Протокол Ethernet

 

протокол передачи "точка-точка" по сети ethernet
(МСЭ-Т Н.611).
[ http://www.iks-media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324]

Тематики

• электросвязь, основные понятия

EN

• point-to-point protocol over EtherNet
• PPPoE

 

протокол управления простой сетью
Протокол, управляющий сетью, сетевыми устройствами и их функциями.
[Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо-русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993]

простой протокол сетевого управления
Прикладной протокол (L7) управления сетевыми устройствами. Основное предназначение состоит в получении подробной информации о состоянии устройства и изменении его конфигурации в автоматическом режиме. Помимо периодического считывания SNMP-сервером информации с устройства, возможна активная сигнализация самим устройством о произошедших событиях.
[ http://www.morepc.ru/dict/]

простой протокол управления сетью
Протокол группы IETF по управлению сетью. Основной протокол администрирования сетей TCP/IP, обеспечивающий мониторинг и контроль сетевых устройств, обслуживание их конфигураций, сбор статистических данных, замеры производительности и проверку безопасности (МСЭ-Т Х.805; МСЭ-Т J.116).
[ http://www.iks-media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324]

Вопросы сетевого управления традиционно входят в число основных как для производителей программ и оборудования, так и для организаций, занимающихся разработкой стандартов. Невероятно высокий темп развития сетей на базе протокола TCP/IP (и Internet в частности) и движение в сторону создания единой информационной магистрали обусловили необходимость разработки стандартного протокола управления устройствами по сети и множества высокоуровневых продуктов, которые его используют.

Протокол управления сетями определяет стандартный метод контроля какого-либо устройства со станции управления с целью определения его состояния, настроек и иной информации, а также ее модификации. Основным протоколом управления, используемым в семействе TCP/IP, является протокол SNMP (Simple Network Management Protocol простой протокол управления сетью). Сам протокол очень прост: он определяет только иерархическое пространство имен объектов управления и способ чтения (или записи) данных этих объектов на каждом узле. Основное преимущество этого протокола заключается в том, что он позволяет единообразным образом управлять всеми типами аппаратных средств, независимо от их назначения и особенностей. Все они говорят на одном языке и могут опрашиваться и конфигурироваться с центральной станции.

Однако, SNMP не более чем протокол, поддерживающий диалог двух сторон. Для его использования необходимы две составляющие: программа-агент, работающая на сетевом устройстве, и программа-менеджер, позволяющая дистанционно отслеживать и управлять сетевыми устройствами. Способ ведения диалога между агентом и менеджером показан на рис.1.

Рис. 1 Работа протокола SNMP в рамках модели OSI

Протокол SNMP традиционно используется для управления телекоммуникационным оборудованием. Для управления обычно применяются так называемые платформы сетевого управления, позволяющие осуществлять обнаружение устройств в сети, объединять модули управления оборудованием разных производителей, выполнять общие функции управления и оповещения. В число наиболее известных платформ сетевого управления входят HP OpenView (Hewlett-Packard), Solstice Domain Manager (Sun Microsystems), Tivoli NetView (Tivoli Systems), SNMPc (Castle Rock). Вместе с тем, управление с использованием SNMP может быть применено и для решения других задач в том числе для систем промышленного управления. Проиллюстрируем такой подход на реальном примере.

В ходе выполнения одного из экспортных контрактов корпорацией Стинс Коман была разработана, произведена и установлена на ТЭС Фалай (Вьетнам) система управления электрофильтром. Логически система была разделена на два уровня: нижний монтируемый в непосредственной близости от электрофильтра, и верхний осуществляющий сбор статистической информации и представляющий графически состояние всего объекта. От использования существующих SCADA-систем мы отказались из-за высокой стоимости пакета разработки и модулей времени выполнения, а также большого времени, необходимого на обучение разработчиков. Было решено пойти по пути собственной разработки. Связь между подсистемами верхнего и нижнего уровней была осуществлена традиционными для задач АСУ ТП методами. Из огромного количества используемых полевых протоколов был выбран один, наиболее подходящий по быстродействию и простоте реализации. Учитывая особенности этого протокола, был разработан программный комплекс, осуществляющий сбор информации, анализирующий статистику и графически представляющий состояние управляемого устройства.

Приступив к аналогичным работам по следующему контракту, мы постарались учесть уроки предыдущей разработки и при создании системы управления технологическими процессами воспользоваться нашим опытом проектирования больших сетевых комплексов. В новом варианте системы связь между уровнями осуществлялась по протоколу SNMP. В качестве программы верхнего уровня использовался описанный ниже универсальный SNMP-менеджер.

Использование принципов сетевого управления при создании систем управления технологическими процессами позволило избежать проблем, связанных с интеграцией различных уровней системы. Появился единый универсальный способ управления любым оборудованием, начиная от сетевого маршрутизатора и заканчивая электрофильтром. Для того чтобы появилась возможность управлять устройствами, которые ранее в принципе не подключались к сети, был разработан универсальный программно-аппаратный SNMP-агент eSCape. Это устройство построено на основе однокристального RISC-контроллера и для подключения к сети (локальной или территориально-распределенной) использует Ethernet или PPP. Оно обладает малым весом и невысокой стоимостью и предоставляет широкий выбор вариантов сопряжения с управляемым объектом.

При разработке системы промышленного управления, реализованной в виде SNMP-менеджера, изначально были сформулированы следующие требования:

• новый программный продукт должен обеспечивать сбор и хранение статистических данных, которые должны легко импортироваться в другие программы; 
• новый программный продукт должен работать как под управлением ОС MS Windows 9x/NT/2000, так и под управлением ОС Linux;
• новый программный продукт должен обеспечивать достаточное быстродействие на машинах бюджетного класса;
• для разработки программ рекомендуется использовать свободно распространяемые продукты с открытым исходным кодом.

В результате был разработан программный комплекс EscView, архитектура которого приведена на рис.2.

Рис.2 Программный комплекс, осуществляющий сбор информации, анализ статистики и графическое представление состояния управляемого устройства

Каждому управляемому устройству соответствует SNMP-агент, который может быть встроенным или внешним. SNMP-агенты, подключенные к сети протокола TCP/IP, периодически опрашиваются программой-монитором, которая написана на языке Perl. Периодичность и частота опроса, а также перечень интересующих SNMP-агентов записаны в базе данных, построенной на пакете программ MySQL. Все переменные, считанные в процессе опроса, сохраняются в базе данных. SNMP-агент может также сам проинформировать систему управления о том или ином изменении своего состояния. Для подачи команд устройствам необходимо изменить соответствующие поля базы данных. Все изменения, произошедшие в базе данных, адресно передаются SNMP-агентам.

Рис.3 Пример диалога с пользователем в формате HTML-страницы

Для реализации графического интерфейса пользователя используется HTTP-сервер Apache. Программа, написанная на языке Perl, поддерживает диалоги с пользователем и при помощи базы данных динамически формирует ответ в формате HTML-страницы или в формате WML-страницы.

Страницы HTML предназначены для пользователей, работающих с любым Internet-браузером (например, MS Internet Explorer или Netscape Navigator). Пример реального диалога представлен на рис.3. Страницы WML предназначены для мобильных устройств, поддерживающих протокол WAP (таким устройством может быть сотовый телефон). Для поддержки WAP-клиентов никаких специальных аппаратных доработок производить не надо: в качестве шлюза выступают ресурсы, штатно предоставляемые сотовыми операторами. Соединение между сотовым шлюзом и SNMP-менеджером осуществляется через Internet.

Данное решение может функционировать как под управлением ОС MS Windows 9x/NT/2000, так и под управлением ОС UNIX/Linux. Все программные продукты, используемые при разработке, распространяются свободно.

Описываемое решение уже используется для обслуживания мощных источников бесперебойного питания. В настоящее время на базе этого решения разрабатывается комплекс программ, предназначенных для управления электрофильтром. Оно, в частности, может использоваться для создания интеллектуальных зданий, для распределенного сбора информации с датчиков, а также для реализации заданного промышленного управления через типовые объединённые сети.

[ http://www.mka.ru/?p=40138]

Тематики

• сети вычислительные

Действия

• простой протокол сетевого управления

Синонимы

• простой протокол сетевого управления

EN

• Simple Network Management Protocol
• SNMP

 

протокол (метод доступа к носителю) Aloha
Простейшая коммуникационная схема, в которой любой источник (передатчик) в сети начинает передачу по мере готовности данных. Если кадр (пакет фиксированной длины) успешно достигает приемника, передается следующий кадр. Иначе передача кадра повторяется. Протокол был первоначально разработан в Гавайском университете для спутниковых систем связи. Исходный, «чистый» протокол PURE ALOHA хорошо подходит для систем спутникового вещания по полудуплексным двунаправленным каналам, но в более сложных схемах подвержен коллизиям (конфликтам) от одновременной передачи нескольких кадров. Для устранения этого эффекта предложен слотированный протокол SLOTTED ALOHA (см. ниже), но в системах многостанционного доступа, например в Ethernet, применяется более сложная схема доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, множественный доступ с контролем несущей и определением конфликтов).
[ http://www.iks-media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324]

Тематики

• электросвязь, основные понятия

EN

• Aloha

 

протокол Aloha
метод доступа к носителю Aloha
Простейшая коммуникационная схема, в которой любой источник (передатчик) в сети начинает передачу по мере готовности данных. Если кадр (пакет фиксированной длины) успешно достигает приемника, передается следующий кадр. Иначе передача кадра повторяется. Протокол был первоначально разработан в Гавайском университете для спутниковых систем связи. Исходный, «чистый» протокол PURE ALOHA хорошо подходит для систем спутникового вещания по полудуплексным двунаправленным каналам, но в более сложных схемах подвержен коллизиям (конфликтам) от одновременной передачи нескольких кадров. Для устранения этого эффекта предложен слотированный протокол SLOTTED ALOHA (см. ниже), но в системах многостанционного доступа, например в Ethernet, применяется более сложная схема доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, множественный доступ с контролем несущей и определением конфликтов).
[ http://www.lexikon.ru/sputnik.html]

Тематики

• электросвязь, основные понятия

Синонимы

• метод доступа к носителю Aloha

EN

• ALOHA

 

протокол EtherTalk
Протокол уровня ЛВС, основанный на протоколе Xerox Ethernet и адаптированный в дальнейшем в соответствии со стандартом IEEE 802.3. Применяется, например, в ЛВС типа AppleTalk.
[Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо-русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993]

Тематики

• информационные технологии в целом

EN

• EtherTalk

 

протокол распознавания адреса
Протокол преобразования сетевых адресов в 48 битовые адреса сети Ethernet (МСЭ-Т Y.1310, МСЭ-T G.8010/ Y.1306).
[ http://www.iks-media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324]

Тематики

• электросвязь, основные понятия

EN

• address resolution protocol
• ARP

Network technologies: 802.1d

 

изернет
Протокол локальной сети, реализующий подключение аппаратных средств к шине по принципу множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (ISO/IEC 11801).
[ http://www.iks-media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324]

Тематики

• электросвязь, основные понятия

EN

• ethernet

 

синхронизация времени
-
[ ГОСТ Р МЭК 60870-5-103-2005]

Также нормированы допустимые временные задержки для различных видов сигналов, включая дискретные сигналы, оцифрованные мгновенные значения токов и напряжений, сигналы синхронизации времени и т.п.
[Новости Электротехники №4(76) | СТАНДАРТ МЭК 61850]

Широковещательное сообщение, как правило, содержит адрес отправителя и глобальный адрес получателя. Примером широковещательного сообщения служит синхронизация времени.
[ ГОСТ Р 54325-2011 (IEC/TS 61850-2:2003)]

Устройства последних поколений дают возможность синхронизации времени с точностью до микросекунд с помощью GPS.

