csomag

Black burst

27.9. ábra: A black burst mechanizmus 132

t7

t8

A 27.9. ábra egy busz mechanizmust szemléltet két hoszttal, melyek egy-egy valósidej üzenetet tartalmaznak (1 és 2) t0 és t1 pillanatban történ továbbításra ütemezve, egy harmadik adatüzenet továbbítása alatt. Mivel mindkét hoszt azt érzékeli, hogy a busz foglalt, várni fognak az aktuális üzenet továbbításával plusz egy keretközi szünettel (IFS), amely t2 pillanatban jelenik meg. Az EquB alapján, mindkét csomópont megkísérli a saját üzenetét elküldeni a t3 pillanatban, ezzel ütközést generálva és megkezdve a fekete burst-ök továbbítását a t4 pillanatban. Mivel a 2. üzenet egy rövidebb várakozási idvel bír, mint az 1. üzenet, így a saját fekete burst-jeinek átvitelét befejezte t5 idpillanatban, és az adott hoszt visszalép, megvárva, míg a busz üresjáratba nem lép, mieltt újra próbálná az üzenet továbbítását. Ezen a ponton, a nyertes hoszt, mely a legrégebbi üzenetet tartalmazza, azt detektálja, hogy nem érkezik már torlódó szekvencia más hoszttól, így leáll a saját torlódó jelzések küldésével, és azonnal elindítja a saját adatcsomagjának a küldését, mely a t6 idpillanatban következik be. Fontos felismerni, hogy a nem valósidej adatcsomagok mindig vesztenek a valósidej üzenetekkel szemben, mivel a valósidej hosztok a torlódó jelzést követen azonnal elkezdik küldeni üzeneteiket késleltetés nélkül, míg a nem valósidej üzenetek a szabványos Ethernet visszatartó-újrapróbáló mechanizmus révén kerülnek továbbításra. Másrészrl, a valósidejek esetén, a hosszabb várakozási idvel rendelkez üzenetekhez hosszabb fekete burst-ök társulnak. Így azok rövidebb várakozási idvel bíró valósidej üzenetek eltt kerülnek továbbításra, mely FCFS sorba rendezést eredményez. Az EquB a periodikus valósidej forgalom esetén elnyös, az átvitelt minden egyes hosztban egy periódussal késbbre ütemezi az aktuális átviteli pillanathoz képest. Így gyakorlatilag, amikor egy üzenetperiódus az összes valósidej hosztban egyenl vagy arányos, a többi résztvev nem fog újból ütközni, amely nagy hatékonyságú busz kihasználtsághoz vezet. 27.3. Token továbbítás (Token Passing) A token továbbítás egy jól ismert közeg hozzáférési technika az osztott broadcast jelleg hálózatoknál. Eszerint a technika szerint egyetlen egy token van jelen a teljes hálózatban és csak a tokent birtokló csomópont jogosult üzenettovábbításra. A token körbejár a csomópontok között egy protokoll függ sorrend alapján. Ebben az egyszer és igen kedvelt módszerben a token egy körön jár, mely lehetvé teszi a sávszélesség egyenl részekre való osztását a csomópontok között nagy forgalmi terhelés mellett. Aszimmetrikus sávszélesség kiosztás esetén számos protokoll lehetvé teszi a token számára, hogy ugyanazon csomóponthoz többször eljusson egy token-továbbító ciklus alatt. Mindkét esetben a valósidej mködés alapfeltétele, hogy minden egyes csomópont esetén korlátozni kell a token ott tartózkodásának idejét. Ez idvezérelt tokenes protokoll révén érhet el, mint például az FDDI, IEEE 802.4 Token Bus és PROFIBUS esetén. A buszhozzáférés nem periodikus a token érkezések szabálytalansága miatt, mely jelents késleltetést eredményez a nagy sebesség periodikus üzenetfolyamokban. Például a RETHER és RT-EP protokollok különböz token menedzsel taktikákat alkalmaznak. A RETHER esetén a token körbejárás periodikusan megy végbe. Az RT-EP estében a

133

token elször az összes csomóponton körbejár, hogy a legnagyobb prioritású, továbbításra kész üzenetet megkeresve közvetlenül továbbítva legyen az adott csomóponthoz. 27.3.1. Idvezérelt tokenes protokollok (Timed-Token Protocols) Az idhöz kötött tokenes protokollok esetén, a token valamennyi csomóponton áthalad egy adott sorrend alapján a küldésre kész üzenetek prioritásának elzetes ismerete nélkül. Ezért a token érkezés esetén, egy csomópont számos vagy 0 küldésre kész üzenetet tartalmazhat. Az elz esetben a csomópont továbbítja a továbbításra kész üzenetét, amíg a tokent birtokolja. Az utóbbi esetben a token továbbhalad. A protokoll nehézsége, hogy egy fels korlátot tartalmaz az idintervallumot illeten, mely alatt egy csomópont birtokolhatja a tokent. Ez az idtartam dinamikusan módosul minden egyes token érkezést követen a cél és az effektív token körbejárási idk különbsége alapján. A cél token körbejárási id egy beállított paraméter, mely a rendszer átmeneti viselkedését nagyban befolyásolja. Például direkt módon befolyásolja a legrosszabb eset intervallumot a két egymást követ token látogatás között. Az effektív token körbejárási id egy idtartam, mely tulajdonképpen a token érkezése és az elz érkezése között eltelt id ugyanazon csomóponton. Ezért, minden egyes token érkezés alatt egy csomópontnak hosszabb vagy rövidebb id áll rendelkezésére az üzenetek továbbítására attól függen, hogy a token korábban vagy késbb érkezett meg. Egy minimális továbbítási kapacitás garantált minden egyes csomópontnak a token birtoklásának ideje alatt, ezzel lecsökkentve a kihasználatlan periódusokat. Ismerve a globális kommunikációs igényeket illetve a hálózatban lév csomópontok számát, beszélhetünk a valósidej forgalom várakozási idejére vonatkozó, a két egymást követ token látogatás között minden egyes csomópontra érvényes fels idkorlátról. Steffen és társai ennek a koncepciónak egy megvalósítását mutatták be egy osztott közeg helyi hálózaton. Habár az osztott Ethernet a cél, az eljárás alkalmazható olyan hálózatok esetén is, mint például a HomePNA és a Powerline. A kiterjesztett Ethernet protokoll a 27.10. ábrán követhet nyomon. Direkt elérés

TCP/ UDP IP

QoS alréteg

Video/ Audio

Valós idej forgalom

Logikai kapcsolat vezérl

Token-átadási protokoll

Közeg hozzáférés vezérl (MAC)

Fizikai réteg

27.10. ábra: Kiterjesztett Ethernet protokoll az idzített mködéshez

134

A hálózatra csatlakozó összes csomópont egy QoS (szolgáltatás minsége) alréteggel van ellátva, mely a logikai adatvezérl és a közeghozzáférési vezérl réteg közötti csatoló. A QoS alréteg felülírja az eredeti választó mechanizmust, a buszhozzáférést egy token-adogatásos mechanizmussal szabályozva. Ez a protokoll két különböz típusú üzenet folyamot definiál: szinkron és aszinkron üzenet folyamatot. A szinkron forgalomról feltételezzük, hogy periodikus és a maximális késleltetés behatárolható. Jellemz paramétere az üzenet-átviteli id, periódus- és válaszid. Az aszinkron forgalom kezelése a legjobb eset stratégia alapján történik, és ezért nem garantálja a valósidejkommunikációt. Az aszinkron adatfolyam az üzenet átviteli idvel és egy adott átlagos sávszélességgel jellemezhet. Amikor a token megérkezik egy csomóponthoz, a szinkron üzenet kerül elször elküldésre. Ezután a token a körben következ csomóponthoz indul tovább. Az ilyen jelleg forgalom lebonyolításához minden csomópont részére biztosított legalább egy, elre definiált szinkron sávszélesség minden token látogatáskor.

