Kommunikáció

KommunikációA PLC technológia egyik legfontosabb eleme a kommunikáció. PC-s környezetben megszoktuk - és kellemesen kényelmessé tett minket – az ethernet alapú TCP/IP.
PLC-s körökben sajnos az élet nem ilyen egyszerű. Először is megkülönböztetjük a kommunikáció fizikai és logikai szintjét, és a két csoport között a legkülönfélébb kombinációkat.

Sokszor a logikai szinten belül is két szint létezik. Ezeknek a csoportosításával már sokan vesződtek, és többnyire eredménytelenül, mert a kivételeknek olyan magas a száma, hogy a szabályok sokszor értelmüket vesztik (mint a német ragozásban).

Leggyakrabban felbukkanó fizikai szintek: RS-232, RS-422, RS-485, Ethernet.

Gyakori logikai szintek: Modbus, Can, CanOpen, Profibus (Standard, DP, PA, FMS), TCP/IP, UDP, ProfiNet.

A kombinációk sokfélék lehetnek, gyakori például a az RS-485 Modbus és az Ethernet Modbus, vagy a Profibus és a Profibus Ethernet-en (Profinet).

Sok esetben a kommunikáció teljesen speciális hardware-en történik, ilyen például az AS-i.

A rendszerek sokfélesége ellenére állíthatom, hogy a leggyakrabban alkalmazott busz a Profibus / Profinet. A teljes kommunikációs rendszer minden szegmensére kínál megoldást, és az eddig egyeduralkodó ProfiBus-t szép lassan leváltja a Profiet.

A fejezet további részében a kommunikációhoz szükséges ismereteket csoportokra osztva próbálom ismertetni.

Ipari buszok

 A lenti táblázatban az OB121-en ismertetésre kerülő buszokról és protokoll-okról találhat egy összefoglaló táblázatot. A megnevezés oszlop bejegyzései linkeket is tartalmaznak a részletes ismertetéshez. A táblázat tartalma - szabadidőm szabványában - időről időre bővül.

Ahol a megnevezés mellett a (röviden) megjegyzés szerepel, azt próbálom jelezni, hogy az adott buszról csak rövid leírás szerepel (lehet, hogy csak egyelőre) a bus collection fejezetben, ami az ilyen rövidebb leírások gyüjtőhelye - ezeknek az összefoglalójában viszonylag gyakran szerepel az "na." (nincs adat) jelölés.

Ebben a táblázatban csak az oldalon fellelhető buszokat vettem sorra, kicsit lejjebb, a buszok fejezetben egy nagyobb (de közel sem teljes) összefoglalást is talál a buszokról. Amennyiben kedvenc buszát hiányolja a listáról, kérem, jelezze ezt a fórum-ban. A buszok / protokollok egy bővebb, de áttekintő jellegű jegyzékét ebben a fejezetben találja.

meg-
nevezés
Közeg-
hozzáférés,
jelleg
Jellemző
felhasználás
(szegmens)
Jellege,
állomások
száma
Jellemző
átviteli közeg
Maximális
átviteli
távolság
Maximális
átviteli
sebesség
3964R /
RK 512
p2p full duplex, CSMA/CD kommunikációs szint p2p full vagy
half duplex
, 2
- na. 1200 Baud -
115 KBaud
ABB
Procontic
T200
p2p ABB "Procontic T200" széria és Hitachi "H" széria
kommunikáció
p2p, maximum 8 párhuzamos kapcsolat RS-232 15 m 4800 vagy
19200 baud
AS511 p2p a Simatic S5 sorozat programozói protokollja p2p TTY /
20 mA
1000 m 9600 baud
AS-i

polling

terepi busz monomaster serial busz,
31 slave (v2.0)
63 slave (v2.1-)
AS-i vezeték 100 m / szegmens,

300 m ( - v2.1)
600 m (v3.0)
167 kBit / s, netto 53,3 kBit/s (szünetekkel)
BACnet RS-232,
RS-485
:
hardvertől függ
ethernet:
CSMA/CD
(félduplex)
épület-automatizálási
terepi busz
na. na. na. na.
BÜEP19 p2p Bosch "CL" sorozatú PLC-k kommunikációs protokollja p2p, maximum 8 állomás RS-232 15 m 38.4 Kbaud
Interbus            
CAN-bus CSMA/CR járműtechnika multi-master broadcast serial busz,
30 (high speed)
20 (low speed)
nem
specifikus
40 m / 1 Mbps (high speed)
1 km / 40 kbps (low speed)
Comli 31 -   maximum 255 állomás RS-232, RS-485 - 115 Kbaud
DF-1 félduplex,
full duplex
Allen Bradley "kommunikációs nyelv" - DH,
DH+,
DH-485,
ControlNet
- -
DH token busz Allen Bradley
fizikai réteg
maximum 64 állomás LAN 3 km 57.6 Kbs
DH+ token busz Allen Bradley
fizikai réteg
maximum 64,
jellemzően 15 állomás
LAN 3 km 57.6 Kbs
115.2 Kbs
230.4 Kbs
DH-485 token busz Allen Bradley
fizikai réteg
maximum 32 állomás Modbus - -
Ethernet CSMA/CD alap - protokoll állomások (elvi) maximális száma:
IPv4: 232
IPv6: 2128
A hálózat terjedelme gyakorlatilag korlátlan.
Ethernet vezeték és al-protokollfüggő, lásd itt.
MBP - fizikai szint 1 szegmens maximum 32 állomást tartalmazhat. RS-485 1,9 km 31.25 kbit/s
Melsec A p2p Mitsubishi PLC / serial maximum 8 párhuzamos kapcsolat RS-232,
RS-422
15 m
1000 m
115 Kbaud
Melsec
Net 
/ 10 / H
- Mitsubishi PLC /
MES-ERP
max. 255 hálózat
max. 64 állomás / hálózat
spec.
(koax,
optikai)
30 km / hálózat 10 Mbs
20 Mbs
25 Mbs
Melsec
Net (II)
- Mitsubishi PLC / SCADA - spec.
(koax,
optikai)
10 km 1.25 Mbs
Melsec
Net / B
- Mitsubishi PLC / SCADA - spec. (2 vezeté-
kes)
1.2 km
0.6 km
0.4 km
0.2 km
125 Kbs
250 Kbs
500 Kbs
1 Mbs
Melsec
PPN
- Mitsubishi PLC / terepi alkalmazás - spec. (2 vezeté-
kes)
0.5 km 38.4 Kbs
Melsec
I/O Link
- Mitsubishi PLC / terepi alkalmazás - spec. (2 vezeté-
kes)
0.2 km 38.4 Kbs
Melsec
SSCNet
serial Mitsubishi PLC / szervo-busz - spec. (4 vezeté-
kes)
- 5.6 Mbs
Modbus RS-232,
RS-485
:
hardvertől függ
ethernet:
CSMA/CD
(félduplex)
jellemzően terepi busz rs232:
1 meghajtó
1 vevő
rs485:
32 állomás szegmensenként repeaterek
nélkül, max. 127 állomás
repeaterek-kel
RS-232,
RS-485,
Ethernet
15 m (rs232)
1,2 km (rs485)
- (ethernet)
115 kBaud (rs232)
12 MBaud (rs485)
protokoll specifikus
MVB szórványos
telegrammok: CSMA/CR
periódikus
telegrammok: polling
master -
master: token-bus
vasúti jármű-busz rézvezetékkel:
30 méter, RS-485
alapú szegmens, maximum 32
csatlakozással
RS-485,
száloptika
30 méter /
2 km
1.5 Mbaud
Profibus
DP
polling terepi busz 32 állomás szegmensenként repeater nélkül, összesen maximum 126 elem hálózatonként repeater-rel. RS-485 1,2 km 9,6 kBit/s - 12 MBit/s
Profibus
FMS
token bus techológiai / felügyeleti busz ua, mint a DP, vagy száloptikával:
Maximum 126 elem hálózatonként
RS-485,
száloptika
1,2 km (rs485)
-
(szálopt.)
9,6 kBit/s - 12 MBit/s
Profibus
PA
token bus intelligens terepi busz 32 állomás szegmensenként, összesen maximum 126 elem hálózatonként MBP 1,9 km 31,25 KBit/s
Profinet
CBA
CSMA/CD Ethernet alapú felügyleti busz, a Profibus FMS utódja   Ethernet    
Profinet
IO
CSMA/CD Ethernet alapú felügyleti busz, a Profibus DP utódja   Ethernet    
RS-232 - fizikai szint 1 adó - 1 vevő (p2p) - 15 m 200 kBaud
RS-422 - fizikai szint 1 adó - 10 vevő (kvázi p2p) - 1200 m 20 MBaud
RS-485 - fizikai szint 32 állomás szegmensenként - 1200 m 20 MBaud
Sinaut
8FW
na. villamosenergia - átviteli busz 126 3964R na. na.
Sinaut
ST1
polling,
p2p full duplex
irányítástechnikai terepi busz 1 master,
255 slave
nem
specifikus
na. na.
Sinec-H1 CSMA/CD irányítástechnikai
(Siemens) busz
100 állomás szegmensenként,