С помощью этого интерфейса сигнал синхронизации времени (от радиоприемника DCF77 сигнал точного времени из Braunschweig, либо от радиоприемника iRiG-B сигнал точного времени  глобальной спутниковой системы GPS) может быть передан в терминал для точной синхронизации времени.
[Герхард Циглер. ЦИФРОВАЯ ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА. ПРИНЦИПЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
Перевод с английского ]

В  том  случае  если  принятое  сообщение  искажено ( повреждено)  в  результате неисправности  канала  связи  или  в  результате  потери  синхронизации  времени, пользователь имеет возможность...

2.13 Синхронизация часов реального времени сигналом по оптовходу 
В современных системах релейной защиты зачастую требуется синхронизированная работа часов всех реле в системе для восстановления хронологии работы разных реле.
Это может быть выполнено с использованием сигналов синхронизации времени   по интерфейсу IRIG-B, если  реле  оснащено  таким  входом  или  сигналом  от  системы OP
[Дистанционная защита линии MiCOM P443/ ПРИНЦИП  РАБОТЫ]

---

СИНХРОНИЗАЦИЯ ВРЕМЕНИ СОГЛАСНО СТАНДАРТУ IEEE 1588

Автор: Андреас Дреер (Hirschmann Automation and Control)

Вопрос синхронизации устройств по времени важен для многих распределенных систем промышленной автоматизации. При использовании протокола Precision Time Protocol (PTP), описанного стандартом IEEE 1588, становится возможным выполнение синхронизации внутренних часов устройств, объединенных по сети Ethernet, с погрешностями, не превышающими 1 микросекунду. При этом к вычислительной способности устройств и пропускной способности сети предъявляются относительно низкие требования. В 2008 году была утверждена вторая редакция стандарта (IEEE 1588-2008 – PTP версия 2) с рядом внесенных усовершенствований по сравнению с первой его редакцией.

ЗАЧЕМ НЕОБХОДИМА СИНХРОНИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ ПО ВРЕМЕНИ?

Во многих системах должен производиться отсчет времени. О неявной системе отсчета времени можно говорить тогда, когда в системе отсутствуют часы и ход времени определяется процессами, протекающими в аппаратном и программном обеспечении. Этого оказывается достаточно во многих случаях. Неявная система отсчета времени реализуется, к примеру, передачей сигналов, инициирующих начало отсчета времени и затем выполнение определенных действий, от одних устройств другим.

Система отсчета времени считается явной, если показания времени в ней определяются часами. Указанное необходимо для сложных систем. Таким образом, осуществляется разделение процедур передачи данных о времени и данных о процессе.

Два эффекта должны быть учтены при настройке или синхронизации часов в отдельных устройствах. Первое – показания часов в отдельных устройствах изначально отличаются друг от друга (смещение показаний времени друг относительно друга). Второе – реальные часы не производят отсчет времени с одинаковой скоростью. Таким образом, требуется проводить постоянную корректировку хода самых неточных часов.

ПРЕДЫДУЩИЕ РЕШЕНИЯ

Существуют различные способы синхронизации часов в составе отдельных устройств, объединенных в одну информационную сеть. Наиболее известные способы – это использование протокола NTP (Network Time Protocol), а также более простого протокола, который образован от него – протокола SNTP (Simple Network Time Protocol). Данные методы широко распространены для использования в локальных сетях и сети Интернет и позволяют обеспечивать синхронизацию времени с погрешностями в диапазоне миллисекунд. Другой вариант – использование радиосигналов с GPS спутников. Однако при использовании данного способа требуется наличие достаточно дорогих GPS-приемников для каждого из устройств, а также GPS-антенн. Данный способ теоретически может обеспечить высокую точность синхронизации времени, однако материальные затраты и трудозатраты обычно препятствуют реализации такого метода синхронизации.

Другим решением является передача высокоточного временного импульса (например, одного импульса в секунду) каждому отдельному устройству по выделенной линии. Реализация данного метода влечет за собой необходимость создания выделенной линии связи к каждому устройству.

Последним методом, который может быть использован, является протокол PTP (Precision Time Protocol), описанный стандартом IEEE 1588. Протокол был разработан со следующими целями:

• Обеспечение синхронизация времени с погрешностью, не превышающей 1 микросекунды.
• Предъявление минимальных требований к производительности процессоров устройств и к пропускной способности линии связи, что позволило бы обеспечить реализацию протокола в простых и дешевых устройствах.
  • Предъявление невысоких требований к обслуживающему персоналу.
  • Возможность использования в сетях Ethernet, а также в других сетях.
  • Спецификация его как международного стандарта.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТОКОЛА PTP

Протокол PTP может быть применен в различного рода системах. В системах автоматизации, протокол PTP востребован везде, где требуется точная синхронизация устройств по времени. Протокол позволяет синхронизировать устройства в робототехнике или печатной промышленности, в системах осуществляющих обработку бумаги и упаковку продукции и других областях.

В общем и целом в любых системах, где осуществляется измерение тех или иных величин и их сравнение с величинами, измеренными другими устройствами, использование протокола PTP является популярным решением. Системы управления турбинами используют протокол PTP для обеспечения более эффективной работы станций. События, происходящие в различных частях распределенных в пространстве систем, определяются метками точного времени и затем для целей архивирования и анализа осуществляется их передача на центры управления. Геоученые используют протокол PTP для синхронизации установок мониторинга сейсмической активности, удаленных друг от друга на значительные расстояния, что предоставляет возможность более точным образом определять эпицентры землетрясений. В области телекоммуникаций рассматривают возможность использования протокола PTP для целей синхронизации сетей и базовых станций. Также синхронизация времени согласно стандарту IEEE 1588 представляет интерес для разработчиков систем обеспечения жизнедеятельности, систем передачи аудио и видео потоков и может быть использована в военной промышленности.

В электроэнергетике протокол PTPv2 (протокол PTP версии 2) определен для синхронизации интеллектуальных электронных устройств (IED) по времени. Например, при реализации шины процесса, с передачей мгновенных значений тока и напряжения согласно стандарту МЭК 61850-9-2, требуется точная синхронизация полевых устройств по времени. Для реализации систем защиты и автоматики с использованием сети Ethernet погрешность синхронизации данных различных устройств по времени должна лежать в микросекундном диапазоне.

Также для реализации функций синхронизированного распределенного векторного измерения электрических величин согласно стандарту IEEE C37.118, учета, оценки качества электрической энергии или анализа аварийных событий необходимо наличие устройств, синхронизированных по времени с максимальной точностью, для чего может быть использован протокол PTP.

Вторая редакция стандарта МЭК 61850 определяет использование в системах синхронизации времени протокола PTP. Детализация профиля протокола PTP для использования на объектах электроэнергетики (IEEE Standard Profile for Use of IEEE 1588 Precision Time Protocol in Power System Applications) в настоящее время осуществляется рабочей группой комитета по релейной защите и автоматике организации (PSRC) IEEE.

ПРОТОКОЛ PTP ВЕРСИИ 2

В 2005 году была начата работа по изменению стандарта IEEE1588-2002 с целью расширения возможных областей его применения (телекоммуникации, беспроводная связь и в др.). Результатом работы стало новое издание IEEE1588-2008, которое доступно с марта 2008 со следующими новыми особенностями:

• Усовершенствованные алгоритмы для обеспечения погрешностей в наносекундном диапазоне.
• Повышенное быстродействие синхронизации времени (возможна более частая передача сообщений синхронизации Sync).
• Поддержка новых типов сообщений.
• Ввод однорежимного принципа работы (не требуется передачи сообщений типа FollowUp).
• Ввод поддержки функции т.н. прозрачных часов для предотвращения накопления погрешностей измерения при каскадной схеме соединения коммутаторов.
• Ввод профилей, определяющих настройки для новых областей применения.
• Возможность назначения на такие транспортные механизмы как DeviceNet, PROFInet и IEEE802.3/Ethernet (прямое назначение).
• Ввод структуры TLV (тип, длина, значение) для расширения возможных областей применения стандарта и удовлетворения будущих потребностей.
• Ввод дополнительных опциональных расширений стандарта.

ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ПРОТОКОЛА PTP

В системах, где используется протокол PTP, различают два вида часов: ведущие часы и ведомые часы. Ведущие часы, в идеале, контролируются либо радиочасами, либо GPS-приемниками и осуществляют синхронизацию ведомых часов. Часы в конечном устройстве, неважно ведущие ли они или ведомые, считаются обычными часами; часы в составе устройств сети, выполняющих функцию передачи и маршрутизации данных (например, в Ethernet-коммутаторах), считаются граничными часами.

Процедура синхронизации согласно протоколу PTP подразделяется на два этапа. На первом этапе осуществляется коррекция разницы показаний времени между ведущими и ведомыми часами – то есть осуществляется так называемая коррекция смещения показаний времени. Для этого ведущее устройство осуществляет передачу сообщения для целей синхронизации времени Sync ведомому устройству (сообщение типа Sync). Сообщение содержит в себе текущее показание времени ведущих часов и его передача осуществляется периодически через фиксированные интервалы времени. Однако поскольку считывание показаний ведущих часов, обработка данных и передача через контроллер Ethernet занимает некоторое время, информация в передаваемом сообщении к моменту его приема оказывается неактуальной.   Одновременно с этим осуществляется как можно более точная фиксация момента времени, в который сообщение Sync уходит от отправителя, в составе которого находятся ведущие часы (TM1). Затем ведущее устройство осуществляет передачу зафиксированного момента времени передачи сообщения Sync ведомым устройствам (сообщение FollowUp). Те также как можно точнее осуществляют измерение момента времени приема первого сообщения (TS1) и вычисляют величину, на которую необходимо выполнить коррекцию разницы в показаниях времени между собою и ведущим устройством соответственно (O) (см. рис. 1 и рис. 2). Затем непосредственно осуществляется коррекция показаний часов в составе ведомых устройств на величину смещения. Если задержки в передачи сообщений по сети не было, то можно утверждать, что устройства синхронизированы по времени.

На втором этапе процедуры синхронизации устройств по времени осуществляется определение задержки в передаче упомянутых выше сообщений по сети между устройствами. Указанное выполняется  при использовании сообщений специального типа. Ведомое устройство отправляет так называемое сообщение Delay Request (Запрос задержки в передаче сообщения по сети) ведущему устройству и осуществляет фиксацию момента передачи данного сообщения. Ведущее устройство фиксирует момент приема данного сообщения и отправляет зафиксированное значение в сообщении Delay Response (Ответное сообщение с указанием момента приема сообщения). Исходя из зафиксированных времен передачи сообщения Delay Request ведомым устройством и приема сообщения Delay Response ведущим устройством производится оценка задержки в передачи сообщения между ними по сети. Затем производится соответствующая коррекция показаний часов в ведомом устройстве. Однако все упомянутое выше справедливо, если характерна симметричная задержка в передаче сообщения в обоих направлениях между устройствами (то есть характерны одинаковые значения в задержке передачи сообщений в обоих направлениях).