27.3.2. RETHER protokoll A RETHER protokoll Venkatramani és Chiueh nevéhez fzdik. Ez a protokoll normál Ethernet CSMA/CD módban üzemel addig, amíg valósidej kommunikációs kérés nem érkezik, ugyanis ekkor átvált tokenes busz üzemmódba. Tokenes busz üzemmódban a valósidej adat periodikus módon kezeldik és az id fix hoszszúságú ciklusokra van felosztva. Egy ciklus ideje alatt a buszhozzáférés a token révén kontrollálható. Elször a token végigmegy az összes olyan csomóponton, mely valósidej üzenetforrásnak (RT) tekinthet. Ezután, ha még van elegend id a ciklus végéig, a token körbemegy az összes nem valósidej üzenetforráson (NRT). Az online vezérl taktika feltételezi, hogy minden elfogadott RT kérés mindig kiszolgálható és az új RT kérések nem veszélyeztethetik a meglév RT üzenetek bizonságát. Ezért, minden egyes ciklusban minden RT csomópont elküldheti a saját RT üzenetét. Ethernet

1

NRT 1

2

NRT 2

3

NRT 3

4

NRT 4

5

NRT 5

6

RT 1 n

RT üzenetet tartalmazó csomópontok

m

NRT üzenetet tartalmazó csomópontok

27.11. ábra: RETHER típusú hálózat A 27.11. ábra egy lehetséges hálózati konfigurációt mutat be 6 csomóponttal. Az 1. és 4. csomópont RT üzenetek forrásai, RT halmazt alkotva. A megmaradó csomópontok nem rendel-

135

keznek ilyen RT igényekkel, így NRT halmazt alkotnak. Egy lehetséges token szekvencia lehet a következ: ciklus i{1-4-1-2-3-4-5-6}, ciklus i+1 {1-4-1-2}, ciklus i+2{1-4-1-2-3-4}, stb. Az i-edik ciklusban a terhelés elég alacsony, így a tokennek van ideje végigmenni az RT halmazon valamint az összes csomóponton, melyek az NRT halmazba tartoznak. A következ ciklusban az RT készlet mellett a token végigmegy az NRT-beli csomóponton, és a rákövetkez ciklusban az 1-tl 4-ig számozott NRT csomópontokon megy végig. A megközelítés a „legrosszabb eset” stratégia szerinti hálózati hozzáférés késleltetéséhez biztosít determinisztikus analízist, gyakorlatilag tehát az RT forgalom részére. Továbbá, ha az NRT forgalom, mint valószínségi változó ismert, akkor az illet hálózat-hozzáférési késleltetés körülhatárolható, mely fontos lehet például sporadikus valósidej üzenetek esetén. Mivel a sávszélesség NRT üzenetek számára elosztott a token cirkuláció során alkotott csomóponti sorrend alapján, az els csomópontok mindig elsbbséget élveznek a rákövetkez csomópontokhoz képest, mely nagyon hosszú a „legrosszabb eset” stratégia szerinti hálózat-hozzáférési késleltetést eredményez. Továbbá a metódus miatt a token körbejárása miatt jelents kommunikációs túlterheltség alakul ki. 27.3.3. RT-EP: Valósidej Ethernet Protokoll (Real-Time Ethernet Protocol) A valósidej Ethernet protokoll egy token-adogatásos protokoll az Ethernet felett, melyet arra fejlesztettek ki, hogy egyszerbb vizsgálhatóságot biztosítson ismert ütemez algoritmusok alkalmazásával. Az RT-EP hálózat egy logikailag szervezett gyr, ahol minden egyes csomópont tudja, hogy melyik csomópont az elz és a következ. A token csomópontról-csomópontra körbejár a logikai gyrn.

Prioritási sorok

Init_Comm

RX sor

Send_Info

RX sor

F kommunikációs szál

Recv_Info RX sor

27.12. ábra: RT-EP mködési mechanizmus

136

Ethernet

Feladatok

TX sor

A buszhozzáférés két fázisból épül fel: a kiválasztásból és az üzenettovábbításból. A kiválasztási fázisban, a token körbemegy az összes csomóponton mely a logikai gyrt alkotja, hogy megállapítsa melyiknél van a legnagyobb prioritású üzenet. Ezen célból a token egy prioritási küszöböt szállít, melyet a rendszerben lév legalacsonyabb prioritással inicializál minden egyes üzenet elküldés alkalmával. A token megérkezésekor minden egyes csomópont összehasonlítja ezt a prioritást a saját prioritásával. Ha egy üzenet nagyobb prioritással bír, mint a tokenbe kódolt prioritás, akkor megtörténik a frissítés. A token a csomópont azonosítóját is hordozza, mely megmondja, hogy melyik csomópontnál találta meg a legnagyobb prioritású üzenetet. A kiválasztási fázist követen a token közvetlenül ahhoz a csomóponthoz továbbítódik, mely a legnagyobb prioritású üzenetet tartalmazza (alkalmazási üzenet átviteli fázis). Az üzenet átvitel után, ugyanaz a csomópont egy új kiválasztási fázist indít. Minden egyes csomópont rendelkezik átviteli prioritási sorral, melyen belül minden kimen üzenet prioritásos sorrendben tárolódik, és egy készletettel a vételi prioritásos sorokról. A f kommunikációs szál kezeli az összes hálózati mveletet, továbbítva a protokollhoz kapcsolódó mveleteket, nevezetesen a kiválasztást illetve üzenet átvitelt és vételt. A felhasználói alkalmazások három szolgáltatáshoz férnek hozzá: x x x

Init_Comm: hálózati beállításokat végez, Send_Info: a TX sorba tesz üzenetet (elküldésre), Recv_Info: üzenetet olvas (ha van) az RX sorból.

Az RT-EP csomagok az Ethernet keretek adatmezjében kerülnek továbbításra. Két különböz típusú RT-EP csomagról beszélhetünk: tokenes csomagokról és információs csomagokról. A tokenes csomagok kezelése a kiválasztási fázisban történik, és a következket foglalja magában: csomagazonosítót, specifikálva a csomag funkcióját; prioritást és állomás cím mezket, azonosítva a legmagasabb prioritású üzenetet és az illet állomás azonosítót; mezket a hibák kezelésére. Az információs csomagok az aktuális alkalmazás adatot hordozzák, és a következket tartalmazzák: x x x x x x

csomagazonosítót, mely specifikálja a csomag típusát, prioritás mezt, mely a szállított üzenet prioritását tartalmazza, egy csatornaazonosítót, mely a cél sort azonosítja a fogadó csomópontban, egy hossz mezt, mely az üzenet által hordozott adatméretét definiálja, egy információs mezt, mely az aktuális üzenet adatot hordozza, és egy csomag szám mezt, mely a hibatoleranciát biztosító szekvencia szám.