összesen maximum 1024.
Ethernet - 500 méter repeater nélkül
- 1500 méter repeater-rel
- 2500 méter távoli repeater párral
10 Mbit/s (legrosszabb esetben nettó 1,2 Mbit/s)
Sinec-L2 polling Siemens terepi busz, a Profibus DP őse lásd Profibus DP RS-485 lásd Profibus DP
Sysmac
Way
RS-232 Omron "C" szériás PLC-k busza p2p,maximum 32 párhuzamos kapcsolat RS-232 15 m 115 kBaud (RS-232)
TCN vasúti hálózat, magába foglalja a WTB-t és az MVB-t 1.5 Mbaud
WTB egyedi vonat-busz 2 - 22 jármű, maximum 32 WTB-csomópont - 800 méter erősítő nélkül,
2 km erősítővel
1.5 Mbaud

Az ipari kommunikáció szegmensei

Az ipari kommunikáció szegmensei

Oldalt a klasszikus automatizálási piramis kép (de: Automatisierungspyramide) látható. Az alacsony terepi szinten zajlik a kommunikáció nagy része. Itt gyors, jellemzően szinkronkommunikációra alkalmas buszokat szokás bevetni, amik a decentralizált perifériákat (DP-ket) kötik össze a PLC-kkel. Fölötte a megjelenítő rendszereknek (SCADA) jelkiszolgálása zajlik a PLC-k felől, mely kommunikáció már jellemzően nem olyan gyors, viszont az egy buszra eső adatmennyiség emelkedik. Az e fölötti szintek már jellemzően az IT hatáskörébe sorolódnak, de általában ezeken a szinteken már egyeduralkodó a TCP/IP.

  • ERP: Enterprise Resource Planning
  • MES: Manufacturing Execution System
  • SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition
  • PLC: Programmable Logic Controller

Gyakorlatilag

industrial communication levels

 

Gyakorlatilag - legalábbis német nyelvterületen - a fenti besorolással találkoztam a leggyakrabban. Besorolás szempontjából még jobban szűkül a csoportok száma, ugyanis jellemzően a "teperepi busz" és "nem terepi busz" kategóriák szoktak előtérbe kerülni. 

Hálózati topológiák

A hálózatok egy fontos jellemzője azoknak a topológiája, azaz a hálózat tagjai milyen úton tudnak egymáshoz csatlakozni.

megnevezés jelölés kép rövid jellemzés
gyűrű
(ring)
gyuru topológia A gyűrű modell a lánc modell egy biztonságosabb változata, mert egy kommunikációs csatorna kihullásával még a rendszer egysége nem esik szét.
háló
(mesh)
  A háló topológia egy "valósághű" modell, ahol a kommunikációs redundanciák meglehetősen esetlegesek, úgy, mint az interneten. A modell többszörös hurkokat is tartalmazhat.
csillag
(star)
csillag topológia A csillag kapcsolat egy pontból kiinduló kommunikációs vonalakat jelenti.
teljes
(fully connected)
  A legtöbb kapcsolattal rendelkező, legstabilabb, de jellemzően csak elméletben létező modell.
lánc
(line)
lánc topológia A legegyszerűbb és egyben a legsérülékenyebb topológia, hiszen bármely kommunikációs kapcsolat kiesése két részre szakítja a hálózatot.
fa
(tree)
fa topológia A fa szerkezet egy elemtől indul, és elemenkénti továbbvezetéssel vagy elágaztatással bővül. Jellemzően a hierarchizált rendszerek jellemző topológiája. Bármely elem kiesése az onnan induló szerkezet leválásával jár.
busz
(bus)
busz topológia Gyakorlatilag megegyezik a lánc topológiával, azzal az eltéréssel, hogy minden résztvevőnek saját kommunikációs "kiállása" van.
pont - pont
(p2p)
p2p topológia A pont - pont kapcsolat nem hálózati topológia, hanem két állomás közvetlen összekötése egy kommunikációs vonallal. Csak a teljesség kedvéért tettem ide.

A fenti táblázat csak az alaptopológiákat foglalja össze. Jellemzően a hálózatok egyes részelemeit szokták ezekkel jellemezni, a teljes rendszert "vegyesfelvágott" esetén a hibrid topológia megnevezéssel szokás illetni. Sokszor az alap topológia a "lánc". Hogy ezt hibatűrőbbé varázsolják (pl. a Profibus esetén), szokás azzal a trükkel élni, hogy voltaképpen egy, adott ponton megszakított "gyűrű" topológiát alkalmaznak, mely hiba esetén bezár. Ilyenkor az adott topológia "lánc, megszakítással" (de: Linientopologie mit Terminierung) névre hallgat.

Hálózatok kiterjedése

WAN : távolsági hálózat

en: Wide Area Network

földrajzilag távol levő állomások összekapcsolása, távolság "korlátlan"


MAN : városi hálózat

en: Metropolitan Area Network

egy városon belüli állomások összekapcsolása, távolság: 1-50 km.


LAN : lokális (helyi) hálózat

en: Local Area Network

A távolsága kb. 5 km-ig terjedhet.

LAN fogalma az IEEE szabvány meghatározása alapján:

Olyan adatkommunikációs rendszer, amely lehetővé teszi, hogy számos független eszköz egymással közvetlenül kapcsolatot tartson, közepes kiterjedésű földrajzi területen belül, közepes sebességű, erre a célra telepített fizikai kommunikációs csatornán.