Задержка в передачи сообщения в обоих направлениях будет идентичной в том случае, если устройства соединены между собой по одной линии связи и только. Если в сети между устройствами имеются коммутаторы или маршрутизаторы, то симметричной задержка в передачи сообщения между устройствами не будет, поскольку коммутаторы в сети осуществляют сохранение тех пакетов данных, которые проходят через них, и реализуется определенная очередность их передачи. Эта особенность может, в некоторых случаях, значительным образом влиять на величину задержки в передаче сообщений (возможны значительные отличия во временах передачи данных). При низкой информационной загрузке сети этот эффект оказывает малое влияние, однако при высокой информационной загрузке, указанное может значительным образом повлиять на точность синхронизации времени. Для исключения больших погрешностей был предложен специальный метод и введено понятие граничных часов, которые реализуются в составе коммутаторов сети. Данные граничные часы синхронизируются по времени с часами ведущего устройства. Далее коммутатор по каждому порту является ведущим устройством для всех ведомых устройств, подключенных к его портам, в которых осуществляется соответствующая синхронизация часов. Таким образом, синхронизация всегда осуществляется по схеме точка-точка и характерна практически одинаковая задержка в передаче сообщения в прямом и обратном направлении, а также практическая неизменность этой задержки по величине от одной передачи сообщения к другой.

Хотя принцип, основанный на использовании граничных часов показал свою практическую эффективность, другой механизм был определен во второй  версии протокола PTPv2 – механизм использования т. н. прозрачных часов. Данный механизм  предотвращает накопление погрешности, обусловленной изменением величины задержек в передаче сообщений синхронизации коммутаторами и предотвращает снижение точности синхронизации в случае наличия сети с большим числом каскадно-соединенных коммутаторов. При использовании такого механизма передача сообщений синхронизации осуществляется от ведущего устройства ведомому, как и передача любого другого сообщения в сети. Однако когда сообщение синхронизации проходит через коммутатор фиксируется задержка его передачи коммутатором. Задержка фиксируется в специальном поле коррекции в составе первого сообщения синхронизации Sync или в составе последующего сообщения FollowUp (см. рис. 2). При передаче сообщений Delay Request и Delay Response также осуществляется фиксация времени задержки их в коммутаторе. Таким образом, реализация поддержки т. н. прозрачных часов в составе коммутаторов позволяет компенсировать задержки, возникающие непосредственно в них.

РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОТОКОЛА PTP

Если необходимо использование протокола PTP в системе, должен быть реализован стек протокола PTP. Это может быть сделано при предъявлении минимальных требований к производительности процессоров устройств и к пропускной способности сети. Это очень важно для реализации стека протокола в простых и дешевых устройствах. Протокол PTP может быть без труда реализован даже в системах, построенных на дешевых контроллерах (32 бита).

Единственное требование, которое необходимо удовлетворить для обеспечения высокой точности синхронизации, – как можно более точное измерение устройствами момента времени, в который осуществляется передача сообщения, и момента времени, когда осуществляется прием сообщения. Измерение должно производится максимально близко к аппаратной части (например, непосредственно в драйвере) и с максимально возможной точностью. В реализациях исключительно на программном уровне архитектура и производительность системы непосредственно ограничивают максимально допустимую точность.

При использовании дополнительной поддержки аппаратного обеспечения для присвоения меток времени, точность может быть значительным образом повышена и может быть обеспечена ее виртуальная независимость от программного обеспечения. Для этого необходимо использование дополнительной логики, которая может быть реализована в программируемой логической интегральной схеме или специализированной для решения конкретной задачи интегральной схеме на сетевом входе.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Компания Hirschmann – один из первых производителей, реализовавших протокол PTP и оптимизировавших его использование. Компанией был разработан стек, максимально эффективно реализующий протокол, а также чип (программируемая интегральная логическая схема), который обеспечивает высокую точность проводимых замеров.

В системе, в которой несколько обычных часов объединены через Ethernet-коммутатор с функцией граничных часов, была достигнута предельная погрешность +/- 60 нс при практически полной независимости от загрузки сети и загрузки процессора. Также компанией была протестирована система, состоящая из 30 каскадно-соединенных коммутаторов, обладающих функцией поддержки т.н. прозрачных часов и были зафиксированы  погрешности менее в пределах +/- 200 нс.

Компания Hirschmann Automation and Control реализовала протоколы PTP версии 1 и версии 2 в промышленных коммутаторах серии MICE, а также в серии монтируемых на стойку коммутаторов MACH100.

ВЫВОДЫ

Протокол PTP во многих областях уже доказал эффективность своего применения. Можно быть уверенным, что он получит более широкое распространение в течение следующих лет и что многие решения при его использовании смогут быть реализованы более просто и эффективно чем при использовании других технологий.

[ Источник]

Тематики

• релейная защита
• телемеханика, телеметрия

EN

• clock synchronization
• time synchronization

 

GOOSE-сообщение
-
[Интент]

широковещательное объектно-ориентированное сообщение о событии на подстанции
Широковещательный высокоскоростной внеочередной отчет, содержащий статус каждого из входов, устройств пуска, элементов выхода и реле, реальных и виртуальных.
Примечание. Этот отчет выдается многократно последовательно, как правило, сразу после первого отчета с интервалами 2, 4, 8,…, 60000 мс. Значение задержки первого повторения является конфигурируемым. Такой отчет обеспечивает выдачу высокоскоростных сигналов отключения с высокой вероятностью доставки.
[ ГОСТ Р 54325-2011 (IEC/TS 61850-2:2003)]

общие объектно-ориентированные события на подстанции
-
[ ГОСТ Р МЭК 61850-7-2-2009]

GOOSE
Generic Object Oriented Substation Event (стандарт МЭК 61850-8-1)
Протокол передачи данных о событиях на подстанции.
Один из трех протоколов передачи данных, предлагаемых к использованию в МЭК 61850.
Фактически данный протокол служит для замены медных кабельных связей, предназначенных для передачи дискретных сигналов между устройствами.
[ Цифровые подстанции. Проблемы внедрения устройств РЗА]

EN

generic object oriented substation event
on the occurrence of any change of state, an IED will multicast a high speed, binary object, Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) report by exception, typically containing the double command state of each of its status inputs, starters, output elements and relays, actual and virtual.

This report is re-issued sequentially, typically after the first report, again at intervals of 2, 4, 8…60000 ms. (The first repetition delay value is an open value it may be either shorter or longer).

A GOOSE report enables high speed trip signals to be issued with a high probability of delivery
[IEC 61850-2, ed. 1.0 (2003-08)]

До недавнего времени для передачи дискретных сигналов между терминалами релейной защиты и автоматики (РЗА) использовались дискретные входы и выходные реле. Передача сигнала при этом осуществляется подачей оперативного напряжения посредством замыкания выходного реле одного терминала на дискретный вход другого терминала (далее такой способ передачи будем называть традиционным).
Такой способ передачи информации имеет следующие недостатки:

• необходимо большое количество контрольных кабелей, проложенных между шкафами РЗА,
• терминалы РЗА должны иметь большое количество дискретных входов и выходных реле,
• количество передаваемых сигналов ограничивается определенным количеством дискретных входов и выходных реле,
• отсутствие контроля связи между терминалами РЗА,
• возможность ложного срабатывания дискретного входа при замыкании на землю в цепи передачи сигнала.

Информационные технологии уже давно предоставляли возможность для передачи информации между микропроцессорными терминалами по цифровой сети. Разработанный недавно стандарт МЭК 61850 предоставил такую возможность для передачи сигналов между терминалами РЗА.
Стандарт МЭК 61850 использует для передачи данных сеть Ethernet. Внутри стандарта МЭК 61850 предусмотрен такой механизм, как GOOSE-сообщения, которые и используются для передачи сообщений между терминалами РЗА.
Принцип передачи GOOSE-сообщений показан на рис. 1.

Устройство-отправитель передает по сети Ethernet информацию в широковещательном диапазоне.
В сообщении присутствует адрес отправителя и адреса, по которым осуществляется его передача, а также значение сигнала (например «0» или «1»).
Устройство-получатель получит сообщение, а все остальные устройства его проигнорируют.
Поскольку передача GOOSE-сообщений осуществляется в широковещательном диапазоне, т.е. нескольким адресатам, подтверждение факта получения адресатами сообщения отсутствует. По этой причине передача GOOSE-сообщений в установившемся режиме производится с определенной периодичностью.
При наступлении нового события в системе (например, КЗ и, как следствие, пуска измерительных органов защиты) начинается спонтанная передача сообщения через увеличивающиеся интервалы времени (например, 1 мс, 2 мс, 4 мс и т.д.). Интервалы времени между передаваемыми сообщениями увеличиваются, пока не будет достигнуто предельное значение, определяемое пользователем (например, 50 мс). Далее, до момента наступления нового события в системе, передача будет осуществляется именно с таким периодом. Указанное проиллюстрировано на рис. 2.

Технология повторной передачи не только гарантирует получение адресатом сообщения, но также обеспечивает контроль исправности линии связи и устройств – любые неисправности будут обнаружены по истечении максимального периода передачи GOOSE-сообщений (с точки зрения эксплуатации практически мгновенно). В случае передачи сигналов традиционным образом неисправность выявляется либо в процессе плановой проверки устройств, либо в случае неправильной работы системы РЗА.

Еще одной особенностью передачи GOOSE-сообщений является использование функций установки приоритетности передачи телеграмм (priority tagging) стандарта Ethernet IEEE 802.3u, которые не используются в других протоколах, в том числе уровня TCP/IP. То есть GOOSE-сообщения идут в обход «нормальных» телеграмм с более высоким приоритетом (см. рис. 3).

Однако стандарт МЭК 61850 декларирует передачу не только дискретной информации между терминалами РЗА, но и аналоговой. Это означает, что в будущем будет иметься возможность передачи аналоговой информации от ТТ и ТН по цифровым каналам связи. На данный момент готовых решений по передаче аналоговой информации для целей РЗА (в рамках стандарта МЭК 61850) ни один из производителей не предоставляет.
Для того чтобы использовать GOOSE-сообщения для передачи дискретных сигналов между терминалами РЗА необходима достаточная надежность и быстродействие передачи GOOSE-сообщений. Надежность передачи GOOSE-сообщений обеспечивается следующим:

• Протокол МЭК 61850 использует Ethernet-сеть, за счет этого выход из строя верхнего уровня АСУ ТП и любого из устройств РЗА не отражается на передаче GOOSE-сообщений оставшихся в работе устройств,
• Терминалы РЗА имеют два независимых Ethernet-порта, при выходе одного из них из строя второй его полностью заменяет,
• Сетевые коммутаторы, к которым подключаются устройства РЗА, соединяются в два независимых «кольца»,
• Разные порты одного терминала РЗА подключаются к разным сетевым коммутаторам, подключенным к разным «кольцам»,
• Каждый сетевой коммутатор имеет дублированное питание от разных источников,
• Во всех устройствах РЗА осуществляется постоянный контроль возможности прохождения каждого сигнала. Это позволяет автоматически определить не только отказы цифровой связи, но и ошибки параметрирования терминалов.

На рис. 4 изображен пример структурной схемы сети Ethernet (100 Мбит/c) подстанции. Отказ в передаче GOOSE-сообщения от одного устройства защиты другому возможен в результате совпадения как минимум двух событий. Например, одновременный отказ двух коммутаторов, к которым подключено одно устройство или одновременный отказ обоих портов одного устройства. Могут быть и более сложные отказы, связанные с одновременным наложением большего количества событий. Таким образом, единичные отказы оборудования не могут привести к отказу передачи GOOSEсообщений. Дополнительно увеличивает надежность то обстоятельство, что даже в случае отказа в передаче GOOSE-сообщения, устройство, принимающее сигнал, выдаст сигнал неисправности, и персонал примет необходимые меры для ее устранения.