A hibatolerancia mechanizmus lehetvé teszi sérült üzenetek helyreállítását. Ez a mechanizmus azon alapszik, hogy az összes állomás folyamatosan a buszt figyeli (hallgatja). Bármilyen tranzakciót követen az elz állomás figyeli a buszt, várva a következ keret átvitelére. Ha a fogadó állomás nem visz át egyetlen keretet sem az adott idkereten belül, az elz állomás feltételezi, hogy az üzenet elvész és újraküldi azt. A sikertelen próbálkozások kapcsán 137

egy elre definiált szám alapján a fogadó állomás hibásnak minsítdik és kikerül a logikai gyrbl. A mechanizmus üzenet duplikáláshoz vezethet. A szekvencia szám, mely jelen van a tokenben és az információs csomagokban is, a fogadó állomáson az üzenetek duplikálásának elkerülésére szolgál. 27.4. Idosztásos többszörös hozzáférés (Time-Division Mutiple Access) Egy másik jól ismert technika a mködés átmeneti becsléséhez osztott kommunikációs hálózaton, ha ciklikusan kizárólagos idréseket (slot time) rendelünk a különböz adatforrásokhoz (a csomópontokhoz vagy az eszközökhöz). Ez a jól ismert idosztásos többszörös hozzáférés (TDMA), mely tartalmaz egy globális szinkronizációs keretet azon célból, hogy az öszszes csomópont egyezségre jusson az adott átviteli idréssel kapcsoltban. Ez a megoldás egy ütközésmentes közeghozzáférési protokoll, melyet az osztott Ethernet legmagasabb szintjén alkalmazzák felülbírálva az eredeti CSMA/CD mechanizmust. A TDMA mechanizmusokat széles körben alkalmaznak, fleg kritikus biztonságú alkalmazásokban. Példaként említhetjük a TTP/C, TT-CAN, SAFEBus és SWIFTNET megvalósításokat. 27.4.1. MARS busz (Maintainable Real-Time System Bus) A MARS busz egy hálózati infrastruktúra volt a MARS (Fenntartható Valósidej Rendszer) architektúrában, melyet az 1980-as évek végén fejlesztettek ki. Nem sokkal megjelenése után a MARS buszt továbbfejlesztették, ami már a ma ismert TCP/C protokollhoz hasonlít. A MARS architektúra célterülete a hibatr elosztott rendszerek. Aktív redundáns mechanizmusai révén magas fokú kiszámíthatóságot biztosít. A MARS-ban minden tevékenység offline módon ütemezett, beleértve a feladatokat és az üzeneteket is. Az ütemezés ezután online módon váltja ki a rendszer tranzakcióit a megfelel idpillanatokban. A feladatok közötti tevékenységek, legyenek azok helyiek vagy távoliak, MARS üzeneteken keresztül mennek végbe. A MARS busz alapkoncepciója az, hogy MARS üzeneteket kell továbbítani a különböz csomópontok között. A MARS busz a 10Base2 Ethernet-en alapszik, szabványos Ethernet interfész kártya alkalmazásával. A TDMA séma az eredeti Ethernet CSMA/CD közeghozzáférés vezérlést bírálja felül. A TDMA-kör egyenl nagyságú idrések szekvenciájaként épül fel, melyek mindegyike körkörös módon társul egy-egy csomóponthoz. Továbbá, minden egyes idrés alatt a feladatok ütemezése az egyes csomópontokban megtörténik, ezzel megakadályozva a versengést a buszhozzáféréshez. 27.4.2. Változó Sávszélesség-kiosztású Séma (Variable-Bandwidth Allocation Scheme) A Változó Sávszélesség-kiosztású Séma az Ethernet hálózatok kapcsán került bevezetésre Lee és Shin által. Alapjában véve ez egy TDMA átviteli mechanizmus, melyben az egyes csomópontokhoz rendelt idrések hossza egy TDMA menetben változhat. Ez a tulajdonság teszi lehetvé, hogy a sávszélesség elosztás a csomópontok között a hatékony kommunikációs elvárások figyelembevételével történjen, jóval hatékonyabb sávszélesség-kiosztást elérve így, mint más TDMA alapú mechanizmus esetén, mint például a MARS busznál használt egyenl

138

méret idrések esetén. Manapság, ez a tulajdonság megtalálható a legtöbb TDMA alapú protokollban (például TTP/C és TT-CAN), javítva ezzel a sávszélesség hatékonyságot. Továbbá, ez a technika megteremti a lehetséget a rendszer konfiguráció online módon történ változtatásához, azaz csomópontok elvételéhez és hozzáadásához, mely a flexibilis TDMA rendszereket jellemzi. A keret idtartam (keret id - F) együtt az idrés nagyságával (slot id - Hi) kerül kiszámításra az adott forgalmi karakterisztika alapján. Minden egyes keretben az els idrés (Tc) kontrolláló célokat szolgál, mint például idszinkronizáció és csomópontok hozzáadása vagy törlése. A TDMA keret felépítését a 27.13. ábra szemlélteti. Keretid

TC

H1

H2

Hn Id

Idrés (szlot)

Idrések közötti id

27.13. ábra: Egy TDMA keret struktúrája Az idrések közötti idnek igazodnia kell a globális id pontatlanság mértékéhez, engedélyezve a csomópontoknak, hogy a bejöv üzeneteket feldolgozzák, mieltt a következ idrés megnyílik. A szerzk egy sor szükséges feltételt adnak meg azért, hogy az adott kiosztási séma (f) meg tudja adni a keret (F) és az idrés nagyságát (Hi) a kommunikációs igényeknek megfelel üzenet átviteli idt (Ci), periódusokat (Pi) és a rendszer túlterheltségét (). f:({Ci},{Pi}, )({Hi},F). Ezeket a feltételeket alapul véve, a szerzk egy algoritmikus megközelítést adnak az F és a Hi számításának elvégzésére és összehasonlítják ezen eljárás eredményeit más TDMA megvalósításokkal, mint például a MARS. Az eredmények azt mutatják, hogy a sávszélesség kihasználtságban javulás érhet el a változó sávszélesség allokációs séma révén. 27.5. Master-Slave technikák Az egyik legegyszerbb módja a valósidej kommunikáció megvalósításának osztott broadcast buszon a master-slave megközelítés, ahol egy kitüntetett szerep csomópont a master, mely a közeghozzáférést vezérli az összes többi csomópont (slave) vonatkozásában. Ez a megoldás azonban nem használja ki a sávszélességet, mert az adat üzeneteket meg kell, hogy elzzék a master által küldött vezérl üzenetek, mely jelents kommunikációs túlterheltséget okoz. Továbbá, a fordulási idvel (az az id, ami két egymást követ üzenet között telik el) további túlterheltség lép fel, mivel minden egyes csomópontnak fogadnia és dekódolnia kell a vezérl üzenetet mieltt az adatcsomagját továbbítaná. Mindazonáltal, hogy viszonylag nehézkes átvitelvezérl stratégia, számos protokollban használják.