Ennek néhány eleme:

  • egyenrangú (peer-to-peer) kommunikációt támogat (minden eszköz státusza a kommunikáció szempontjából azonos), tehát nem centrális és nem hierarchikus jellegű
  • eltérő típusú eszközök lehetnek a hálózatban, és ezek egyenrangúak
  • közepes kiterjedésű területen van (néhányszor 10 m - 5-10 km). Tipikusan egy épületen belül vagy egymáshoz közeli épületekben levő eszközök között teremt kapcsolatot
  • az adatátvitel erre a célra kiépített, telepített közegen keresztül valósul meg (nem úgy mint WAN-nál, ahol pl. pl. a távközlési hálózatot veszik igénybe)
  • közepes sebességű (1 Mbps - 10-100 Mbps) az átvitel. A WAN-nál kis sebességű (kb. 64 kbps-ig), a számítógépes egységek között pedig nagysebességű (10-100 Mbps) az adatátvitel sebessége

Adatátviteli módok

en: signaling mode

A fizikai adatátviteli közegen (adatátviteli csatornán) kétféle adatátvitel használatos: digitális (alapsávú), és analóg (szélessávú). A jelátvitelre használt fizikai jellemző villamos vezetéken a villamos feszültség, fénykábelen pedig a fényintenzitás.

Alapsávú adatátvitel

en: baseband signaling

A jelátvitel diszkrét elektromos- vagy fényjelek formájában történik. A jelek az állomástól közvetlenül digitális feszültségjel formájában kerülnek a jelátviteli közegre, modulációs eljárás nem kerül alkalmazásra. Ezáltal azonban közvetlenül maga az információs jel fog torzulni (zaj, zavarok) és csillapodni.

A jeltorzulás (zaj, zavar) kevéssé probléma, mint a jelszint változása (t.i. a komparálást teszi nehézzé ill. megoldhatatlanná). Ugyanis a 0 és 1 megkülönböztetése csak a feladat. Így nagyobb átviteli távolságok esetén jelerősítőkre, jelismétlőkre (repeater) van szükség. Ezek esetenként maguk az állomások is lehetnek. Az alapsávú átvitel alkalmazása a kisebb távolságok esetén (2 km alatt) ajánlott.

Az alapsávú átvitelnél egy csatornán egyidőben egyetlen jel továbbítása történik. Amikor több eszköz időben osztozik a kommunikációs csatornán, azt időosztásos üzemmódnak (Time-Division Multiplexing, lásd még: TDMA) nevezzük. Ez időben multiplex átvitelt jelent az egymás után átviendő információk szempontjából. Azt, hogy melyik időpillanatban melyik eszköz fér hozzá az átviteli csatornához az alkalmazott hozzáférés-vezérlési mód határozza meg.

Az átvitt jel a csatornán terjedhet csak egyirányban (simplex) vagy időben osztottan kétirányban (fél-duplex), vagy 2 csatorna használata esetén egyidőben kétirányban (duplex).

Mivel az információ a közegen át modulációs eljárás nélkül kerül átvitelre, modulációs eszközre nincs szükség, az állomás és a jelátviteli közeg között adó-vevők (amelyek gyakran az állomásokba be vannak építve) segítik az átvitelt (jelerősítés, jelillesztés, stb. feladattal).

Szélessávú adatátvitel

en: wide-band signaling

A szélessávú átviteli csatorna általános célú megoldás, elsősorban akkor használják, amikor többféle információt is kívánnak egyidőben egy átviteli közegen továbbítani. Tipikusan ilyen a kábel TV (CATV) rendszere. Ez az alapsávú jelátvitelnél szélesebb frekvenciasávot nyújt.

Az átvitel analóg feszültségjellel történik. Az információt hordozó digitális jelet az analóg vivőhullámmal juttatjuk át a közegen. A (szinuszos) vivőhullámra való "ráültetés" a vivőhullám jellemzőinek az átviendő jellel való változtatását jelenti. A változtatási eljárásokat modulációs eljárásoknak nevezzük. A moduláció a 0 és 1 jelnek más-más fajta változtatást feleltet meg, így az átviendő 0-1 jelfolyam a vivőhullám szisztematikus és folyamatos modulációját eredményezi.

A szinuszos vivőhullám ezen jellemzői a következők lehetnek:

  • a jel amplitúdója (AM),
  • a jel frekvenciája (ill. periódusideje, FM)
  • a jel fázishelyzete.

Így az átvitt analóg jelnek sorban az amplitúdója, frekvenciája vagy fázisa hordozza az információt.
Mindegyiknek van előnye és hátránya. A zavarokra jellemzően az AM érzékenyebb, mint az FM.

OSI (-ISO) referencia modell

en: Open System Interconnection (- International Standardization Organization)

Tudod, mi Ogrék olyanok vagyunk, mint a hagymák.- Tudod, mi Ogrék olyanok vagyunk, mint a hagymák.

- Büdösek?

- Neeeem. Sokrétegűek. Mint a hagymák.

(hogy miért ez az filmrészlet jutott eszembe az OSI-ISO kapcsán, nem tudom. Talán, mert a kölykeim most nézik meg kb. 54.-szer a Shrek-et).

Azért az elején még próbálkozzunk meg némi kis elmélettel, mert jellemző és visszatérő eleme egy kommunikációs rendszer leírásának az OSI-ISO modellre való hivatkozás.

Két egység között – mielőtt egy buszon elindulna a kommunikáció – az átvitel és a hozzáférés módját meg kell határozni. Erre a célra született az International Standardization Organization (Nemzetközi Szabványügyi Szervezet - ISO) által meghatározott 7 rétegű (7 layer) modell, az OSI (Open System Interconnection). Az ez által meghatározott rétegek a következők:

 

Layer / réteg

Name

Név

Leírás

Logikai
összeköttetés
rétegek

7

Application
layer

Alkalmazási
réteg

Supplies the application-specific communication

Alkalmazás specifikus kommunikáció biztosítása.

6

Presentation
Layer

Megjelenítési
réteg

Transforms the data from the standard display of the communication system to the site-specific form.

Ez a szint átalakítja/konvertálja az üzenetek formáját.

5

Session Layer

Viszonylati réteg

responsible for connecting, disconnecting, and
monitoring of communication link.

Ez a szint határozza meg a csatlakozások, lecsatlakozások módját, biztosítja a kommunikáció felügyeletét.

adatátviteli
rétegek

4

Transport
Layer

Forgalmazási
réteg

Responsible for transport control.

Ez a réteg felel az adatátvitel irányításáért.

3

Network Layer

Hálózati
Réteg

Responsible for data path from one address to another.

Ez a réteg felel a címek közötti adatút meghatározásáért.

2

Data Link
Layer

Adatkapcsolati
réteg

Responsible for error recognition and error elimination.

Ez a réteg felel a hibafelismerésért és kiküszöböléséért.

1

Physical Layer

Fizikai
réteg

Specifies physics of data transmission.