Быстродействие.
В соответствии с требованиями стандарта МЭК 61850 передача GOOSE-сообщений должна осуществляться со временем не более 4 мс (для сообщений, требующих быстрой передачи, например, для передачи сигналов срабатывания защит, пусков АПВ и УРОВ и т.п.). Вообще говоря, время передачи зависит от топологии сети, количества устройств в ней, загрузки сети и загрузки вычислительных ресурсов терминалов РЗА, версии операционной системы терминала, коммуникационного модуля, типа центрального процессора терминала, количества коммутаторов и некоторых других аспектов. Поэтому время передачи GOOSE-сообщений должно быть подтверждено опытом эксплуатации.
Используя для передачи дискретных сигналов GOOSE-сообщения необходимо обращать внимание на то обстоятельство, что при использовании аппаратуры некоторых производителей, в случае отказа линии связи, значение передаваемого сигнала может оставаться таким, каким оно было получено в момент приема последнего сообщения.
Однако при отказе связи бывают случаи, когда сигнал должен принимать определенное значение. Например, значение сигнала блокировки МТЗ ввода 6–10 кВ в логике ЛЗШ при отказе связи целесообразно установить в значение «1», чтобы при КЗ на отходящем присоединении не произошло ложного отключения ввода. Так, к примеру, при проектировании терминалов фирмы Siemens изменить значение сигнала при отказе связи возможно с помощью свободно-программируемой CFCлогики (см. рис. 5).

К CFC-блоку SI_GET_STATUS подводится принимаемый сигнал, на выходе блока мы можем получить значение сигнала «Value» и его статус «NV». Если в течение определенного времени не поступит сообщение со значением сигнала, статус сигнала «NV» примет значение «1». Далее статус сигнала и значение сигнала подводятся к элементу «ИЛИ», на выходе которого будет получено значение сигнала при исправности линии связи или «1» при нарушении исправности линии связи. Изменив логику, можно установить значение сигнала равным «0» при обрыве связи.
Использование GOOSE-сообщений предъявляет специальные требования к наладке и эксплуатации устройств РЗА. Во многом процесс наладки становится проще, однако при выводе устройства из работы необходимо следить не только за выводом традиционных цепей, но и не забывать отключать передачу GOOSE-сообщений.
При изменении параметрирования одного устройства РЗА необходимо производить загрузку файла параметров во все устройства, с которыми оно было связано.
В нашей стране имеется опыт внедрения и эксплуатации систем РЗА с передачей дискретных сигналов с использованием GOOSE-сообщений. На первых объектах GOOSE-сообщения использовались ограниченно (ПС 500 кВ «Алюминиевая»).
На ПС 500 кВ «Воронежская» GOOSEсообщения использовались для передачи сигналов пуска УРОВ, пуска АПВ, запрета АПВ, действия УРОВ на отключение смежного элемента, положения коммутационных аппаратов, наличия/отсутствия напряжения, сигналы ЛЗШ, АВР и т.п. Кроме того, на ОРУ 500 кВ и 110 кВ ПС «Воронежская» были установлены полевые терминалы, в которые собиралась информация с коммутационного оборудования и другая дискретная информация с ОРУ (рис. 6). Далее информация с помощью GOOSE-сообщений передавалась в терминалы РЗА, установленные в ОПУ подстанции (рис. 7, 8).
GOOSE-сообщения также были использованы при проектировании уже введенных в эксплуатацию ПС 500 кВ «Бескудниково», ПС 750 кВ «Белый Раст», ПС 330кВ «Княжегубская», ПС 220 кВ «Образцово», ПС 330 кВ «Ржевская». Эта технология применяется и при проектировании строящихся и модернизируемых подстанций ПС 500 кВ «Чагино», ПС 330кВ «Восточная», ПС 330 кВ «Южная», ПС 330 кВ «Центральная», ПС
330 кВ «Завод Ильич» и многих других.
Основные преимущества использования GOOSE-сообщений:

• позволяет снизить количество кабелей вторичной коммутации на ПС;
• обеспечивает лучшую помехозащищенность канала связи;
• позволяет снизить время монтажных и пусконаладочных работ;
• исключает проблему излишнего срабатывания дискретных входов терминалов из-за замыканий на землю в цепях оперативного постоянного тока;
• убирает зависимость количества передаваемых сигналов от количества дискретных входов и выходных реле терминалов;
• обеспечивает возможность реконструкции и изменения связей между устройствами РЗА без прокладки дополнительных кабельных связей и повторного монтажа в шкафах;
• позволяет использовать МП терминалы РЗА с меньшим количеством входов и выходов (уменьшение габаритов и стоимости устройства);
• позволяет контролировать возможность прохождения сигнала (увеличивается надежность).

Безусловно, для окончательных выводов должен появиться достаточный опыт эксплуатации. В настоящее время большинство производителей устройств РЗА заявили о возможности использования GOOSEсообщений. Стандарт МЭК 61850 определяет передачу GOOSE-сообщений между терминалами разных производителей. Использование GOOSE-сообщений для передачи дискретных сигналов – это качественный скачок в развитии систем РЗА. С развитием стандарта МЭК 61850, переходом на Ethernet 1 Гбит/сек, с появлением новых цифровых ТТ и ТН, новых выключателей с возможностью подключения их блока управления к шине процесса МЭК 61850, эффективность использования GOOSE-сообщений намного увеличится. Облик будущих подстанций представляется с минимальным количеством контрольных кабелей, с передачей всех сообщений между устройствами РЗА, ТТ, ТН, коммутационными аппаратами через цифровую сеть. Устройства РЗА будут иметь минимальное количество выходных реле и дискретных входов

[ http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/goosepaper1.pdf]

---

В стандарте определены два способа передачи данных напрямую между устройствами: GOOSE и GSSE. Это тоже пример наличия двух способов для реализации одной функции. GOOSE - более новый способ передачи сообщений, разработан специально для МЭК 61850. Способ передачи сообщений GSSE ранее присутствовал в стандарте UCA 2.0, являющимся одним из предшественников МЭК 61850. По сравнению с GSSE, GOOSE имеет более простой формат (Ethernet против стека OSI протоколов) и возможность передачи различных типов данных. Вероятно, способ GSSE включили в МЭК 61850 для того, чтобы производители, имеющие в своих устройствах протокол UCA 2.0, могли сразу декларировать соответствие МЭК 61850. В настоящее время все производители используют только GOOSE для передачи сообщений между устройствами.
Для выбора списка передаваемых данных в GOOSE, как и в отчѐтах, используются наборы данных. Однако тут требования уже другие. Время обработки GOOSE-сообщений должно быть минимальным, поэтому логично передавать наиболее простые типы данных. Обычно передаѐтся само значение сигнала и в некоторых случаях добавляется поле качества. Метка времени обычно включается в набор данных.
...
В устройствах серии БЭ2704 в передаваемых GOOSE-сообщениях содержатся данные типа boolean. Приниматься могут данные типа boolean, dbpos, integer.
Устоявшаяся тенденция существует только для передачи дискретной информации. Аналоговые данные пока передают немногие производители, и поэтому устоявшаяся тенденция в передаче аналоговой информации в данный момент отсутствует.
[ Источник]


 

Тематики

• релейная защита

Синонимы

• GOOSE-сообщение
• общие объектно-ориентированные события на подстанции

EN

• generic object oriented substation event
• GOOSE

 

технология коммутации
-
[Интент]

Современные технологии коммутации
[ http://www.xnets.ru/plugins/content/content.php?content.84]

Статья подготовлена на основании материалов опубликованных в журналах "LAN", "Сети и системы связи", в книге В.Олифер и Н.Олифер "Новые технологии и оборудование IP-сетей", на сайтах www.citforum.ru и опубликована в журнале "Компьютерные решения" NN4-6 за 2000 год.

• Введение
• Коммутация первого уровня.
• Коммутация второго уровня.
• Коммутация третьего уровня.
• Коммутация четвертого уровня.
• Критерии выбора оборудования, физическая и логическая структура сети
• Качество обслуживания (QoS) и принципы задания приоритетов
• Заключение

Введение

На сегодня практически все организации, имеющие локальные сети, остановили свой выбор на сетях типа Ethernet. Данный выбор оправдан тем, что начало внедрения такой сети сопряжено с низкой стоимостью и простотой реализации, а развитие - с хорошей масштабируемостью и экономичностью.

Бросив взгляд назад - увидим, что развитие активного оборудования сетей шло в соответствии с требованиями к полосе пропускания и надежности. Требования, предъявляемые к большей надежности, привели к отказу от применения в качестве среды передачи коаксиального кабеля и перевода сетей на витую пару. В результате такого перехода отказ работы соединения между одной из рабочих станций и концентратором перестал сказываться на работе других рабочих станций сети. Но увеличения производительности данный переход не принес, так как концентраторы используют разделяемую (на всех пользователей в сегменте) полосу пропускания. По сути, изменилась только физическая топология сети - с общей шины на звезду, а логическая топология по-прежнему осталась - общей шиной.

Дальнейшее развитие сетей шло по нескольким путям:

• увеличение скорости,
• внедрение сегментирования на основе коммутации,
• объединение сетей при помощи маршрутизации.

Увеличение скорости при прежней логической топологии - общая шина, привело к незначительному росту производительности в случае большого числа портов.

Большую эффективность в работе сети принесло сегментирование сетей с использованием технология коммутации пакетов. Коммутация наиболее действенна в следующих вариантах:

Вариант 1, именуемый связью "многие со многими" – это одноранговые сети, когда одновременно существуют потоки данных между парами рабочих станций. При этом предпочтительнее иметь коммутатор, у которого все порты имеют одинаковую скорость, (см. Рисунок 1).

Вариант 2, именуемый связью "один со многими" – это сети клиент-сервер, когда все рабочие станции работают с файлами или базой данных сервера. В данном случае предпочтительнее иметь коммутатор, у которого порты для подключения рабочих станций имеют одинаковую небольшую скорость, а порт, к которому подключается сервер, имеет большую скорость,(см. Рисунок 2).

Когда компании начали связывать разрозненные системы друг с другом, маршрутизация обеспечивала максимально возможную целостность и надежность передачи трафика из одной сети в другую. Но с ростом размера и сложности сети, а также в связи со все более широким применением коммутаторов в локальных сетях, базовые маршрутизаторы (зачастую они получали все данные, посылаемые коммутаторами) стали с трудом справляться со своими задачами.

Проблемы с трафиком, связанные с маршрутизацией, проявляются наиболее остро в средних и крупных компаниях, а также в деятельности операторов Internet, так как они вынуждены иметь дело с большими объемами IP-трафика, причем этот трафик должен передаваться своевременно и эффективно.

С подключением настольных систем непосредственно к коммутаторам на 10/100 Мбит/с между ними и магистралью оказывается все меньше промежуточных устройств. Чем выше скорость подключения настольных систем, тем более скоростной должна быть магистраль. Кроме того, на каждом уровне устройства должны справляться с приходящим трафиком, иначе возникновения заторов не избежать.

Рассмотрению технологий коммутации и посвящена данная статья.