139

Az FTT Ethernet különös figyelmet érdemel, mivel egy módosított master-slave technikát implementál, mely lecsökkenti a protokoll kommunikációs túlterheltségét. Ez egy master-multislave megközelítés, mely szerint a busz id ciklusokra van felosztva, és a master egy kontrolláló üzenetet küld ki minden egyes ciklusban, jelezve, melyik üzenetet kell továbbítani. A mechanizmus az FTT kommunikációs keretmunka kapcsán fejlesztették ki, és különböz hálózati protokollokon implementálták. 27.5.1. FTT Ethernet Protokoll Az FTT Ethernet protokoll a master-multislave átviteli vezérltechnikát a központosított ütemezéssel kombinálja a kommunikációs feltételeket és az üzenet-ütemez stratégiát egyetlen csomópontba, a master-ba helyezve, elsegítve ezzel az online módosításokat, így nagy mködési rugalmasságot biztosít. A busz idt fix hosszúságú idrésekre, úgynevezett elemi ciklusokra (EC) osztják fel, melyek további két részre különülnek el: a szinkron és az aszinkron ablakokra (27.14. ábra), melyek különböz karakterisztikával rendelkeznek. A szinkron ablak periodikus, idvezérelt forgalmát a master csomópont ütemezi. Az idvezérelt kifejezés azt jelenti, hogy a forgalom egy közös idalaphoz szinkronizált, melyet ez esetben a master szolgáltat. Az aszinkron ablak a protokollvezérl üzenetekhez, eseményvezérelt üzenetekhez kötd forgalmat, illetve a nem valósidej forgalmat biztosítja. A két fázis között egy elég jelents idbeli elkülönülés van, hogy az eseményvezérelt forgalom ne ütközzön az idvezérelt forgalommal. i. elemi ciklus TM

SM1

SM1, Tx1

SM3, Tx 3 SM8, Tx 8 SM9, Tx 9

SM3

SM8

(i + 1). elemi ciklus

Aszinkron ablak

Szinkron ablak SM9

CM3

NRTM4

TM

SM1

SM4

SM11

CM7

NRT11

NRT21

SM1, Tx1

SM4, Tx 4 SM11, Tx11 27.14. ábra: FTT Ethernet forgalmi struktúra

Annak ellenére, hogy lehetség van az idvezérelt forgalom paramétereinek online módosítására, az FTT-Ethernet protokoll globális idszerséget kényszerít ki online engedély vezérlés révén. A globális jellemzknek és az idvezérelt forgalomvezérlésének köszönheten a protokoll választó ütemez stratégiát támogat. A flexibilitás mellett a hátrányát is meg kell említeni a protokollnak, ugyanis számítási túlterheltség jelenik meg a master-ben az üzenet-ütemezés és az ütemezési analízis végrehajtása során. A slave-ek által igényelt számítási teljesítmény a vezérelt üzenetek dekódolásához és az adott pillanatban történ átviteléhez szükséges. Biztonságkritikus alkalmazásokban a master-rl egy másodpéldányt kell biztosítani, ahol speciális mechanizmusok találhatók a rendszerigényeket tároló bels adatbázisok közötti összefüggség fenntartására.

140

27.5.2. ETHERNET Powerlink Az ETHERNET Powerlink egy megvalósított kereskedelmi protokoll, mely determinisztikus valósidej kommunikációt biztosít hub-alapú Fast Ethernet hálózatokon. Egy nemrég kifejlesztett változata megteremti a kapcsolt Ethernet-en való mködés lehetségét. A protokoll periodikus vagy eseményvezérelt adatcseréket támogat, valamint nagyon szk idszinkronizációt (a pontosság jobb, mint 1us) és gyors frissítési ciklusokat biztosít. Felépítés és funkcionalitás szempontjából a protokoll számos hasonlóságot mutat a WorldFIP protokollal. Az Ethernet Powerlink protokoll master-slave átviteli technikát alkalmaz, mely teljesen megvédi a buszhozzáférés során fellép ütközésektl. A hálózati architektúra aszimmetrikus, mely egy úgynevezett Powerlink kezelbl (master) és Powerlink figyelkbl (slave) tevdik össze. A master eszköz vezérli a kommunikációs tevékenységeket idréseket rendelve a többi állomáshoz. A slave eszközök pedig passzív állomások a buszon, melyek a kezeltl érkez explicit kérés után küldenek információt. A Powerlink protokoll izokron módon üzemel, az adatcsere ciklikusan történik, mely fix hosszúságú mikrociklusokon alapszik (Powerlink Ciklus). Minden egyes ciklus négy különböz fázisra bontható, melyek az indító periódus, ciklikus periódus, aszinkron periódus és üresjárati periódus (27.15. ábra). Ciklusid

Master slave

Indító periódus Ciklus kezdete

Lekérdezési mvelet Válasz mvelet

Ciklikus periódus Lekérdezési mvelet

Aszinkron periódus Ciklus vége

Válasz mvelet

Üresjárati periódus

Felkérés

Küldés

Id

27.15. ábra: Powerlink ciklusok A Powerlink ciklus egy ciklus kezd üzenettel indul, melyet a kezel küld. Ez egy broadcast üzenet, mely utasítja a figyelket, hogy új ciklus fog indulni, megteremtve a lehetséget a szükséges adat elkészítésére. A kezd periódust követi a ciklikus periódus, melyben a figyelk izokron forgalmat folytatnak. Az ebben a periódusban elvégzett tranzakciókat a kezel kontrollálja, mely egy lekérdezést intéz (PollRequest) a figyelk irányába. A lekérdezésre a figyelk a szükséges adatcsomag (PollResponse) elküldésével válaszolnak. A PollRequest egy unicast üzenet, direkt módon címezve a tranzakcióban részvev figyel csomópontnak. Az ehhez tartozó PollResponse egy broadcast üzenet, elsegítve az adat eljutását az összes olyan rendszer cso141

mópontba, melyek szüksége lehet rá. Izokron üzenetek kerülhetnek kiküldésre minden egyes ciklusban vagy minden adott számú ciklusban az alkalmazás kommunikációs igényeinek megfelelen. Egy ciklusnyi izokron tranzakció elvégzésével a kezel egy ciklus végét jelz üzenetet küld, jelezve a ciklikus periódus végét. Aszinkron tranzakciókat lehet elvégezni a ciklikus periódus és a Powerlink ciklus között. Ezek az üzenetek lehetnek aszinkron adatüzenetek (felkérés/küldés) vagy menedzsel üzenetek, mint Ident/AsyncSend, melyeket a kezel küld ki az aktív állomások felderítésére. Mivel ezek a tranzakciók a Powerlink kezel révén kerülnek kiváltásra, a kezelnek elsként meg kell jegyeznie azon csomópontokat, melyekhez aszinkron adat tartozik. A végrehajtás egy izokron tranzakció alatt megy végbe jelzéssel kibvített PollResponse üzenet használatával. A kezel a különböz forrásokból érkez aszinkron kérésekhez sorokat rendel és az illet tranzakciót az aszinkron periódusban hajtja végre, amennyiben maradt elegend id a ciklus végéig. Amennyiben erre nincs id vagy nincs beütemezett aszinkron tranzakció, akkor a protokoll üres járási idt illeszt be a ciklusba, hogy elkészítse a ciklus kezdetét jelz üzenetet. Az ETHERNET Powerlink Ethernet csomagokat kezel különböz protokollok alkalmazásával. A Powerlink egy speciális célú eszközmeghajtót szolgáltat, mely a felsbb szint rétegekkel kapcsolja össze. A Powerlink Ethernet kommunikációra a 28. fejezetben visszatérünk. 27.6. Kapcsolt Ethernet (Switched Ethernet) A kapcsolt Ethernet igénye akkor merült fel, amikor célul tzték ki a globális áteresztképesség javítását, a forgalom izolálását és az eredeti CSMA/CD választó mechanizmus nemdeterminisztikus paraméterei okozta hatás csökkentését. A megosztott Ethernet rendszer soha nem lehet determinisztikus. A megosztott Ethernet hálózat helyett a kapcsolt ipari Ethernet került kidolgozásra. Ez azt jelenti, hogy az üzemben nem egyetlen Ethernet hálózat fut végig a gyáron, hanem az ipari hálózati rendszer kisebb szegmensekre van osztva, ahol a szegmensek egy-egy részfeladatot látnak el (pl. egy gépcsoport irányításával kapcsolatos informatikai feladatokat). A kapcsolt hálózati megoldások a következ jellemzkkel rendelkeznek a valósidej ipari alkalmazások támogatásához: x x x x x x

dedikált sávszélesség (habár együttesen alkalmazható vegyes architektúrákkal), a portkapcsolás megoldja a buszvezérlés problémáját, teljes 10 Mb/s, vagy 100 Mb/s berendezésenként (10 Mb/s Micro esetén), a full duplex átvitel megszünteti az ütközéseket, a sávszélesség skálázható, a Gyors Ethernettel 200 Mb/s-os sávszélesség érhet el a gerinchálózatban full duplex átvitel alkalmazásával.