Az adatátvitel fizikai specifikációja

A fenti (OSI) modell sok esetben (khmm) nem igazán működőképes, túl elméleti, melyet a gyakorlat rendszeresen cáfol a saját referencia modelljeivel, például a TCP/IP referencia-modellel. Viszonyítási alapként viszont mindig egy visszatérő pontja a kommunikáció-leírásoknak, az alábbi rétegeivel:

Az adatátvitellel foglalkozó rétegek

1: Fizikai réteg

de: Physikalische Schicht, en: physical layer

A bitek kommunikációs csatornára való kibocsátásáért felelős. Biztosítania kell, hogy az adó által küldött jeleket a vevő is azonosként értelmezze. Tipikus villamosmérnöki feladat a tervezése.

2: Adatkapcsolati réteg

de: Sicherungsschicht, en: data link layer

Alapvető feladata a hibamentes átvitel biztosítása a szomszéd gépek között, vagyis a hibás, zavart, tetszőlegesen kezdetleges átviteli vonalat hibamentessé transzformálja az összeköttetés fennállása alatt. Az adatokat adatkeretekké (data frame) tördeli, továbbítja, a nyugtát fogadja, hibajavítást és forgalomszabályozást végez. Meghatározza a forgalmazás módját és annak mikéntjét.

3: Hálózati réteg

de: Vermittlungsschicht, en: network layer

A kommunikációs alhálózatok működését vezérli, feladata az útvonalválasztás forrás és célállomás között. Ha az útvonalban eltérő hálózatok vannak, akkor fregmentálást, protokoll átalakítást is végez. Az utolsó olyan réteg, amely ismeri a hálózat topológiáját.

4: Forgalmazási réteg

de: Transportschicht, en: transport layer

Feladata a végpontok közötti hibamentes adatátvitel biztosítása. Már nem ismeri a topológiát, csak a két végpontban van rá szükség. Feladata az összeköttetések felépítése, bontása, csomagok sorrendbe állítása.

A logikai összeköttetéssel foglalkozó rétegek

5: Viszonylati réteg

de: Kommunikationssteuerungsschicht, en: session layer

Lehetővé teszi, hogy két számítógép felhasználói kapcsolatot létesítsenek egymással. Jellegzetes feladata a logikai kapcsolat felépítése és bontása, párbeszéd szervezése. Szinkronizációs feladatokat is ellát, ellenőrzési pontok beépítésével.

6: Megjelenítési réteg

de: Darstellungsschicht, en: presentation layer

Az egyetlen olyan réteg, amely megváltoztathatja az üzenet tartalmát. Tömörít, rejtjelez (adatvédelem és adatbiztonság miatt), kódcserét (pl.: ASCII - EBCDIC) végez el.

7: Alkalmazási réteg

de: Anwendungsschicht, en: application layer

Széles körben igényelt szolgáltatásokat tartalmaz. Pl.: fájlok gépek közötti másolása.

Alkalmazott OSI táblázatok

ethernet-OSI, profibus-OSI, 3964R-OSI, BACnet-OSI, Sinaut ST1 OSI, Sinec-H1 OSI,

A rétegek megnevezései magyarul, angolul, németül

Szint Magyarul Németül Angolul
7 Alkalmazási réteg Anwendungsschicht Application layer
6 Megjelenítési réteg Darstellungsschicht Presentation layer
5 Viszonylati réteg Kommunikationssteuerungsschicht Session layer
4 Forgalmazási réteg Transportschicht Transport layer
3 Hálózati réteg Vermittlungsschicht Network layer
2 Adatkapcsolati réteg Sicherungsschicht Data Link layer
1 Fizikai réteg Physikalische Schicht Physical layer

A fenti táblázatokat a német Wikipedia oldalról kommunizáltam.

Az OSI-ISO modellről bővebben a magyar Wikipedia oldalon, még bővebben pedig például a németen olvashat.

TCP/IP referencia modell

en: Transmission Control Protocol with Internet Protocol Reference Modell

Az OSI modell meglehetősen elméleti, naftalin-szagú besorolásai a leglátványosabban az Internet és annak valóban kaotikusan egymásra épülő protokolljai mondanak ellent, de legalábbis feszegetik a határait.

A TCP/IP modell részben egyszerűsíti, részben pedig bonyolítja az OSI-t. Egyszerűsítés, hogy a hét szint helyett csak négyet határoz meg úgy, hogy a felső három szintet egy rétegbe tömöríti -  csakúgy, mint csaknem az összes automatizálástechnikai leírást tartalmazó szakkönyv. Az alsó két réteget is összevonja a modell, DE. Helyette kijelenti, hogy az adatkapcsolati réteg helyén voltaképpen két szint található meg, az LLC és a MAC. Nem egyszerűsíti a helyzetet az IEEE 802 alkalmazása sem, ami voltaképpen a két alsó OSI szinttel definiálható kommunikációs formákat tartalmaz.

A TCP/IP-ről bővebben itt olvashat.

A MAC/OUI-ről bővebben itt olvashat.

LLC : logikai kapcsolatvezérlési alréteg

en: Logical Link Control

Az LLC ellenőrzi a vett keretek épségét, kéri és végzi az újraküldést és szervezi a kapcsolatot, a MAC réteg szolgáltatásainak (keret adása és vétele) felhasználásával.

MAC : közeghozzáférési alréteg

en: Medium Access Control

A MAC alréteg feladata a közeghez való hozzáférés, a kereteknek a kábelre való juttatása (az adási jog megszerzése és az adás).

adatbeágyazás

de: Einkapselung, en:encapsulation

Az egymásra épülő rétegek protokollegyedei adategységekkel kommunikálnak (PDU - Protocol Data Unit, SDU - Service Data Unit), melyeket saját fejrésszel ellátva a következő rétegnek adnak tovább. A távoli oldalon a fejrész eltávolításával érhető el az adat. A fejrész leíró és szabályzó információkat tartalmazhat az adatról, az átvitelről.

Az ethernetes adatátvitel jellemzője, hogy az információt a küldő oldalon a különböző protokollok lépésről-lépésre csomagolják be, a fogadó oldalon pedig ugyanez zajlik le, csak kicsomagolás művelettel. Az etherneten az információ matrioska-baba jelleggel utazik, csak itt a rétegeket a protokollokhoz tartozó header-ek szimbolizálják.

ethernet adatbeágyazás

 

A fenti példán a TCP/IP-s egymásba ágyazott telegrammok láthatók. A fogadó oldalon a különböző szinteket kezelő protokollok lehámozzák a számukra szükséges információkat a beérkező táviratról, és a sor végén a böngésző számára is olvasható információ-rész marad. (A teljes oldalt jellemzően több telegramm tartalmából kell összeácsolnia).

 

ethernet adatbeágyazás

Az adatbeágyazásra jellemző, hogy a referencia-modell minden szintjén (az utolsót kivéve) egy -egy header-rel bővül a telegramm tartalma. Alkalmazott példák a fejlécekre:

forgalmazási réteg: TCP fejléc, UDP fejléc

Internet réteg: IPv4 fejléc, IPv6 fejléc

Klón: UDP pseudo header IPv4, UDP pseudo header IPv6

 

Adatstruktúrák

A fenti adategységeket logikus módon eltérő nevekkel illették, hogy jól elkülöníthetők legyenek a kódolási / feldolgozási folyamat különböző szintjein található adatstruktúrák. Csak hogy az életünk egyszerűbb legyen, ezek a megnevezések az UDP és TCP jellegű struktúráknál eltérőek.