Коммутация первого уровня

Термин "коммутация первого уровня" в современной технической литературе практически не описывается. Для начала дадим определение, с какими характеристиками имеет дело физический или первый уровень модели OSI:

физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

Смысл коммутации на первом уровне модели OSI означает физическое (по названию уровня) соединение. Из примеров коммутации первого уровня можно привести релейные коммутаторы некоторых старых телефонных и селекторных систем. В более новых телефонных системах коммутация первого уровня применяется совместно с различными способами сигнализации вызовов и усиления сигналов. В сетях передачи данных данная технология применяется в полностью оптических коммутаторах.

Коммутация второго уровня

Рассматривая свойства второго уровня модели OSI и его классическое определение, увидим, что данному уровню принадлежит основная доля коммутирующих свойств.

Определение. Канальный уровень (формально называемый информационно-канальным уровнем) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

На самом деле, определяемая канальным уровнем модели OSI функциональность служит платформой для некоторых из сегодняшних наиболее эффективных технологий. Большое значение функциональности второго уровня подчеркивает тот факт, что производители оборудования продолжают вкладывать значительные средства в разработку устройств с такими функциями.

С технологической точки зрения, коммутатор локальных сетей представляет собой устройство, основное назначение которого - максимальное ускорение передачи данных за счет параллельно существующих потоков между узлами сети. В этом - его главное отличие от других традиционных устройств локальных сетей – концентраторов (Hub), предоставляющих всем потокам данных сети всего один канал передачи данных.

Коммутатор позволяет передавать параллельно несколько потоков данных c максимально возможной для каждого потока скоростью. Эта скорость ограничена физической спецификацией протокола, которую также часто называют "скоростью провода". Это возможно благодаря наличию в коммутаторе большого числа центров обработки и продвижения кадров и шин передачи данных.

Коммутаторы локальных сетей в своем основном варианте, ставшем классическим уже с начала 90-х годов, работают на втором уровне модели OSI, применяя свою высокопроизводительную параллельную архитектуру для продвижения кадров канальных протоколов. Другими словами, ими выполняются алгоритмы работы моста, описанные в стандартах IEEE 802.1D и 802.1H. Также они имеют и много других дополнительных функций, часть которых вошла в новую редакцию стандарта 802.1D-1998, а часть остается пока не стандартизованной.

Коммутаторы ЛВС отличаются большим разнообразием возможностей и, следовательно, цен - стоимость 1 порта колеблется в диапазоне от 50 до 1000 долларов. Одной из причин столь больших различий является то, что они предназначены для решения различных классов задач. Коммутаторы высокого класса должны обеспечивать высокую производительность и плотность портов, а также поддерживать широкий спектр функций управления. Простые и дешевые коммутаторы имеют обычно небольшое число портов и не способны поддерживать функции управления. Одним из основных различий является используемая в коммутаторе архитектура. Поскольку большинство современных коммутаторов работают на основе патентованных контроллеров ASIC, устройство этих микросхем и их интеграция с остальными модулями коммутатора (включая буферы ввода-вывода) играет важнейшую роль. Контроллеры ASIC для коммутаторов ЛВС делятся на 2 класса - большие ASIC, способные обслуживать множество коммутируемых портов (один контроллер на устройство) и небольшие ASIC, обслуживающие по несколько портов и объединяемые в матрицы коммутации.

Существует 3 варианта архитектуры коммутаторов:
 

• переключение (cross-bar) с буферизацией на входе,
• самомаршрутизация (self-route) с разделяемой памятью
• высокоскоростная шина.

На рисунке 3 показана блок-схема коммутатора с архитектурой, используемой для поочередного соединения пар портов. В любой момент такой коммутатор может обеспечить организацию только одного соединения (пара портов). При невысоком уровне трафика не требуется хранение данных в памяти перед отправкой в порт назначения - такой вариант называется коммутацией на лету cut-through. Однако, коммутаторы cross-bar требуют буферизации на входе от каждого порта, поскольку в случае использования единственно возможного соединения коммутатор блокируется (рисунок 4). Несмотря на малую стоимость и высокую скорость продвижения на рынок, коммутаторы класса cross-bar слишком примитивны для эффективной трансляции между низкоскоростными интерфейсами Ethernet или token ring и высокоскоростными портами ATM и FDDI.

Коммутаторы с разделяемой памятью имеют общий входной буфер для всех портов, используемый как внутренняя магистраль устройства (backplane). Буферизагия данных перед их рассылкой (store-and-forward - сохранить и переслать) приводит к возникновению задержки. Однако, коммутаторы с разделяемой памятью, как показано на рисунке 5 не требуют организации специальной внутренней магистрали для передачи данных между портами, что обеспечивает им более низкую цену по сравнению с коммутаторами на базе высокоскоростной внутренней шины.

На рисунке 6 показана блок-схема коммутатора с высокоскоростной шиной, связывающей контроллеры ASIC. После того, как данные преобразуются в приемлемый для передачи по шине формат, они помещаются на шину и далее передаются в порт назначения. Поскольку шина может обеспечивать одновременную (паралельную) передачу потока данных от всех портов, такие коммутаторы часто называют "неблокируемыми" (non-blocking) - они не создают пробок на пути передачи данных.

Применение аналогичной параллельной архитектуры для продвижения пакетов сетевых протоколов привело к появлению коммутаторов третьего уровня модели OSI.

Коммутация третьего уровня

В продолжении темы о технологиях коммутации рассмотренных в предыдущем номера повторим, что применение параллельной архитектуры для продвижения пакетов сетевых протоколов привело к появлению коммутаторов третьего уровня. Это позволило существенно, в 10-100 раз повысить скорость маршрутизации по сравнению с традиционными маршрутизаторами, в которых один центральный универсальный процессор выполняет программное обеспечение маршрутизации.

По определению Сетевой уровень (третий) - это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. В данном случае "подсеть" это, по сути, независимый сетевой кабель (иногда называемый сегментом).

Коммутация на третьем уровне - это аппаратная маршрутизация. Традиционные маршрутизаторы реализуют свои функции с помощью программно-управляемых процессоров, что будем называть программной маршрутизацией. Традиционные маршрутизаторы обычно продвигают пакеты со скоростью около 500000 пакетов в секунду. Коммутаторы третьего уровня сегодня работают со скоростью до 50 миллионов пакетов в секунду. Возможно и дальнейшее ее повышение, так как каждый интерфейсный модуль, как и в коммутаторе второго уровня, оснащен собственным процессором продвижения пакетов на основе ASIC. Так что наращивание количества модулей ведет к наращиванию производительности маршрутизации. Использование высокоскоростной технологии больших заказных интегральных схем (ASIC) является главной характеристикой, отличающей коммутаторы третьего уровня от традиционных маршрутизаторов. Коммутаторы 3-го уровня делятся на две категории: пакетные (Packet-by-Packet Layer 3 Switches, PPL3) и сквозные (Cut-Through Layer 3 Switches, CTL3). PPL3 - означает просто быструю маршрутизацию (Рисунок_7). CTL3 – маршрутизацию первого пакета и коммутацию всех остальных (Рисунок 8).

У коммутатора третьего уровня, кроме реализации функций маршрутизации в специализированных интегральных схемах, имеется несколько особенностей, отличающих их от традиционных маршрутизаторов. Эти особенности отражают ориентацию коммутаторов 3-го уровня на работу, в основном, в локальных сетях, а также последствия совмещения в одном устройстве коммутации на 2-м и 3-м уровнях:
 

• поддержка интерфейсов и протоколов, применяемых в локальных сетях,
• усеченные функции маршрутизации,
• обязательная поддержка механизма виртуальных сетей,
• тесная интеграция функций коммутации и маршрутизации, наличие удобных для администратора операций по заданию маршрутизации между виртуальными сетями.

Наиболее "коммутаторная" версия высокоскоростной маршрутизации выглядит следующим образом (рисунок 9). Пусть коммутатор третьего уровня построен так, что в нем имеется информация о соответствии сетевых адресов (например, IP-адресов) адресам физического уровня (например, MAC-адресам) Все эти МАС-адреса обычным образом отображены в коммутационной таблице, независимо от того, принадлежат ли они данной сети или другим сетям.

Первый коммутатор, на который поступает пакет, частично выполняет функции маршрутизатора, а именно, функции фильтрации, обеспечивающие безопасность. Он решает, пропускать или нет данный пакет в другую сеть Если пакет пропускать нужно, то коммутатор по IP-адресу назначения определяет МАС-адрес узла назначения и формирует новый заголовок второго уровня с найденным МАС-адресом. Затем выполняется обычная процедура коммутации по данному МАС-адресу с просмотром адресной таблицы коммутатора. Все последующие коммутаторы, построенные по этому же принципу, обрабатывают данный кадр как обычные коммутаторы второго уровня, не привлекая функций маршрутизации, что значительно ускоряет его обработку. Однако функции маршрутизации не являются для них избыточными, поскольку и на эти коммутаторы могут поступать первичные пакеты (непосредственно от рабочих станций), для которых необходимо выполнять фильтрацию и подстановку МАС-адресов.

Это описание носит схематический характер и не раскрывает способов решения возникающих при этом многочисленных проблем, например, проблемы построения таблицы соответствия IP-адресов и МАС-адресов

Примерами коммутаторов третьего уровня, работающих по этой схеме, являются коммутаторы SmartSwitch компании Cabletron. Компания Cabletron реализовала в них свой протокол ускоренной маршрутизации SecureFast Virtual Network, SFVN.

Для организации непосредственного взаимодействия рабочих станций без промежуточного маршрутизатора необходимо сконфигурировать каждую из них так, чтобы она считала собственный интерфейс маршрутизатором по умолчанию. При такой конфигурации станция пытается самостоятельно отправить любой пакет конечному узлу, даже если этот узел находится в другой сети. Так как в общем случае (см. рисунок 10) станции неизвестен МАС-адрес узла назначения, то она генерирует соответствующий ARP-запрос, который перехватывает коммутатор, поддерживающий протокол SFVN. В сети предполагается наличие сервера SFVN Server, являющегося полноценным маршрутизатором и поддерживающего общую ARP-таблицу всех узлов SFVN-сети. Сервер возвращает коммутатору МАС-адрес узла назначения, а коммутатор, в свою очередь, передает его исходной станции. Одновременно сервер SFVN передает коммутаторам сети инструкции о разрешении прохождения пакета с МАС-адресом узла назначения через границы виртуальных сетей. Затем исходная станция передает пакет в кадре, содержащем МАС-адрес узла назначения. Этот кадр проходит через коммутаторы, не вызывая обращения к их блокам маршрутизации. Отличие протокола SFVN компании Cabletron от - описанной выше общей схемы в том, что для нахождения МАС-адреса по IP-адресу в сети используется выделенный сервер.

Протокол Fast IP компании 3Com является еще одним примером реализации подхода с отображением IP-адреса на МАС-адрес. В этом протоколе основными действующими лицами являются сетевые адаптеры (что не удивительно, так как компания 3Com является признанным лидером в производстве сетевых адаптеров Ethernet) С одной стороны, такой подход требует изменения программного обеспечения драйверов сетевых адаптеров, и это минус Но зато не требуется изменять все остальное сетевое оборудование.