A kapcsolt Ethernet hálózatok nélkülözhetetlen elemei a kapcsolók (switch-ek). A switch-ek egy ütközési tartományt adnak a portjaikhoz, azaz a portok nem csatlakoznak direkt módon egymáshoz. Amikor egy üzenet érkezik egy porthoz, akkor az letárolódik egy bufferbe, megállapításra kerül a cél, és a cél bufferjébe továbbítódik (27.16. ábra).

142

Switch (kapcsoló, váltó) Kimeneti sorok Csomag Kezelés S címkeresés S forgalom csoportosítás

Ütemez

Ütemez

Kimeneti portok

Bemeneti portok

Fogadó bufferek

27.16. ábra: Switch bels architektúra A csomagkezel blokk üzeneteket visz át a bemeneti portokról a kimeneti portokra. Amikor az egyes portokon az üzenetek érkezési aránya (legyen bemeneti vagy kimeneti port) nagyobb, mint az elküldési arány, az üzenetek sorokban várakoznak. Tulajdonképpen a legtöbb switch elég gyors az érkez üzenetek lekezeléséhez, így a bemeneti portokon nem alakul ki sor. A sorok a kimeneti portokon jelenhetnek meg, amikor számos üzenet egy rövid idtartam alatt érkezik meg, és ugyanarra a pontra kell kerülniük. Ez esetben a sorban lév üzenetek szekvenciálisan kerülnek továbbításra. Ez a sorkezel taktika a hálózat generálta késleltetéshez vezethet, mert nagyobb prioritású vagy fontosabb üzenetek blokkolódhatnak a sorban, amíg az alacsony prioritású vagy kevésbé fontos üzenetek továbbítása megtörténik. Ezért, párhuzamos sorokat hoznak létre a különböz prioritási szintekhez. A különböz prioritási szintek száma maximum 8 lehet. Az ütemez taktika ersen befolyásolja a hálózat idzítését. Egy alapvet félreértés az, hogy a switch-ek alkalmazása (az ütközések elkerülése végett) elegend a valósidej mködés megvalósítására. Ez nem igaz minden esetben. Például, ha az üzenetek burst-ös átvitele történik ugyanazon portra, akkor a kimeneti sorok túlcsordulhatnak, ezzel üzeneteket vesztve. Ez a szituáció elég nagy valószínséggel kialakulhat bizonyos elállító/felhasználó modellen alapuló kommunikációs protokoll esetén. Ezen modell alapján, minden egyes csomópont, mely az adott adatot elállítja (elállító) továbbítja a potenciális csomópontokhoz (elfizet), melyeknek szüksége van rá. Ez a modell hatékonyan támogatott az Ethernetben egy speciális címzés alkalmazásával, melyet multicast címzésnek nevezünk. Mivel a switchnek nincs tudomása a címekrl így megpróbálja az összes multicast forgalmat broadcast módon kezelni, azaz a muticast cél címekkel ellátott üzenetek az összes porthoz eljutnak (elárasztás). A legfbb elnye a kapcsolt Ethernetnek, a többszörösen szimultán átviteli utak lehetsége. Egy lehetséges módja a multicast hatásának korlátozására a virtuális LAN (VLAN) alkalmazása, melynek révén az elárasztás csak a VLAN adott portjaira van hatással. A kapcsolt Ethernet hátránya, hogy további késleltetést generál a switch illetve az elérhet prioritási szintek alacsony száma, mely megnehezíti a hatékony prioritás-alapú ütemezés implementálását.

143

Ezek a problémák fként technológiai jellegek, melyek már nagyrészt megoldódtak. Ugyanakkor a kapcsolt Ethernet enyhíti a nem-determinisztikus jelleget, és utat nyit a valósidej kommunikációra Etherneten keresztül. 27.6.1. EDF ütemezett switch Hoang és társai fejlesztették ki ezt a technikát, mely a valósidej (RT) és nem valósidej (szabványos IP) forgalom vegyítését támogatja kapcsolt Ethernet hálózaton. Az RT forgalom a „legkorábbi válaszid elször” taktika alapján ütemezdik, és azért kedvez a használata, mert online vezérlést tesz lehetvé. A rendszer architektúra a 27.17. ábrán figyelhet meg. Egy valósidej réteg (RT) beillesztését igényli a hálózati komponensek közé. Végcsomópont Alkalmazás protokollok

UDP

Switch

RT csatorna kezelés

TCP IP

RT réteg

RT sor

NRT sor MAC réteg

Ethernet Fizikai réteg

RT réteg

RT réteg

Ethernet

MAC réteg Fizikai réteg

Ethernet

MAC réteg Fizikai réteg

27.17. ábra: EDF alapú kapcsolt Ethernet rendszer architektúra Az RT felels a valósidej kapcsolatok kialakításáért, elkészítve a vezérlést, id szinkronizációt biztosítva és kezelve az üzenettovábbítást és fogadást a valósidej és nem valósidej forgalom esetén egyaránt. Az RT csatorna menedzsel rétege idszinkronizációt szolgáltat az idreferenciát tartalmazó üzenet periodikus átvitelével. Továbbá ez a réteg részt vesz a kezel folyamatban a switch bels állapotának figyelésével, a valósidej üzenetek igényeinek teljesítésével, és az RT csatornákat igényl csomópontok illetve a célok közötti közvetítéssel. A valósidej kommunikáció valósidej csatornák révén valósul meg, pont-pont logikai kapcsolatban, adott sávszélességgel. Amikor egy csomópont valósidej adatot akar küldeni, egy kérést küld a switch-hez, jelezve a forrás és a cél címeket (a MAC és az IP címeket egyaránt), a periódust, az átviteli idt és a válaszidt. Kérés esetén a switch elkészíti a vezérl mechanizmus els részét, mely a forrás csomópont és a switch (uplink), illetve a switch és a célcsomópont (dowlink) közötti kapcsolat kialakításának lehetségét vizsgálja meg. Ha a switch úgy látja, hogy a kérés teljesíthet, akkor továbbítja azt a célcsomóponthoz. A célcsomópont meg-