Adatstruktúrák

 

 

Protokollok OSI / TCP/IP besorolása

OSI-rétegek Protokollok TCP/IP-rétegek (és az IEEE 802*)
7 alkalmazási réteg
(application layer)
Profibus DPV0
Profibus DPV1
Profibus DPV2
Profibus FMS
Profibus
Profinet
alkalmazási réteg
(application layer)
4
6 megjelenítési réteg
(presentation layer)
 
5 viszonylati réteg
(session layer)
 
4 forgalmazási réteg
(transport layer)
TCP
TCP/IP
UDP
  forgalmazási réteg
(transport layer)
3
3 hálózati réteg
(network layer)
IPv4
IPv6
  Internet réteg
(Internet layer)
2
2 adatkapcsolati réteg
(data link layer)
Profibus FDL   I
E
E
E

8
0
2
LLC adatkapcsolati réteg
(host to network layer)
1
IEEE 802.3 Ethernet
IEEE 802.4 Token bus
IEEE 802.5 Token Ring
IEEE 802.6 Városi hálózatok
IEEE 802.11 Wireless LAN
IEEE 802.12 igény prioritások
IEEE 802.15 Wireless PAN
IEEE 802.16 WiMAX
MAC
1 fizikai réteg
(physical layer)
RS-232
RS-422
RS-485
MBP
száloptika
 

A fenti táblázatban az oldalon szereplő protokollokat próbáltam az OSI és TCP/IP modellek szerinti besorolásoknak megfeleltetni.

A -meglehetősen elméleti - OSI modell mellé a fenti táblázatba felvettem a TCP/IP besorolást is, illetve a kissé elütő színnel az IEEE 802-t jelöltem.

Az IEEE 802 arról rendelkezik, hogy az adatkapcsolati réteg két részre oszlik. Lásd LLC és MAC. Ezt a TCP/IP referencia-modell magába foglalja. Az eltérő színnel az IEEE 802 által érintett részt jelöltem.

Az IEEE 802 szabványcsalád

en: IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers

Lokális hálózatokra az IEEE - követve az OSI modellt - kialakította az ún. 802-es szabványcsaládját, az alsó két réteg megvalósításaként (lásd a fenti táblázatot). Az adatkapcsolati rétegben ez a szabvány a már említett két, jól elkülöníthető funkciókkal rendelkező alréteget különbözteti meg (LLC, MAC). A MAC alrétegben az IEEE 802-es szabványai a CSMA/CD-t, a vezérjelgyűrűt és a vezérjelbuszt támogatják vezérlési módként.

A fizikai rétegben pedig három közeget (sodrott érpár vezeték, koaxális vezeték, száloptikai vezeték) adnak meg, meghatározva a vezeték és átvitel típusát, a kódolási módot, adatsebességet. Néhány kiragadott IEEE 802-es szabványt a lenti ábra szemléltet.

OSI
réteg
IEEE 802 réteg IEEE 802 szabványok
2 LLC : logikai kapcsolat-
vezérlési alréteg
LLC : logikai kapcsolatvezérlési alréteg
2 MAC : közeghozzá-
férési alréteg
CSMA/CD vezérjel busz vezérjel gyűrű
1

fizikai réteg
(physical layer)

alkalmazott vezetéktípusok

alapsávú
koaxális
vezeték
szélessávú
koaxális
vezeték
alapsávú
sodrott
vezeték
szélessávú
koaxális
vezeték
alapsávú
koaxális
vezeték
alapsávú
sodrott
vezeték
alapsávú
koaxális
vezeték

Az IEEE 802 szabvány családot az IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee (LMSC) gondozza. A legszélesebb körben használt szabványok az Ethernet család, a IEEE 802.3, a token ring, a vezeték nélküli LAN-ok a bridzselt és virtuálisan bridzselt LAN-ok.

 

IEEE 802

Az IEEE 802 csoportjai:

  • IEEE 802.1 Magas szintű LAN protokollok
  • IEEE 802.2 Logical link control és Media Access Control
  • IEEE 802.3 Ethernet
  • IEEE 802.4 Token bus (feloszlatva)
  • IEEE 802.5 Token Ring (vezérjeles gyűrű)
  • IEEE 802.6 Városi hálózatok (feloszlatva)
  • IEEE 802.7 Koaxiális kábelt használó alapsávi LAN-ok(feloszlatva)
  • IEEE 802.8 Fiber Optic TAG (feloszlatva)
  • IEEE 802.9 Integrált LAN szolgáltatások(feloszlatva)
  • IEEE 802.10 Együttműködő LAN-ok biztonsága(feloszlatva)
  • IEEE 802.11 Wireless LAN (Wi-Fi zárójelentés)
  • IEEE 802.12 igény prioritások
  • IEEE 802.13 (nem használt)
  • IEEE 802.14 kábel modemek (feloszlatva)
  • IEEE 802.15 Wireless PAN
    • IEEE 802.15.1 (Bluetooth zárójelentés)
  • IEEE 802.16 Alapsávi vezetéknélkü hozzáférés (WiMAX zárójelentés)
    • IEEE 802.16e (Mobil) alapsávi vezeték nélkül hozzáférés
  • IEEE 802.17 rugalmas csomag gyűrű
  • IEEE 802.18 Rádió szabályozási TAG
  • IEEE 802.19 Coexistence TAG
  • IEEE 802.20 Mobil alapsávi vezeték nélküli hozzáférés
  • IEEE 802.21 Média független kezelés
  • IEEE 802.22 Vezeték nélküli regionális hálózatok

 

Közeghozzáférési eljárások

Lokális hálózatok egyik fontos közös tulajdonsága, hogy sok eszköz akar használni egyetlen átviteli közeget. Ezért a közeghez való hozzáférést vezérelni kell. A vezérlési módszerek a hálózatok egyik csoportosítási alapját adják, és ennek fajtái:

közeghozzáférés technológia előnyei hátrányai ahol alkalmazzák
közvetlen hozzáférés p2p full duplex - nincs közeghozzáférési eljárás - költségesebb vezetékezés RS-232 (full duplex)
véletlen vezérlés CSMA/CD gyér forgalom esetén gyors a közeghez való hozzáférés nagy forgalomnál sok ütközés keletkezik, ami még több adást és így egyre nagyobb forgalmat generál Ethernet
CSMA/CR - gyors hozzáférés
- priorizálás az üzenetek / állomások között
alacsony prioritás mellett esetleges hozzáférés CAN-Bus
osztott vezérlés CSMA/CA WLAN technológiáknál előnyösebb a CSMA/CD rendszereknél
(a miérteket lásd lejjebb)
nagy forgalomnál sok ütközés keletkezik, ami még több adást és így egyre nagyobb forgalmat generál WLAN
token ring nagyfokú vezérelhetõség, minden állomás kap lehetõséget az adásra egy adott idõn belül és prioritást is lehet rendelni az egyes állományokhoz költséges és bonyolult a vezérjel feldolgozása és felügyelete IBM Token Ring
token bus a token ringnél is egyszerűbb vezérlés bonyolult az új állomások beillesztése a rendszerbe Profibus
központosított
vezérlés
polling - rugalmas vezérlést tesz lehetõvé, prioritás rendelhetõ a mellékekhez, azok egyszerű felépítésűek, olcsók
- a lekérdezés ciklikus, fix időkkel
- a fõállomás bonyolult, hibája esetén a lekérdezés nem működik
- viszonylag kicsi átvitt adatmennyiség
AS-i
circuit switching rugalmas vezérlést tesz lehetõvé, prioritás rendelhetõ a mellékekhez, azok egyszerű felépítésűek, olcsók - a fõállomás bonyolult, hibája esetén a lekérdezés nem működik
- a központ csak véges számú kapcsolatot tud kezelni
 