При необходимости передать пакет узлу назначения другой сети, исходный узел в соответствии с технологией Fast IP должен передать запрос по протоколу NHRP (Next Hop Routing Protocol) маршрутизатору сети. Маршрутизатор переправляет этот запрос узлу назначения, как обычный пакет Узел назначения, который также поддерживает Fast IP и NHRP, получив запрос, отвечает кадром, отсылаемым уже не маршрутизатору, а непосредственно узлу-источнику (по его МАС-адресу, содержащемуся в NHRP-запросе). После этого обмен идет на канальном уровне на основе известных МАС-адресов. Таким образом, снова маршрутизировался только первый пакет потока (как на рисунке 9 кратковременный поток), а все остальные коммутировались (как на рисунке 9 долговременный поток).

Еще один тип коммутаторов третьего уровня — это коммутаторы, работающие с протоколами локальных сетей типа Ethernet и FDDI. Эти коммутаторы выполняют функции маршрутизации не так, как классические маршрутизаторы. Они маршрутизируют не отдельные пакеты, а потоки пакетов.

Поток — это последовательность пакетов, имеющих некоторые общие свойства. По меньшей мере, у них должны совпадать адрес отправителя и адрес получателя, и тогда их можно отправлять по одному и тому же маршруту. Если классический способ маршрутизации использовать только для первого пакета потока, а все остальные обрабатывать на основании опыта первого (или нескольких первых) пакетов, то можно значительно ускорить маршрутизацию всего потока.

Рассмотрим этот подход на примере технологии NetFlow компании Cisco, реализованной в ее маршрутизаторах и коммутаторах. Для каждого пакета, поступающего на порт маршрутизатора, вычисляется хэш-функция от IP-адресов источника, назначения, портов UDP или TCP и поля TOS, характеризующего требуемое качество обслуживания. Во всех маршрутизаторах, поддерживающих данную технологию, через которые проходит данный пакет, в кэш-памяти портов запоминается соответствие значения хэш-функции и адресной информации, необходимой для быстрой передачи пакета следующему маршрутизатору. Таким образом, образуется квазивиртуальный канал (см. Рисунок 11), который позволяет быстро передавать по сети маршрутизаторов все последующие пакеты этого потока. При этом ускорение достигается за счет упрощения процедуры обработки пакета маршрутизатором - не просматриваются таблицы маршрутизации, не выполняются ARP-запросы.

Этот прием может использоваться в маршрутизаторах, вообще не поддерживающих коммутацию, а может быть перенесен в коммутаторы. В этом случае такие коммутаторы тоже называют коммутаторами третьего уровня. Примеров маршрутизаторов, использующих данный подход, являются маршрутизаторы Cisco 7500, а коммутаторов третьего уровня — коммутаторы Catalyst 5000 и 5500. Коммутаторы Catalyst выполняют усеченные функции описанной схемы, они не могут обрабатывать первые пакеты потоков и создавать новые записи о хэш-функциях и адресной информации потоков. Они просто получают данную информацию от маршрутизаторов 7500 и обрабатывают пакеты уже распознанных маршрутизаторами потоков.

Выше был рассмотрен способ ускоренной маршрутизации, основанный на концепции потока. Его сущность заключается в создании квазивиртуальных каналов в сетях, которые не поддерживают виртуальные каналы в обычном понимании этого термина, то есть сетях Ethernet, FDDI, Token Ring и т п. Следует отличать этот способ от способа ускоренной работы маршрутизаторов в сетях, поддерживающих технологию виртуальных каналов — АТМ, frame relay, X 25. В таких сетях создание виртуального канала является штатным режимом работы сетевых устройств. Виртуальные каналы создаются между двумя конечными точками, причем для потоков данных, требующих разного качества обслуживания (например, для данных разных приложений) может создаваться отдельный виртуальный канал. Хотя время создания виртуального канала существенно превышает время маршрутизации одного пакета, выигрыш достигается за счет последующей быстрой передачи потока данных по виртуальному каналу. Но в таких сетях возникает другая проблема — неэффективная передача коротких потоков, то есть потоков, состоящих из небольшого количества пакетов (классический пример — пакеты протокола DNS).

Накладные расходы, связанные с созданием виртуального канала, приходящиеся на один пакет, снижаются при передаче объемных потоков данных. Однако они становятся неприемлемо высокими при передаче коротких потоков. Для того чтобы эффективно передавать короткие потоки, предлагается следующий вариант, при передаче нескольких первых пакетов выполняется обычная маршрутизация. Затем, после того как распознается устойчивый поток, для него строится виртуальный канал, и дальнейшая передача данных происходит с высокой скоростью по этому виртуальному каналу. Таким образом, для коротких потоков виртуальный канал вообще не создается, что и повышает эффективность передачи.

По такой схеме работает ставшая уже классической технология IP Switching компании Ipsilon. Для того чтобы сети коммутаторов АТМ передавали бы пакеты коротких потоков без установления виртуального канала, компания Ipsilon предложила встроить во все коммутаторы АТМ блоки IP-маршрутизации (рисунок 12), строящие обычные таблицы маршрутизации по обычным протоколам RIP и OSPF.

Компания Cisco Systems выдвинула в качестве альтернативы технологии IP Switching свою собственную технологию Tag Switching, но она не стала стандартной. В настоящее время IETF работает над стандартным протоколом обмена метками MPLS (Multi-Protocol Label Switching), который обобщает предложение компаний Ipsilon и Cisco, а также вносит некоторые новые детали и механизмы. Этот протокол ориентирован на поддержку качества обслуживания для виртуальных каналов, образованных метками.

Коммутация четвертого уровня

Свойства четвертого или транспортного уровня модели OSI следующие: транспортный уровень обеспечивает услуги по транспортировке данных. В частности, заботой транспортного уровня является решение таких вопросов, как выполнение надежной транспортировки данных через объединенную сеть. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения данными из другой системы).

Некоторые производители заявляют, что их системы могут работать на втором, третьем и даже четвертом уровнях. Однако рассмотрение описания стека TCP/IP (рисунок 1), а также структуры пакетов IP и TCP (рисунки 2, 3), показывает, что коммутация четвертого уровня является фикцией, так как все относящиеся к коммутации функции осуществляются на уровне не выше третьего. А именно, термин коммутация четвертого уровня с точки зрения описания стека TCP/IP противоречий не имеет, за исключением того, что при коммутации должны указываться адреса компьютера (маршрутизатора) источника и компьютера (маршрутизатора) получателя. Пакеты TCP имеют поля локальный порт отправителя и локальный порт получателя (рисунок 3), несущие смысл точек входа в приложение (в программу), например Telnet с одной стороны, и точки входа (в данном контексте инкапсуляции) в уровень IP. Кроме того, в стеке TCP/IP именно уровень TCP занимается формированием пакетов из потока данных идущих от приложения. Пакеты IP (рисунок 2) имеют поля адреса компьютера (маршрутизатора) источника и компьютера (маршрутизатора) получателя и следовательно могут наряду с MAC адресами использоваться для коммутации. Тем не менее, название прижилось, к тому же практика показывает, что способность системы анализировать информацию прикладного уровня может оказаться полезной — в частности для управления трафиком. Таким образом, термин "зависимый от приложения" более точно отражает функции так называемых коммутаторов четвертого уровня.

Тематики

• сети вычислительные

EN

• switching technology

 

промышленная сеть верхнего уровня
коммуникационная сеть верхнего уровня
сеть операторского уровня
Сеть верхнего уровня АСУ ТП.
Сеть передачи данных между операторскими станциями, контроллерами и серверами.
[ http://kazanets.narod.ru/NT_PART2.htm]

В данной статье речь пойдет о коммуникационных сетях верхнего уровня, входящих в состав АСУ ТП. Их еще называют сетями операторского уровня, ссылаясь на трехуровневую модель распределенных систем управления.

Сети верхнего уровня служат для передачи данных между контроллерами, серверами и операторскими рабочими станциями. Иногда в состав таких сетей входят дополнительные узлы: центральный сервер архива, сервер промышленных приложений, инженерная станция и т.д. Но это уже опции.

Какие сети используются на верхнем уровне?
В отличие от стандартов полевых шин, здесь особого разнообразия нет. Фактически, большинство сетей верхнего уровня, применяемых в современных АСУ ТП, базируется на стандарте Ethernet (IEEE 802.3) или на его более быстрых вариантах Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. При этом, как правило, используется полный стек коммуникационных протоколов TCP/IP. В этом плане сети операторского уровня очень похожи на обычные ЛВС, применяемые в офисных приложениях. Широкое промышленное применение сетей Ethernet обусловлено следующими очевидными моментами:

1.    Промышленные сети верхнего уровня объединяют множество операторских станций и серверов, которые в большинстве случаев представляют собой персональные компьютеры. Стандарт Ethernet отлично подходит для организации подобных ЛВС; для этого необходимо снабдить каждый компьютер лишь сетевым адаптером (NIC, network interface card). Коммуникационные модули Ethernet для промышленных контроллеров просты в изготовлении и легки в конфигурировании. Стоит отметить, что многие современные контроллеры уже имеют встроенные интерфейсы для подключения к сетям Ethernet.

2.   На рынке существует большой выбор недорого коммуникационного оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для промышленного применения.

3.   Сети Ethernet обладают большой скоростью передачи данных. Например, стандарт Gigabit Ethernet позволяет передавать данные со скоростью до 1 Gb в секунду при использовании витой пары категории 5. Как будет понятно дальше, большая пропускная способность сети становится чрезвычайно важным моментом для промышленных приложений.

4.   Очень частым требованием является возможность состыковки сети АСУ ТП с локальной сетью завода (или предприятия). Как правило, существующая ЛВС завода базируется на стандарте Ethernet. Использование единого сетевого стандарта позволяет упростить интеграцию АСУ ТП в общую сеть предприятия, что становится особенно ощутимым при реализации и развертывании систем верхнего уровня типа MES (Мanufacturing Еxecution System).

Однако у промышленных сетей верхнего уровня есть своя специфика, обусловленная условиями промышленного применения. Типичными требованиями, предъявляемыми к таким сетям, являются:

1.    Большая пропускная способность и скорость передачи данных. Объем трафика напрямую зависит от многих факторов: количества архивируемых и визуализируемых технологических параметров, количества серверов и операторских станций, используемых прикладных приложений и т.д.

В отличие от полевых сетей жесткого требования детерминированности здесь нет: строго говоря, неважно, сколько времени займет передача сообщения от одного узла к другому – 100 мс или 700 мс (естественно, это не важно, пока находится в разумных пределах). Главное, чтобы сеть в целом могла справляться с общим объемом трафика за определенное время. Наиболее интенсивный трафик идет по участкам сети, соединяющим серверы и операторские станции (клиенты). Это связано с тем, что на операторской станции технологическая информация обновляется в среднем раз в секунду, причем передаваемых технологических параметров может быть несколько тысяч. Но и тут нет жестких временных ограничений: оператор не заметит, если информация будет обновляться, скажем, каждые полторы секунды вместо положенной одной. В то же время если контроллер (с циклом сканирования в 100 мс) столкнется с 500-милисекундной задержкой поступления новых данных от датчика, это может привести к некорректной отработке алгоритмов управления.

2.    Отказоустойчивость. Достигается, как правило, путем резервирования коммуникационного оборудования и линий связи по схеме 2*N так, что в случае выхода из строя коммутатора или обрыва канала, система управления способна в кратчайшие сроки (не более 1-3 с) локализовать место отказа, выполнить автоматическую перестройку топологии и перенаправить трафик на резервные маршруты. Далее мы более подробно остановимся на схемах обеспечения резервирования.