144

vizsgálja a kérést és informálja a switch-et, hogy fogadja-e vagy sem a valósidej kapcsolatot. A switch ezután választ küld a kezdeményez csomóponthoz. Ha az RT csatorna elfogadásra kerül, akkor hozzárendeldik egy csatornaazonosítóhoz, mely a kapcsolatot fogja azonosítani. A valósidej réteg két különböz sorból tevdik össze, az egyik valósidej forgalom a másik pedig nem valósidej forgalom lebonyolításához. Az elz egy prioritásos sor, ahol az üzenetek a válaszidejük hossza szerint vannak rendezve. A nem valósidej sor az „elsnek jöv, elsnek kerül kiszolgálásra (FCFS)” séma szerint kezeli az üzeneteket. Így a valósidej üzenetek a válaszidejük alapján kerülnek továbbításra, míg a nem valósidej üzenetek az érkezés sorrendjében. A válaszidk végtl-végig alapon definiáltak. Mivel a forgalom két lépésben kerül továbbításra (uplink és downlink), az analízisnek meg kell bizonyosodnia arról, hogy a teljes késleltetés nem haladja-e meg a teljes végtl-végig terjed válaszidt. Egy adott valósidej adatfolyam (i) esetén, ha diu az uplink válaszideje és did a downlink válaszideje, akkor a végtl-végig válaszid (diee) legalább annyi, mint a két válaszid összege: diu + did  diee. Ez az eljárás magasabb hatékonyságot biztosít a sávszélesség kihasználásban, megnövelve ezáltal az ütemezhetségi szintet. 27.6.2. EtheReal Az EtheReal protokoll szintén valósidej viselkedést produkál kapcsolt Ethernet hálózatokon. Ebben a megközelítésben, a protokollt a switch-ben implementált szolgáltatások támogatják az operációs rendszer és a végcsomópontok hálózati rétegeinek módosítása nélkül. A swicth szolgáltatásait a végcsomópontok felhasználói szint könyvtárak révén érhetik el. Az EtheReal egyaránt támogatja a valósidej és nem valósidej forgalmat. A valósidej változó bitrátájú szolgáltatás-osztály a valósidej alkalmazásokat támogatja. Ezek a szolgáltatások egy elre lefoglalt sávszélességet használnak és megpróbálják minimalizálni a csomagkésleltetéseket és a hálózati késleltetéseket. Az alkalmazásoknak adott forgalmi karakterisztikát kell szolgáltatniuk a kapcsolódási beállítás alatt. Ha ezek a paraméterek (átlagos forgalmi sebesség, maximális burst hossz) futási idben sérülnek, a valósidej átvitel nem garantált, és a csomagok elveszhetnek. A második eszköz osztály a nem valósidej alkalmazások támogatására szolgál (telnet, http, stb.). Ez esetben semmilyen garanciáról nem beszélhetünk. A valósidej szolgáltatások az EtheReal-ben kapcsolat-orientáltak, ami azt jelenti, hogy az alkalmazásoknak a kapcsolat beállítási protokollt kell követniük, mieltt adatot küldenének a valósidej csatornákon. A kapcsolat beállító eljárás egy lefoglalási kéréssel indul a felhasználói szint folyamat irányába, amit valósidej kommunikációs közvetítnek, démonnak nevezünk (RTCD) és ugyanazon a hoszton fut. Ez a démon felels a beállításért és a kapcsolatok lebontásáért, melyben a hoszt részt vesz. A foglalási kérés a vonatkozó QoS elvárásokat tartalmazza: átlagos forgalmi sebességet és maximális burst hosszát (27.18. ábra). Kapcsolat beállítási kérés vétele esetén, az RTCD a szomszéd EtheReal switchez kapcsolódik, mely kiértékeli, hogy elegend erforrás áll-e rendelkezésre az új RT kapcsolat QoS követel145

mények teljesítéséhez anélkül, hogy befolyásolná a meglév paramétereket (switch sávszélesség, CPU sávszélesség a csomagütemezéshez, adat bufferek a csomag sorokhoz). Ha az erforrások adottak és a célcsomópont ugyanahhoz a switchez kapcsolódik direkt módon, akkor pozitív a kérés nyugtázása. Ha a célcsomópont egy másik switch-hez kapcsolódik, akkor a kérést fogadó switch továbbítja azt az útvonalon soron következ switch-hez. A sikeres kapcsolat akkor jön létre, ha a forrás és a célcsomópont közötti útvonalon lév minden switch rendelkezik elegend erforrással az RT kapcsolat kialakításához. Ha egy switch nem tud elegend erforrást biztosítani, akkor visszaküldi és elutasítja az üzenetet, ami visszaindul a kérést elindító csomópont felé. Az EtheReal architektúra forgalomalakítást alkalmaz a hosztokon és a switch-eken egyaránt. A forgalomalakítás a csomagok közti érkezési id finomításához szükséges, mely egy konstans forgalomáramlási sebességet eredményez. A forgalom stratégia a QoS paramétereket ellenrzi futási idben. A nem megfelelen mköd csomópont kiszrésére alkalmas funkciók a switch-ekben lettek implementálva. A switch-en belüli csomag-ütemezés tekintetében, az EtheReal ciklikus „round-robin” ütemezést alkalmaz. Minden valósidej kommunikáció egy elre definiált ciklusban kerül kiszolgálásra. Az alkalmazások a valósidej szolgáltatásokat valósidej adatátviteli/vételi könyvtár révén érik el, mely kapcsolat beállításra és lebontásra, adatátvitelre és vételre biztosít szolgáltatásokat. M-edik EtheReal switch

„B” hoszt „A” hoszt

RTCD Kérés

N-edik EtheReal switch Eredmény/válasz

Küld alkalmazás

27.18. ábra: Kapcsolat kialakítás EtheReal architektúrában

146

28. A REAL-TIME IPARI ETHERNET (RTE) HÁLÓZATOK Említettük, hogy az IEEE 802.3 szerinti Ethernet nem determinisztikus a CSMA/CD és a backoff algoritmus miatt. Ugyanakkor az ipari irányítástechnikában a valósidej mködés alapvet követelmény. Az elz fejezetben bemutattuk azokat a kutatási erfeszítéseket, amelyek a valósidej Ethernethez vezettek. Ezekben a rendszerekben az elosztott erforrásokra épül megoldásokat részesítik elnyben a költségek csökkentése és az adatfeldolgozási teljesítmény növelése céljából. Az ilyen osztott (distributed) rendszereknél az erforrások térbeli elhelyezkedése miatt különösen fontos a valósidej adatfeldolgozás feltételeinek kidolgozása. Ehhez az szükséges, hogy a hálózatba kapcsolt rendszer idzítési viszonyai össze legyenek hangolva (28.1. ábra). Amennyiben a hálózat résztvevinek órái összehangoltan mködnek, a rendszer idviszonyai az idbélyegzés révén meghatározhatóak. Node RT órával Kontroller

1. állomás

3. állomás

2. állomás

28.1. ábra: Osztott valósidej feldolgozás 28.1. A valósidej rendszerek kategorizálása A real-time rendszereket két kategóriába szokás sorolni: melyek a hard és a soft. A Hard Real-Time (HRT) rendszerek azok, amelyekben a helytelen mködés katasztrofális esemény(ek)hez vezethet. A HRT rendszerekben a hibák pl., baleseteket okozhatnak. A HRT rendszer alkalmazása fként az ipari folyamatirányító rendszerekben követelmény. A Soft Real-Time (SRT) rendszerek nem olyan biztonság-kritikusak, mint a HRT. Ilyen rendszernek tekinthetk a multimédia alkalmazások, ahol a nem kívánt késleltetések hibás mködést okoznak, de az nem kritikus. Az SRT rendszerek biztonság-kritikus követelmény esetén nem használhatóak. Az RT rendszerek épít blokkjait az alábbi idkkel jellemezhetjük: 1. 2. 3. 4. 5.

feléledési id (release time), felkészülési id (ready time), végrehajtási id (execution time), válasz id (response time), határid (deadline).