TDMA egy idõegység alatt mindenki kap lehetõséget az adásra, és itt is alkalmazhatók prioritások - ha kevés állomás ad, kihasználatlan idõrések keletkeznek,
- a fõállomás kiesése felborítja a szinkronizációt
 

p2p full duplex

Ezt a kategóriát csak a teljesség kedvéért soroltam ide, a közeghozzáférések közé, hiszen a full duplex megvalósítás pont arról szól, hogy a két résztvevő (p2p) mindegyikének saját csatornája van, így nem kell a közeghozzáférésért versengeniük. Előnye, hogy nincsenek ütközések, így a forgalmazás zavartalan rajta, hátránya, hogy kb. kéteszer annyi vezetéket igényel, mint a félduplex kommunikáció.

CSMA/CD

en: Carrier Sense Multiple Access with Collosion Detection,
hu: ütközést jelző vivőérzékeléses többszörös hozzáférés

Hosszú ideje használják, jellemzően busz és fa topológiákhoz, az Ethernet és az IEEE 802-es szabvány egyik hozzáférési módja. Ha egy állomás adni akar, "belehallgat"' az átviteli közegbe és meghatározza, hogy van-e állomás, ami éppen ad (vivőérzékelés).

Ha a közeg "csendes" akkor elkezdi az adást. Ez az üzenet minden állomáshoz eljut. A vételi állomás az üzenetben levő címből megállapítja, hogy neki szól-e az üzenet. Ha igen, átveszi az üzenetet.

Ha két állomás egyszerre ad, akkor ütközés keletkezik és az adat elveszik. Ezt valamennyi állomás figyeli és érzékeli.

Az ütköző állomások leállítják az átvitelüket és várni kezdenek. A várakozási idő azonban nem egyforma, hanem véletlenszerű. A beállított várakozási idő elteltével (most már vélhetőleg nem egyszerre) újrakezdik az eljárást.

A várakozási algoritmus olyan, hogy gyenge forgalom esetén a várakozás, zsúfolt forgalom esetén pedig az egymás utáni ütközések száma legyen minimális.

Alkalmazási példák

ethernet

CSMA/CA

en: Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance,
hu: ütközést elkerülő vivőérzékeléses többszörös hozzáférés

Jellemzően a WLAN hálózatoknál előforduló közeghozzáférési eljárás, ugyanis ezeknél az alábbi okok miatt nem célszerű az Etherneten elterjedt csma/cd eljárást alkalmazni:

Collision Detection eljárás megvalósítása Full Duplex rádiós képességeket igényelnek, ami jelentősen növelné az árakat ütközés érzékelése nehézkes, mert a saját jel elnyomja az esetleg távoli másik terminál kis teljesítményű jelét vezeték nélküli környezetben nem tételezhetjük fel, hogy minden állomás hallja a többit (ami a Collision Detection alapja), így a tény, hogy egy állomás szabadnak érzékelte a közeget, nem jelenti azt, hogy az a vevőnél csakugyan szabad is.

A csma/ca menete:

  1. Az adni kívánó állomás érzékeli a közeget. Ha foglalt, akkor elhalasztja az adását.
  2. Ha szabad egy előre definiált ideig (Distributed Inter Frame Space, DIFS), akkor adhat.
  3. A vevő állomás ellenőrzi a vett csomag CRC-jét és nyugtát küld SIFS (Short Interframe Space) idő után (acknowledgment packet, ACK, MAC nyugta).
  4. A nyugta vétele jelzi az adónak, hogy nem történt ütközés. Ha az adó nem kapott nyugtát újra küldi a csomagot amíg nyugtát nem kap vagy el nem dobja adott számú próbálkozás után.

A SIFS azért kisebb, mint a DIFS, hogy a harmadik állomás ne kezdhessen el adni a nyugta elküldése előtt. (Az egynél több célcímű csomagokra, pl. multicast, nincs nyugta).

Alkalmazási példák

WLAN

CSMA/CR

en: Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution

A CAN-buszhoz kifejlesztett eljárás, ahol az un. arbitrációs eljárás dönti el két, egyszerre és egyidejűleg induló telegramm esetén, hogy melyik élvez elsőséget. A busz sajátosságaiból adódóan az adást több állomás egyidejűleg is elkezdheti, de az arbitráció lefutása után csak egy forgalmazhat.

Alkalmazási példák

CAN-Busz

token ring

hu: vezérjelgyűrű

Gyűrű topológiánál (pl. IBM Token Ring hálózat) alkalmazott eljárás. Lényege a vezérjel-továbbítás: egy jel (token) a gyűrű mentén állomásról állomásra vándorol. Ha a vezérjel szabad, akkor az aktuális állomás (akinél a jel van) adhat. Elküldi az üzenetet, foglaltra állítja a jelet és hozzá illeszti az üzenetet. Ez halad tovább, minden állomás veszi, lemásolja és beállít egy jelzőbitet, hogy sikeres volt-e a vétel. Ha az üzenet visszaér eredeti helyére, a küldő állomás törli az üzenetet és szabadra állítva a jelet továbbküldi. Lehet alkalmazni felügyelő funkciókkal ellátott gépet, amelyik figyeli, jó volt-e az adás, szabadra állítja a jelet, stb.

 

token bus

hu: vezérjel busz

A token jellemzően egy speciális távirat, melyet az azonos szinten kommunikáló master-ek küldözgetnek egymásnak, jól definiált metódus szerint. Ezt a metódust jellemzően az OSI adatkapcsolati rétege írja le, a Profibus esetén például az FDL. A token felett rendelkező master kommunikálhat a többi, az adott hálózaton tartózkodó master-rel. Ilyenkor ez a master az "aktiv (active)", míg a többiek a "készenléti (stand-by)" módba kerülnek.

Alkalmazási példák

Profibus, DH-485, MVB

polling

hu: lekérdezés

Ebben az esetben a master egymás után üzenetet küld a slave-eknek, ebből megtudja, van-e azoknak ,,mondanivalójuk''. Ha egy slave nem akar forgalmazni, negatív értelmű üzenetet küld vissza. Ha viszont akar, elküldi üzenetét, és azt a master továbbítja a címzettnek vagy feldolgozza. Jellemzően egy telegram kis mennyiségű adatot továbbít, ezért a nagyobb adatokért (pl. analóg értékekért) a kommunikációnak többet kell fordulnia, így ezek a nagyobb méretű adatok viszonylag lassan frissülnek.