3.    Соответствие сетевого оборудования промышленным условиям эксплуатации. Под этим подразумеваются такие немаловажные технические меры, как: защита сетевого оборудования от пыли и влаги; расширенный температурный диапазон эксплуатации; увеличенный цикл жизни; возможность удобного монтажа на DIN-рейку; низковольтное питание с возможностью резервирования; прочные и износостойкие разъемы и коннекторы. По функционалу промышленное сетевое оборудование практически не отличается от офисных аналогов, однако, ввиду специального исполнения, стоит несколько дороже.
 

Рис. 1. Промышленные коммутаторы SCALANCE X200 производства Siemens (слева) и LM8TX от Phoenix Contact (справа): монтаж на DIN-рейку; питание от 24 VDC (у SCALANCE X200 возможность резервирования питания); поддержка резервированных сетевых топологий.

Говоря о промышленных сетях, построенных на базе технологии Ethernet, часто используют термин Industrial Ethernet, намекая тем самым на их промышленное предназначение. Сейчас ведутся обширные дискуссии о выделении Industrial Ethernet в отдельный промышленный стандарт, однако на данный момент Industrial Ethernet – это лишь перечень технических рекомендации по организации сетей в производственных условиях, и является, строго говоря, неформализованным дополнением к спецификации физического уровня стандарта Ethernet.

Есть и другая точка зрения на то, что такое Industrial Ethernet. Дело в том, что в последнее время разработано множество коммуникационных протоколов, базирующихся на стандарте Ethernet и оптимизированных для передачи критичных ко времени данных. Такие протоколы условно называют протоколами реального времени, имея в виду, что с их помощью можно организовать обмен данными между распределенными приложениями, которые критичны ко времени выполнения и требуют четкой временной синхронизации. Конечная цель – добиться относительной детерминированности при передаче данных. В качестве примера Industrial Ethernet можно привести:

1.    Profinet;
2.    EtherCAT;
3.    Ethernet Powerlink;
4.    Ether/IP.

Эти протоколы в различной степени модифицируют стандартный стек TCP/IP, добавляя в него новые алгоритмы сетевого обмена, диагностические функции, методы самокорректировки и функции синхронизации, оставляя при этом канальный и физический уровни Ethernet неизменными. Это позволяет использовать новые протоколы передачи данных в существующих сетях Ethernet с использованием стандартного коммуникационного оборудования.

Теперь рассмотрим конкретные конфигурации сетей операторского уровня.
На рисунке 2 показана самая простая – базовая конфигурация. Отказ любого коммутатора или обрыв канала связи ( link) ведет к нарушению целостности всей системы. Единичная точка отказа изображена на рисунке красным крестиком.

Рис. 2. Нерезервированная конфигурация сети верхнего уровня

Такая простая конфигурация подходит лишь для систем управления, внедряемых на некритичных участках производства (водоподготовка для каких-нибудь водяных контуров или, например, приемка молока на молочном заводе). Для более ответственных технологических участков такое решение явно неудовлетворительно.

На рисунке 3 показана отказоустойчивая конфигурация с полным резервированием. Каждый канал связи и сетевой компонент резервируется. Обратите внимание, сколько отказов переносит система прежде, чем теряется коммуникация с одной рабочей станцией оператора. Но даже это не выводит систему из строя, так как остается в действии вторая, страхующая рабочая станция.

Рис. 3. Полностью резервированная конфигурация сети верхнего уровня

Резервирование неизбежно ведет к возникновению петлевидных участков сети – замкнутых маршрутов. Стандарт Ethernet, строго говоря, не допускает петлевидных топологий, так как это может привести к зацикливанию пакетов особенно при широковещательной рассылке. Но и из этой ситуации есть выход. Современные коммутаторы, как правило, поддерживают дополнительный прокол Spanning Tree Protocol (STP, IEEE 802.1d), который позволяет создавать петлевидные маршруты в сетях Ethernet. Постоянно анализируя конфигурацию сети, STP автоматически выстраивает древовидную топологию, переводя избыточные коммуникационные линии в резерв. В случае нарушения целостности построенной таким образом сети (обрыв связи, например), STP в считанные секунды включает в работу необходимые резервные линии, восстанавливая древовидную структуры сети. Примечательно то, что этот протокол не требует первичной настройки и работает автоматически. Есть и более мощная разновидность данного протокола Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP, IEEE 802.1w), позволяющая снизить время перестройки сети вплоть до нескольких миллисекунд. Протоколы STP и RSTP позволяют создавать произвольное количество избыточных линий связи и являются обязательным функционалом для промышленных коммутаторов, применяемых в резервированных сетях.

На рисунке 4 изображена резервированная конфигурация сети верхнего уровня, содержащая оптоволоконное кольцо для организации связи между контроллерами и серверами. Иногда это кольцо дублируется, что придает системе дополнительную отказоустойчивость.

Рис. 4. Резервированная конфигурация сети на основе оптоволоконного кольца

Мы рассмотрели наиболее типичные схемы построения сетей, применяемых в промышленности. Вместе с тем следует заметить, что универсальных конфигураций сетей попросту не существует: в каждом конкретном случае проектировщик вырабатывает подходящее техническое решение исходя из поставленной задачи и условий применения.

[ http://kazanets.narod.ru/NT_PART2.htm]

Тематики

• автоматизированные системы

Синонимы

• коммуникационная сеть верхнего уровня
• сеть операторского уровня

EN

• terminal bus

 

ретранслятор
повторитель
Устройство для усиления сигнала с целью последующего переизлучения.
[ http://www.morepc.ru/dict/]

Повторитель (англ. Repeater) -
устройство, обеспечивающее сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большее, чем предусмотрено данным типом физической передающей среды, расстояние; используется для увеличения протяженности сети.

В локальных сетях любого класса предусмотрены жесткие ограничения на длину участка сети между двумя точками подключения. Данные ограничения связаны, прежде всего, с коэффициентом затухания сигнала в линии передачи данных, который не должен превышать определенного порогового значения: в противном случае уверенный прием информации станет невозможен. Больше всего в этом случае выигрывают сети, построенные с применением линий из оптического волокна. Поскольку коэффициент затухания в этой среде очень мал, оптоволоконный кабель можно прокладывать на значительные расстояния без потери качества связи.

Вместе с тем, оптоволоконные линии связи достаточно дороги. Как быть, если на каком-либо предприятии эксплуатируется стандартная локальная сеть с пропускной способностью в 10 Мбит/с, отдельные участки которой, например, сеть бухгалтерии и склада, находятся на значительном удалении друг от друга, а перед руководством фирмы возникла необходимость объединить их между собой? Именно в этом случае и могут использоваться репитеры.

Репитеры оснащены, как правило, двумя сетевыми портами с одним из стандартных интерфейсов (двумя портами AUI, портами Thinnet и AUI, портами SC и AUI). Присоединяются они непосредственно к локальной сети на максимально возможном расстоянии от ближайшей точки подключения (для сетей класса 10BaseT оно составляет 100 м). Получив сигнал с одного из своих портов, репитер формирует его заново с целью исключить любые потери и искажения, произошедшие в процессе передачи, после чего ретранслирует результирующий сигнал на остальные порты. Таким образом, при прохождении сигнала через репитер происходит его усиление и очистка от посторонних помех.

В некоторых случаях повторитель выполняет также функцию разделения ретранслируемых сигналов: если на одном из портов постоянно фиксируется поступление данных с ошибками, это означает, что в сегменте сети, подключенном через данный порт, произошла авария, и репитер перестает принимать сигналы с этого порта, чтобы не передавать ошибки всем остальным сетевым сегментам, т.е. не транслировать из на всю сеть.

Основной недостаток повторителей заключается в том, что в момент прохождения сигналов через это устройство происходит заметная задержка при пересылке данных. Протоколы канального уровня Ethernet, использующие стандарт CSMA/CD, отслеживают сбои в процессе передачи информации, и если коллизия была зафиксирована, передача повторяется через случайный промежуток времени.

В случае, если число репитеров на участке между двумя компьютерами локальной сети превысит некоторое значение, задержки между моментом отправки и моментом прием данных станут настолько велики, что протокол попросту не сможет проконтролировать правильность пересылки данных, и обмен информацией между этими компьютерами станет невозможен. Отсюда возникло правило, которое принято называть "правилом 5-4-3": на пути следования сигнала в сети Ethernet не должно встречаться более 5 сегментов и более 4 репитеров, причем только к 3 из них могут быть подключены конечные устройства.

При этом в целом в локальной сети может присутствовать более 4 повторителей, правило регламентирует только количество репитеров между двумя любыми точками подключения. В некоторых случаях повторители устанавливают парами и объединяют между собой проводом, в этом случае между двумя компьютерами в сети не может присутствовать более двух таких пар.

Конструктивно репитер может быть выполнен либо в виде отдельной конструкции со своим блоком питания, либо в виде платы, вставляемой в слот расширения материнской платы компьютера. Репитер в виде отдельной конструкции стоит дороже, но он может быть использован для соединения сегментов Ethernet, выполненных как на тонком, так и на толстом кабеле, т.к. он имеет и коаксиальные разъемы, и разъемы для подключения трансиверного кабеля. С помощью этого репитера можно даже соединить в единую сеть сегменты, выполненные и на тонком, и на толстом кабеле.

Репитер в виде платы имеет только коаксиальные разъемы и поэтому может соединять только сегменты на тонком коаксиальном кабеле. Однако он стоит дешевле и не требует отдельной розетки для подключения электропитания. Один из недостатков встраиваемого в рабочую станцию репитера заключается в том, что для обеспечения круглосуточной работы сети станция с репитером также должна работать круглосуточно. При выключении питания связь между сегментами сети будет нарушена.

[ http://sharovt.narod.ru/l10.htm]

Тематики

• сети вычислительные

Синонимы

• ретранслятор

EN

• repeater

 

полевая шина
-
[Интент]

полевая магистраль по зарубежной терминологии
Имеет много терминов-синонимов и обозначает специализированные последовательные магистрали малых локальных сетей (МЛС), ориентированны на сопряжение с ЭВМ рассредоточенных цифровых датчиков и исполнительных органов. Магистрали рассчитаны на применение в машиностроении, химической промышленности, в системах автоматизации зданий, крупных установках, бытовых электронных системах, системах автомобильного оборудования, малых контрольно-измерительных и управляющих системах на основе встраиваемых микроЭВМ и т. п. Основными магистралями являются Bitbus, MIL STD-1553В. В настоящее время рабочими группами IEC (65С и SP-50) стандартизируются два основных типа МЛС: высокоскоростные и низкоскоростные, ориентированные на датчики.
[Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо-русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993]

ЧТО ТАКОЕ FIELDВUS?
Так пишется оригинальный термин, который в русском переводе звучит как «промышленная сеть». Fieldbus — это не какой-то определенный протокол передачи данных и не тип сетевой архитектуры, этот термин не принадлежит ни одной отдельно взятой компании и обозначает скорее сферу применения, чем какую-либо конкретную сетевую технологию.
Давайте попробуем сформулировать лишь некоторые основные требования, которые можно предъявить к «идеальной» промышленной сети.
1. Производительность.
2. Предсказуемость времени доставки информации.
3. Помехоустойчивость.
4. Доступность и простота организации физического канала передачи данных.
5. Максимальный сервис для приложений верхнего уровня.
6. Минимальная стоимость устройств аппаратной реализации, особенно на уровне контроллеров.
7. Возможность получения «распределенного интеллекта», путем предоставления максимального доступа к каналу нескольким ведущим узлам.
8.Управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций.