Egy blokk a feléledési id elteltével válik a rendszer által elérhetvé, használhatóvá. A végrehajtási id a blokk által képviselt funkció komplett feldolgozásához szükséges id. A válasz id a feléledési id és végrehajtási id befejezése közötti idintervallumot jelenti. A felkészülési id az a legkorábbi id, amelynek elteltével indulhat a végrehajtási funkció (sohasem kisebb, mint a feléledési id). A határid, amely alatt a funkció végrehajtását a blokknak be kell fejeznie. Ezen idk definiálását segíti a 28.2. ábra. 147

28.2. ábra: A valósidej mködéssel kapcsolatos idk Az ipari automatizálás terén a valósidej mködéssel szembeni követelmények az irányított technológiai folyamat változási sebességétl, dinamikájától függenek. Az elvártt valósidej mködés a folyamat leggyorsabb változójának dinamikájától függ. A következ tablázatban megadjuk néhány irányítási alkalmazásnál igényelt válasz idket (28.1. táblázat). 28.1. táblázat Alkalmazás Alacsony sebesség szenzorok (hmérséklet, nyomás) Hajtásszabályozás Mozgásvezérlés (pl. robot) Precíziós mozgásvezérlés Nagysebesség eszközök Elektronikus döntések (pl. hiba detektálás)

Tipikus válaszid nagyságrend a 10 ms a ms a 100 μs a 10 μs a μs a μs

28.2. IEEE 1588-as szabvány Az IEEE 1588 „egy protokoll a különböz hálózati eszközökön függetlenül futó órajelek nagy pontosságú és precíziós mködésére az osztott mér és irányító rendszerekben”. Az IEEE 1588 szabvány szerint a rendszer tartalmaz egy IEEE 1588 órajelet valamennyi résztvev szinkronizálásához. Ehhez egy Precision Time Protocol-t (PTP) használ (28.3. ábra).

Szabályok: 1 Nagymester/rendszer 1 Mester/alrendszer 1 Slave/kapcsoló eszköz Kapcsoló eszköz

Kapcsoló eszköz

28.3. ábra: IEEE 1588 konfiguráció Az IEEE 1588 két különböz órát definiál: x x

148

szokásos (ordinary), határolt (boundary).

A boundary clock (BC) kerül alkalmazásra olyan rendszerekben, ahol hub-ok és switch-ek vannak és egynél több PTP kommunikációs út létezik. A szokásos clock esetén egyetlen port van, pl. egy hálózati eszköz. A GrandMaster Clock (GMC) a legpontosabb óra a rendszerekben és ez determinálja a óra minségét. Az alhálózatokon belül a BMC determinálja a master clock-ot. A GMC determinálja a rendszer szinkronizálását, a rendszer órajelek szinkronizálják a subnet clock-jukat a rendszerhez. A szinkronizáció a következképpen van megoldva. Valamennyi master periodikusan küld egy broadcast „Sync” üzenetet, amely tartalmaz egy idbecslést arra vonatkozólag, hogy az üzenet mikor hagyja el a master-t. Ezeknek az üzeneteknek a precíz idzítése a slave-eknek jele. Az üzenetek küldésének pontos idzítését a grandMaster jelzi. A precíz idzítés a fizikai rétegen kerül meghatározásra, a becsült idzítés pedig az alkalmazási rétegben kerül meghatározásra (28.4. ábra). A következ Sync üzenetet a master küldi, mint „Follow-Up” üzenetet, amely most már a Sync üzenet kiküldésének precíz idzítését tartalmazza. A rendszer pontossága a GMC-tl függ, ezért gyakran a GPS rendszerrel szinkronizálják. Becsült id számítva

Alkalmazási réteg

Hálózati Protokoll Stack & OS

ms késleltetés

Szinkronizálás detektor és idbélyeg elállító

Precíz id számítva

Fizikai réteg

ns késleltetés

28.4. ábra: IEEE 1588 eszközidzítés Az IEEE 1588 ajánlást alkalmazzák pl. az Ethernet/IP, az Ethernet PowerLink, az EtherCAT és a Profinet rendszerekben. Az IEEE 1588 ajánlás valamennyi hálózati résztvevre fentrl lefelé az érzékel szintig tartalmaz egy-egy IEEE 1588 órát, amelyek egy ún. Precision Time Protocol (PTP) révén vannak szinkronizálva. Eszköz szinten az érzékelk adhatnak egy idbélyeget a saját adatukhoz, és a beavatkozók precízen idzítve mködhetnek. A rendszer pontossága a szinkronizálástól függ. Az IEEE 1588 ajánlás és a PTP protokoll elvileg minden olyan rendszerben használható, amelyik csomagokat szállít és multicast címzésre alkalmas. 28.3. A valósidej Ethernet hálózatok A Real-Time Ethernet (RTE) hálózatokat az alábbi jellemzk alapján minsítik (IEC-61784-2): x x x x x x

kézbesítési id (delivery time), node-ok száma, hálózati topológia, a node-ok közötti switch-ek száma, az RTE átbocsátó képessége, a nem-RTE sávszélesség,

149

x

redundancia felismerési id.

A kézbesítési id ahhoz szükséges, hogy egy forrás node üzenete megérkezzen a cél node-hoz, azaz az üzenet kézbesítésre, átadásra került. Ez az id az alkalmazási réteg interfészen van mérve. A maximális kézbesítési id ismerete két okból fontos: az átviteli hiba esemény és a keretvesztés felismeréséhez. A végs node-ok maximális száma ugyancsak fontos jellemzje az RTE-nek a Communication Profil (CP) szempontjából. Az alapvet hálózati topológiák a következk: hierarchikus csillag (star), gyr (ring) és daisy-chain. Ezek kombinálása is lehetséges. A végs node-ok közötti switch-ek száma meghatározza a lehetséges hálózati elrendezést és a késleltetési idket is befolyásolja. A non-RTE sávszélesség a teljes sávszélesség azon százaléka, amely a nem valósidej kommunikációt szolgálja. A szinkronizációs pontosság megadja a bármely két node közötti CLOCK jel eltérést. A fenti jellemzk alapján az RTE hálózatokat az alábbi három osztályba szokás sorolni. Az els osztályt a kézbesítési id alapján (a 100 ms) alacsony sebesség osztálynak nevezik. Alkalmazási területe pl. a megfigyel (monitoring rendszerek - 10 kép/mp) rendszerek, épületautomatizálás. A második osztály a folyamatirányítási követelményeket elégíti ki (kézbesítési id a 10 ms). Fként a PLC ill. DCS bázisú folyamatirányítás terén alkalmazzák. A harmadik osztályba a legigényesebb valósidej mködést igényl hajtás és mozgásvezérlés és szabályozás tartozik, ahol a ciklus id 1 ms alatt van és a dzsitter értéke a 1 μs. Ehhez 100 Mbps-os Ethernet hálózat szükséges. A kereskedelmi forgalomban beszerezhet és az iparban alkalmazott RTE típusok a felsorolt követelményeket különböz kommunikációs stack-kel ill. kommunikációs interfészekkel elégítik ki. Ezek a különböz megoldások három csoportba sorolhatók a nem valósidej kommunikációhoz viszonyítva 28.5. ábrának megfelelen.

28.5. ábra: RTE struktúrák Mindegyik struktúrában közös a kábelezési infrastruktúra. A nem valósidej alkalmazások az ISO 8802-3 szerinti és a TCP/UDP/IP protokollokat, valamint a HTTP és FTP protokollokat 150

használják. Az els RTE változat megtartja a TCP/UDP/IP protokollt változatlanul, és az RT követelményeket a TCP/IP réteg felett valósítja meg. Ebbe a csoportba tartozó RTE típusok: x x x x

MODBUS/TCP, ETHERNET/IP, P-NET, V-NET.

A második csoportba tartozó RTE típusok a TCP/UDP/IP protokollok módosításával („on top of Ethernet”) érik el a valósidejséget. Ebbe a csoportba tartoznak: x x x x

ETHERNET POWERLINK, TCnet, EPA, PROFInet CBA.