Alkalmazási példák

AS-i

circuit switching

hu: vonalkapcsolás

Csillag topológiánál illetve automatikus hívású alközpontokban (Private Branch Exchange - PBX) a telekommunikációs iparban használják. Mielőtt egy állomás adni akar, kéri a központot, létesítsen kapcsolatot közte és a célállomás között. A központ dönt arról, hogy ez lehetséges-e vagy sem. Pozitív válasz esetén létrejön a fizikai kapcsolat, a két állomás adhat-vehet. Ha végeztek, bomlik a kapcsolat. A központ támogathatja több állomáspár összekapcsolódását is. Digitális vezérlésnél megoldható nagyszámú kapcsolat osztott hozzáférése az átviteli berendezésekhez (a hozzáférést az átviteli vezérlésnél sokkal nagyobb sebességgel kapcsolgatják az eszközök között, így minden vonal számára állandónak látszik a kapcsolat).

TDMA

en: Time-Division Multiple Access, hu: időosztásos többszörös hozzáférés

Busz topológiánál használatos, minden állomás előre meghatározott időszelettel rendelkezik, és ebben az időrésben adhat. A folyamat időzítést kíván, ezt a szinkronizálást egy főállomás végzi. Új állomás esetén az időintervallumot újra fel kell osztani.

A fizikai átviteli közeg jellemzői

Ezekkel a jellemzőkkel a fizikai átviteli közeg eszközeit szokás illetni, ezeket a vezeték típusok / csatlakozók fejezetben lelheti fel.

adatátviteli sebesség

Az adatátviteli sebesség a hálózatok egyik legfontosabb paramétere, melynek meghatározása csak elsőre tűnhet egyszerű dolognak. A sebesség nagyban függ

  • az alkalmazott protokolltól, annak beállításaitól (hibaellenőrzés, stop-bitek száma, stb.),
  • a szegmensben található állomások számától, a szegmens hosszától és adatterhelésétől,
  • a vezeték minőségétől
  • a környezeti (pl. indukciós) terheléstől.

A sebesség meghatározására is több metódus létezik, melyek jellemzően azért átfedik egymást, de átszámolásuk már korántsem olyan egyszerű. A leggyakoribb meghatározás az adatráta (bit/s, Kbit/s, Mbit/s, ..).

adatráta / sávszélesség

Az adatráta a voltaképpen átvitt adatmennyiség jellemzője szemben a sávszálességgel, ami a potenciálisan átvihető adatmennyiséget -például a csatornakapacitást - jellemzi.

Mindkét mérés az egy másodperc alatt átvitt adatmennyiséget határozza meg. Leggyakrabban a bit / s mérés kerül megadásra, ritkábban a Byte / s. A Byte / s és a bit / s között a váltószám nem feltétlenül 8, mert ehhez hozzáadódnak adott esetben a kommunikációs jellemzőkből következő startbitek, stopbitek és paritásbitek, stb..

A kommunikációban leegyszerűsítve a 1 kbit / s = 1000 bit / s és nem 1024 bit / s. A mértékegységek megnevezésekor általában a bit-et kisbetűkkel "bit"-nek kiírva, a byte-ot nagy "B" betűvel szokás jelölni. Egy jellemző meghatározás így:

RS-232 xxx készülék sávszélessége: 230.4 kbit/s - 23.0 kB/s, jellemző adatrátája: 9.6 kbit/s - 960 B/s.

A készülékeknél a sávszélesség csak nagyon ritkán kerül(het) megjelölésre, hiszen a sávszélességet az alkalmazott hálózat határozza meg, az ebből felhasználásra kerülő adatrátát pedig a készülék. 

Bonyolítja a helyzetet, hogy az adatterhelést nem lehet kiszámolni az adatráták összességéből, mert a pillanatnyi terhelést leginkább az alkalmazott protokoll határozza meg. Tapasztalatom szerint adatterhelést csak méréssel lehet meghatározni.

baudráta

en: baudrate

Az adatrátával szemben a baudráta a jelarány mértékét határozza meg, azaz, egy másodperc alatt hány baud-ot, azaz modulált jelet továbbít a vezeték. A ráta névadója Émile Baud, a Baud-kód kidolgozója. A baud ráta fontos tulajdonsága, hogy 1 baud hány bitből áll össze.

Amennyiben 1 baud 1 bit, akkor a baudráta és az adatráta megegyezik (1 baud = 1 bit/s). Modemek esetén az un. kvadratúra amplitúdómodulációnak köszönhetőn egy baud információ 4 bit adatból áll össze, így (1 baud = 4 bit/s). A baudráta meghatározás jellemzően a modem-kor letűntével szintén parkolópályára került.

adatátviteli módok

simplex

simplexA simlex a legritkábban alkalmazott kommunikációs forma. Ebben az esetben a kommunikáció csak egy irányban zajlik.

 

half-duplex

half-duplexA half-duplex kommunikáció esetén a kommunikáló partnerek közül egyidejűleg csak az egyik adatokat küld, a másik fél pedig fogadja azokat. A csatorna kétirányú forgalmazásra alkalmas, és az adatküldés jogát a partnerek cserélgetik. Ennek az adatátviteli módnak egy alkalmazott változata a broadcast, ahol jellemzően a token-nel rendelkező állomásnak van adási joga.

A half-duplex egyik alkalmazási példája  walkie-talkie, ahol egyidejűleg csak az egyik készülék adhat.

Half-duplex kommunikációs protokollok esetén blokkolni kell az egyszerre forgalmazást, ennek eszköze a token, amit például  a Profibus esetén az FDL Hozzáférés vezérlés kezel.

Gyakorlati példák: RS-485 half-duplex

full-duplex

full-duplexFull duplex adatátvitel esetén mindkét partner egyszerre forgalmazhat. Hátránya, hogy általában kétszer annyi vezeték kell hozzá, mint a half-duplex-hez. (jellemzően 4 vezeték + GRND).

Gyakorlati példák: RS-485 full-duplex, RS-422 full-duplex

Szinkron / asszinkron adatátvitel

de: Synchrone und asynchrone Datenübertragung

szinkron / aszinkron átvitel

en: syncron / asyncron data flow

Az adatátvitel megkezdése előtt a küldő és fogadó állomáson biztosítani kell, hogy az egy adott tempóban elküldött információhalmazt a másik fél azonos módon tudja olvasni. Ehhez az állomásokat össze kell szinkronizálni, és ennek jellemzően két metódusa létezik.

Szinkron átvitel / kommunikáció

de: synchrone Übertragung / Kommunikation,
en: synchronous communication

Ilyenkor az állomások vagy

  • külső jellel szinkonizálnak : ebben az esetben jellemzően egy független vonalon mindkét állomás azonos frekvenciát kap
  • a fogadó állomás szinkonizál : az adatfolyamban található szinktonjelek alapján

Asszinkron átvitel / kommunikáció

de: asynchrone Übertragung / Kommunikation,
en: asynchronous communication

Az aszikron kommunikáció főként karakter-szervezésű adatok átviteli módja. Általában csak a rövid - táviratjellegű - adatátvitel eszköze.

Mindkét félnek saját frekvencia-generátora van, és a fogadó állomás minden adatátvitel alkalmával szinkronizálja magát a küldő állomás által diktált tempóra a start / stop bitek segítségével. Az adatátvitel jellemzően karakteres formában történik. Az asszinkron adatátvitel egyik fontos eszköze az UART.