[Сергей Гусев. Краткий экскурс в историю промышленных сетей]

---

Международный стандарт IEC 61158 “Fieldbus for use in Industrial Control Systems” («Промышленная управляющая сеть для применения в промышленных системах управления») определяет восемь независимых и несовместимых коммуникационных технологий, из которых FOUNDATION Fieldbus H1 и PROFIBUS PA стали в значительной степени преобладающими в различных отраслях промышленности.
Эти промышленные сети соответствуют требованиям стандарта IEC 61158 2, который устанавливает физический уровень так называемых промышленных сетей H1.
Основными требованиями к промышленным сетям H1 являются:
● передача данных и питание устройств нижнего уровня по одной витой паре;
● гибкость при проектировании различных топологий сети;
● совместимость всех полевых приборов;
● взрывобезопасность при установкево взрывоопасных зонах;
● распределение одной инфраструктуры на многочисленные сегменты.

[Виктор Жданкин. Концепция FieldConnex® для промышленных сетей FOUNDATION Fieldbus H1 и PROFIBUS_PA: повышение производительности и снижение затрат. СТА 2/2009]

---

Термин полевая шина является дословным переводом английского термина fieldbus.
Термин промышленная сеть является более точным переводом и в настоящее время именно он используется в профессиональной технической литературе.

Промышленная сеть — сеть передачи данных, связывающая различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры и используемая в промышленной автоматизации. Термин употребляется преимущественно в автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУТП).

Устройства используют сеть для:

• передачи данных, между датчиками, контроллерами и исполнительными механизмами;
• диагностики и удалённого конфигурирования датчиков и исполнительных механизмов;
• калибрования датчиков;
• питания датчиков и исполнительных механизмов;
• связи между датчиками, исполнительными механизмами, ПЛК и АСУ ТП верхнего уровня.

В промышленных сетях для передачи данных применяют:

• электрические линии;
• волоконно-оптические линии;
• беспроводную связь (радиомодемы и Wi-Fi).

Промышленные сети могут взаимодействовать с обычными компьютерными сетями, в частности использовать глобальную сеть Internet.

[ Википедия]

---

Главной функцией полевой шины является обеспечение сетевого взаимодействия между контроллерами и удаленной периферией (например, узлами ввода/вывода). Помимо этого, к полевой шине могут подключаться различные контрольно-измерительные приборы ( Field Devices), снабженные соответствующими сетевыми интерфейсами. Такие устройства часто называют интеллектуальными ( Intelligent Field Devices), так как они поддерживают высокоуровневые протоколы сетевого обмена.

Пример полевой шины представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Полевая шина.

Как уже было отмечено, существует множество стандартов полевых шин, наиболее распространенные из которых приведены ниже:

1. Profibus DP
2. Profibus PA
3. Foundation Fieldbus
4. Modbus RTU
5. HART
6. DeviceNet

Несмотря на нюансы реализации каждого из стандартов (скорость передачи данных, формат кадра, физическая среда), у них есть одна общая черта – используемый алгоритм сетевого обмена данными, основанный на классическом принципе Master-Slave или его небольших модификациях.
Современные полевые шины удовлетворяют строгим техническим требованиям, благодаря чему становится возможной их эксплуатация в тяжелых промышленных условиях. К этим требованиям относятся:

1. Детерминированность. Под этим подразумевается, что передача сообщения из одного узла сети в другой занимает строго фиксированный отрезок времени. Офисные сети, построенные по технологии Ethernet, - это отличный пример недетерминированной сети. Сам алгоритм доступа к разделяемой среде по методу CSMA/CD не определяет время, за которое кадр из одного узла сети будет передан другому, и, строго говоря, нет никаких гарантий, что кадр вообще дойдет до адресата. Для промышленных сетей это недопустимо. Время передачи сообщения должно быть ограничено и в общем случае, с учетом количества узлов, скорости передачи данных и длины сообщений, может быть заранее рассчитано.
2. Поддержка больших расстояний. Это существенное требование, ведь расстояние между объектами управления может порой достигать нескольких километров. Применяемый протокол должен быть ориентирован на использование в сетях большой протяженности.
3. Защита от электромагнитных наводок. Длинные линии в особенности подвержены пагубному влиянию электромагнитных помех, излучаемых различными электрическими агрегатами. Сильные помехи в линии могут исказить передаваемые данные до неузнаваемости. Для защиты от таких помех применяют специальные экранированные кабели, а также оптоволокно, которое, в силу световой природы информационного сигнала, вообще нечувствительно к электромагнитным наводкам. Кроме этого, в промышленных сетях должны использоваться специальные методы цифрового кодирования данных, препятствующие их искажению в процессе передачи или, по крайней мере, позволяющие эффективно детектировать искаженные данные принимающим узлом.
4. Упрочненная механическая конструкция кабелей и соединителей. Здесь тоже нет ничего удивительного, если представить, в каких условиях зачастую приходиться прокладывать коммуникационные линии. Кабели и соединители должны быть прочными, долговечными и приспособленными для использования в самых тяжелых окружающих условиях (в том числе агрессивных атмосферах).

По типу физической среды полевые шины делятся на два типа:

1. Полевые шины, построенные на базе оптоволоконного кабеля.
   Преимущества использования оптоволокна очевидны: возможность построения протяженных коммуникационных линий (протяженностью до 10 км и более); большая полоса пропускания; иммунитет к электромагнитным помехам; возможность прокладки во взрывоопасных зонах.
   Недостатки: относительно высокая стоимость кабеля; сложность физического подключения и соединения кабелей. Эти работы должны выполняться квалифицированными специалистами.
2. Полевые шины, построенные на базе медного кабеля.
   Как правило, это двухпроводной кабель типа “витая пара” со специальной изоляцией и экранированием. Преимущества: удобоваримая цена; легкость прокладки и выполнения физических соединений. Недостатки: подвержен влиянию электромагнитных наводок; ограниченная протяженность кабельных линий; меньшая по сравнению с оптоволокном полоса пропускания.

Итак, перейдем к рассмотрению методов обеспечения отказоустойчивости коммуникационных сетей, применяемых на полевом уровне. При проектировании и реализации этот аспект становится ключевым, так как в большой степени определяет характеристики надежности всей системы управления в целом.

На рисунке 2 изображена базовая архитектура полевой шины – одиночная (нерезервированная). Шина связывает контроллер С1 и четыре узла ввода/вывода IO1-IO4. Очевидно, что такая архитектура наименее отказоустойчива, так как обрыв шины, в зависимости от его локализации, ведет к потере коммуникации с одним, несколькими или всеми узлами шины. В нашем случае в результате обрыва теряется связь с двумя узлами.

Рис. 2. Нерезервированная шина.

Здесь важное значение имеет термин “единичная точка отказа” (SPOF, single point of failure). Под этим понимается место в системе, отказ компонента или обрыв связи в котором приводит к нарушению работы всей системы. На рисунке 2 единичная точка отказа обозначена красным крестиком.

На рисунке 3 показана конфигурация в виде дублированной полевой шины, связывающей резервированный контроллер с узлами ввода/вывода. Каждый узел ввода/вывода снабжен двумя интерфейсными модулями. Если не считать сами модули ввода/вывода, которые резервируются редко, в данной конфигурации единичной точки отказа нет.

Рис. 3. Резервированная шина.

Вообще, при построении отказоустойчивых АСУ ТП стараются, чтобы единичный отказ в любом компоненте (линии связи) не влиял на работу всей системы. В этом плане конфигурация в виде дублированной полевой шины является наиболее распространенным техническим решением.

На рисунке 4 показана конфигурация в виде оптоволоконного кольца. Контроллер и узлы ввода/вывода подключены к кольцу с помощью резервированных медных сегментов. Для состыковки медных сегментов сети с оптоволоконными применяются специальные конверторы среды передачи данных “медь<->оптоволокно” (OLM, Optical Link Module). Для каждого из стандартных протоколов можно выбрать соответствующий OLM.

Рис. 4. Одинарное оптоволоконное кольцо.

Как и дублированная шина, оптоволоконное кольцо устойчиво к возникновению одного обрыва в любом его месте. Система такой обрыв вообще не заметит, и переключение на резервные интерфейсные и коммуникационные модули не произойдет. Более того, обрыв одного из двух медных сегментов, соединяющих узел с оптоволоконным кольцом, не приведет к потере связи с этим узлом. Однако второй обрыв кольца может привести к неработоспособности системы. В общем случае два обрыва кольца в диаметрально противоположных точках ведут к потере коммуникации с половиной подключенных узлов.

На рисунке 5 изображена конфигурация с двойным оптическим кольцом. В случае если в результате образования двух точек обрыва первичное кольцо выходит из строя, система переключается на вторичное кольцо. Очевидно, что такая архитектура сети является наиболее отказоустойчивой. На рисунке 5 пошагово изображен процесс деградации сети. Обратите внимание, сколько отказов система может перенести до того, как выйдет из строя.

Рис. 5. Резервированное оптоволоконное кольцо.

[ http://kazanets.narod.ru/NT_PART1.htm]

Тематики

• автоматизированные системы

Синонимы

• промышленная сеть
• промышленная управляющая сеть

EN

• field bus
• fieldbus

 

коммуникационная сеть
Система, состоящая из объектов, осуществляющих функции генерации, преобразования, хранения и потребления продукта, называемых пунктами (узлами) сети, и линий передачи (связей, коммуникаций, соединений), осуществляющих передачу продукта между пунктами.
Отличительная особенность коммуникационной сети - большие расстояния между пунктами по сравнению с геометрическими размерами участков пространства, занимаемых пунктами. В качестве продукта могут фигурировать информация, энергия, масса, и соответственно различают группы сетей информационных, энергетических, вещественных. В группах сетей возможно разделение на подгруппы. Так, среди вещественных сетей могут быть выделены сети транспортные, водопроводные, производственные и др. При функциональном проектировании сетей решаются задачи синтеза топологии, распределения продукта по узлам сети, а при конструкторском проектировании выполняются размещение пунктов в пространстве и проведение (трассировка) соединений.
[И.П. Норенков, В.А. Трудоношин. Телекоммуникационные технологии и сети. МГТУ им. Н.Э.Баумана. Москва 1999]

коммуникационная сеть
Система физических каналов связи и коммутационного оборудования, реализующая тот или иной низкоуровневый протокол передачи данных. Существуют проводные, беспроводные (использующие радиоволны) и волоконно-оптические каналы связи. По типу переносимого сигнала выделяют цифровые и аналоговые сети. Назначением коммуникационных сетей является передача данных с минимальным количеством ошибок и искажений. На основе коммуникационной сети может строиться информационная сеть, к примеру на основе сетей Ethernet как правило строятся сети TCP/IP, которые в свою очередь образуют глобальную сеть Интернет. Примерами коммуникационных сетей являются:

• компьютерные сети,
• телефонные сети,
• сети сотовой связи,
• сети кабельного телевидения.

[ Источник]

Тематики

• информационные технологии в целом

EN

• communications network

 

линия волоконно-оптической связи между повторителями
Протокол физического уровня, определяющий вариант построения сети Ethernet на волоконно-оптическом кабеле. Предназначен для связи портов повторителей и станций с AUI-портами.
[Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо-русский толковый словарь-справочник. Под редакцией Ю.М. Горностаева. Москва, 2002]

Тематики

• электросвязь, основные понятия

EN

• FOIRL
• Fiber-Optic InterRepeater Link