A harmadik csoportba sorolt RTE típusok a TCP/UDP/IP protokollt és az Ethernet mechanizmust egyaránt módosítják (Módosított Ethernet – Modified Ethernet). Ebbe a csoportba tartoznak: x x x

SERCOS, ETHERCAT, PROFInet IO.

A továbbiakban a hazai viszonylatban alkalmazott RTE típusokat ismertetjük. A PROFInet rendszert külön fejezetben mutatjuk be. 28.4. Ipari Ethernet és Real-Time Ethernet hálózatok Az ipari Ethernet (iE) alapú kommunikációt a válaszid értéke alapján három csoportra szokás osztani. Ezek: x x x

alacsony sebesség csoport, melynek reakció ideje 100 ms körüli, közepes sebesség csoport, melynek válasz ideje kisebb mint 10 ms, így a PLC-s folyamatirányítások esetén már real-time feldolgozást biztosít, nagy sebesség csoport, melynek válasz ideje 1 ms alatti, amely fként a mozgásvezérlésekhez, pozicionálásokhoz, hajtásszabályozásokhoz biztosít real-time megoldást.

Fentiek miatt az ipari Ethernet hálózatok között megkülönböztetik a Real-Time Industrial Ethernet-et (RTE vagy RTIE). Az RTE hálózatok specifikációit az IEC 61784 sz. szabványban foglalták össze (28.2. táblázat). Ez a szabvány az alábbi 10 RTE profilt definiálja.

151

28.2. táblázat Elnevezés HSE EtherNet/IP PROFInet Interbus on TCP VNET/IP TCnet EtherCAT PowerLink EPA (Ethernet for Process Automation) Modbus/TCP

Gyártó/specifikáló Foundation Fieldbus Rockwell Siemens Phoenix Contact Yokogawa Toshiba Beckhoff B&R Kína Schneider Electric

Természetesen a valósidej Ethernet hálózatok fejlesztése jelenleg is folyik, így újabb gyártók jelenhetnek meg. 28.4.1. Az EtherCAT-valósidej Ethernet terepi hálózat Az EtherCAT a Beckhoff cég és az ETG csoport által támogatott és bevezetett speciális gyr topológiájú hálózat fként mozgásvezérlésekhez. A közegelérés vezérlési (MAC) rendszere a master/slave elven alapul, ahol a master eszköz tipikusan egy PLC, amely küldi az Ethernet kereteket a slave eszközökhöz. Egy Ethernet pont fell egy EtherCAT szegmens egyetlen Ethernet eszköz, amely veszi és küldi a kereteket. Az EtherCAT hálózat nagyszámú slave elemet tartalmazhat. Ezek a slave eszközök feldolgozzák a bejöv slave kereteket és küldik azokat a következ slave eszköz felé a gyr topológiának megfelelen. A szegmensen belüli utolsó slave eszköz a teljes keretet visszaküldi az els slave-en keresztül a master-nek, mint válasz keretet. Az EtherCAT slave eszköze nyitott gyrként bvíthet. Ilyen bvítést szemléltet a 28.6. ábra.

28.6. ábra: EtherCAT topológia Az EtherCAT hálózatra felfzött eszközt szemlélteti a 28.7. ábra.

28.7. ábra: EtherCAT hálózatra felfzött slave eszköz 152

Fizikai közege vörösréz vagy optikai kábel. Az EtherCAT a szabványos IEEE 802.3 keretet használja. Az UDP/IP protokoll is használható. Az EtherCAT keretet szemlélteti a 28.8. ábra. Az EtherCAT telegram a szabványos Ethernet keretbe van beágyazva. Az EtherCAT egy fejrészt és egy vagy több EtherCAT parancsot tartalmaz. Az EtherCAT master vezérli a kommunikációt. A slave-ek nem kezdeményezhetnek tranzakciót.

28.8. ábra: Az EtherCAT keret I. Kétféle EtherCAT kommunikációs módszer használatos: az „Ether Type” vagy az UDP/IP. Az Ether Type használja a típus (type) mezt, amely az IEEE 802.3-ban hossz mezként ismert. Az Ether Type módszer nem használ IP-t, így az EtherCAT nem használhat alhálózatot. Az UDP/IP módszer esetén alhálózatok használhatóak. Az UDP/IP fejrész 20 IP és 8 UDP bájtot jelent az Ethernet keretben. A 28.9. ábrán látható EtherCAT keretben ezt is feltüntettük.

28.9. ábra: Az EtherCAT keret II. Ez esetben az EtherCAT telegram tehát egy UDP adat keret, amely az IP-n kerül átvitelre. Az EtherCAT rétegeit a 28.10. ábra mutatja.

153

EtherCAT eszköz

Standard TCP/IP Stack

Ethernet alkalmazás

Valós idej alkalmazás

UDP

TCP IP

Aciklikus adatok

Postaláda Folyamat adatok EtherCAT MAC/DDL Ethernet PHY

Ethernet PHY

28.10. ábra: Az EtherCAT rétegei Az EtherCAT hálózatról valamennyi Internet technológia hozzáférhet: HTTP, FTP stb. Bármilyen Ethernet illesztvel ellátott eszköz csatlakoztatható a switchport-hoz. A Web-szerver szabványos böngészvel elérhet. Fentieket szemlélteti a 28.11. ábra.

28.11. ábra: Csatlakozás a switchport-ra Az EtherCAT kommunikációs rendszer fbb technikai adatai: x x x x x x

256 digitális I/O lekezelés 11 μs-on belül, átviteli sebesség: 2 x 100 Mbps (teljes duplex), 1000 darab digitális I/O lekezelése elosztva 100 eszközre 30 μs-on (0,03 ms) belül, 200 analóg I/O (16 bites) lekezelése 50 μs-on belül, 20 kHz-es mintavételezéssel, 100 szervo tengely (6 bájt BE + KI) 100 μs, azaz 0,1 ms-on belül (!), 12000 digitális I/O lekezelés 350 μs-on belül.

Az EtherCAT hálózat sávszélesség kihasználása 80 % fölött van. Összehasonlításul a polling kezelés ~ 5 %-os, a master/slave broadcast kihasználtsága ~ 20 %. Az EtherCAT rendszer a feldolgozás hatékonyságának növelésére az „on the fly” módszert alkalmazza. Ez azt jelenti, hogy a slave eszköz felismeri a vonatkozó parancsokat és végrehajtja azokat, amíg a keretek átadódnak a következ slave eszközre. Ezt a funkciót egy külön ASIC chip valósítja meg.

154

Az EtherCAT slave eszközök címezhet memóriával rendelkeznek, amelyek írási vagy olvasási mveletkor címezhetk. Az EtherCAT eszközök memóriája DMA funkcióval elérhet. Ily módon megtakarítható az ún. memóriamásolás (memcopy) funkció, ami a hagyományos field-buszos technikáknál 30 % idveszteséget okoz. Ezt szemlélteti a 28.12. ábra. PLC vezérlés fieldbus kártyával ill. EtherCAT-tel (28.12. ábra)

28.12. ábra: Idmegtakarítás DMA-val Az EtherCAT rendszerben mérhet egy EtherCAT node-ot elhagyó és oda visszaérkez keret küldése és fogadása között eltelt id (28.13. ábra).

28.13. ábra: A keret visszatérés mérése Bármely node-ok között a késleltetési id számítható. Az osztott órajelek precíz beállításával igen pontos szinkronizálás érhet el (jitter