UART

en: Universal asynchronous receiver transmitter,
hu: univerzális aszinkron adóvevő

Az UART egy olyan hardver, amely fordítást végez a soros és párhuzamos interfészek között. Soros átvitelnél az UART a bájtokat aszinkron start-stop bitfolyammá alakít át, amiket elektromos impulzusokkal továbbít. Az UART-ot gyakran használják együtt az RS-232-vel és más kommunikációs szabványokkal. Leggyakrabban integrált áramkörökben találkozhatunk vele, ahol szükséges a számítógéppel vagy más, soros porttal rendelkező eszközzel való kommunikálás. A mai mikrokontrollerekbe áltlában be van építve. Dual UART (DUART) esetén egy chipbe két UART is található. Sok modern UART már szinkron módon is képes kommunikálni, ezeket USART-nak nevezzük.

Adatátvitel során a biteket valamilyen közegen kell eljuttatni az úticélhoz. A távolsággal növekszik a vonal kiépítésének költsége, ezért az adatot a lehető legkevesebb csatornán (pl. vezetéken) kell átvinni. Soros kommunikáció során a bájtokat nem párhuzamosan, bitenkénti egy vezetékkel viszik át, hanem a biteket időben egymás után továbbítják egy csatornán. A párhuzamos adatfolyamot az UART alakítja soros adatfolyammá és vissza. Minden UART-ban található egy léptetőregiszter, ami a soros-párhuzamos átalakítás alapvető eszköze.

izoszinkron kommunikáció

en: isochronous communication

Az izoszinkon kommunikáció az adatok (ciklus)idő szenzitív átvitelét jelenti, és leginkább a hang- és képátvitelnél alkalmazzák. Ennek a teljesítéséhez a hálózati átvitelt úgy kell tervezni és méretezni, hogy ez az adatmennyiség pontos időzítéssel, ciklikusan és akadálymentesen át tudjon menni. Erre az adatátvitelre példa a TV és video-jelek átvitele,  melyek valamely ütemezéshez vannak kötve, például a 30 frame per second. Ez az átvitel nem lehet 29 vagy 31 fps, mert a megjelenítéshez 30 fps szükséges.

isochronous communication

Az izoszinkron kommunikációra egy példa a Profinet IO IRT.

kódolási eljárások

en: encoding processes

 

Kódolási eljárások összevetése

megnevezés jelforma (példa a "forrás" sor alapján) alkalmazási példa
órajel
forrás  
NRZ - unipolar NRZ - unipolar  
NRZ - bipolar NRZ - bipolar RS-232, CAN
AMI (NRZ) AMI (NRZ)  
NRZI mode 1 NRZI mode 1  
NRZI mode 0 NRZI mode 0 100BASE-FX
forrás  
RZ - unipolarRZ - unipolar  
RZ - bipolar RZ - bipolar ARINC-429
forrás  
Manchester Manchester 10BASE-2 , 10BASE-5 , 10BASE-T, MVB
Manchester II Manchester II Ethernet
Manchester II - APM Manchester II - APM AS-i
forrás  
MLT-3 MLT-3 100BASE-TX
CMI CMI  

4B5B

Ez egy kvázi tömörítési eljárás, mely átvitel-kódolás esetén más, kódolási eljárásokat vesz igénybe. Üvegszálas 4B5B esetén jellemzően az NRZI kerül bevetésre, míg FDDI és 100BASE-TX (rézvezetékes változat) esetén az MLT-3-at alkalmazzák.

Az 5 órajelből álló csoportokban kétféle szimbólum használható, így összesen 32 kombinációhoz jutunk. Ezek közül 16-ot használnak a 0000, 0001, 0010, …, 1111 négyes csoportok átvitelére. A fennmaradó 16 kombináció közül néhány vezérlési funkciót lát el, például a kerethatár kijelölését. A felhasznált kombinációk kiválasztásánál elsődleges szempont volt, hogy a szinkronizáláshoz sok jelátmenet legyen bennük.

A tábázat, bővebb magyarázattal például itt található.

AMI

en: Alternate Mark Inversion

AMI esetén viszonylag egyszerű a szabály:

  • 0 esetén : 0
  • 1 esetén egyszer 1, másszor -1 a kimenő jel.

Az AMI-t jellemzően NRZ alapon szokták alkalmazni.

Lásd az AMI (NRZ)-t az összehasonlító táblázatban.

APM

en: Alternierende Puls Modulation

Ez simán csak egy jelátviteli eljárás, és nem kódolási, de érintőlegesen (és leginkább) ebbe a fejezetbe tartozik. Gyakorlatilag azt jelenti, hogy két, egymást követő impulzust eltérő polaritással kell kiadni, hasonlóan, mint az AMI esetén. Olyan buszok (pl. AS-i) alkalmazzák, melyek a jelvezetéken (is) végeznek tápellátást. Jellemzően Manchester vagy Manchester-II kódolással szokták kiegészíteni, hogy tényleg rendesen "pulzáljon".

 

Alternierende Puls Modulation

CMI

en: Coded Mark Inversion

Nulla érték esetén a kódolás [01]-et ad eredményül, 1-es érték esetén pedig egyszerűen csak értékváltást hajt végre, mint az a fenti ábrán látható.

Manchester kódolás

en: Manchester-code, de:Manchester-Kodierung

Ez egy speciális adatátviteli technika, ami magasabb átviteli biztonságot nyújt az átviteli sebesség kárára. A kódolás lényege, hogy minden bitet állapotváltással jelöl, így a 0-ból 01, az 1-ből 10 lesz.

Így ebből a byte-ból:

0.0.0.1.0.1.1.0

ez lesz (2 byte):

01.01.01.10.01.10.10.01

A hibákat ezzel a kódolással egyszerű szűrni, mert az a blokk, amiben két azonos jel követi egymást, hibás. Ezt a kódolástechnikát szokás PE (Phase Encode) rövidítéssel is jelölni.

Lásd az összehasonlító táblázatban.

Alkalmazási példák

MVB

Mancester-II kódolás

en: Manchester II code, de:Differenzial Manchester-Kodierung

Néha Manchester-II néven hivatkoznak rá.

Gyakorlatilag technikailag megegyezik a Manchester-rel, tehát ez is pont kétszer annyi jelet visz át, mint például az NRZI, mert minden bitet kettővel helyettesít.

Eltérés, hogy csak "1" érték esetén váltja a triggerelés irányát, "0" esetén helyben hagyja azt.

A lenti táblázatban összevetést készítettem a Manchester-re, és a differenciál Mancester-re:

eredeti 0 0 1 0 1 1 0 0
Manchester 01 01 10 01 10 10 01 01
Man-II 01 01 10 10 01 10 10 10

A Differenciál-Manchesternél ()-lel jelöltem a váltásokat, amik ugye 1-es érték esetén következnek be.

Sok esetben - áramátviteles buszok esetén - kombinálják a Manchester II-t az APM-mel, például az AS-i esetében.

Lásd az összehasonlító táblázatban.

Alkalmazási példák

Ethernet, AS-i

MLT-3

A kódolási szabály:

A kódoló egy négy állapotú ciklikus működésű automata. Az automata állapotaihoz rendre a vonali jel következő értékeit rendeljük: -1,0,1,0. Az automata 1-es továbbításakor a következő állapotba lép, 0 továbbításakor állapota nem változik.
A kódolás sávszűkítő, az "alapfrekvencia" a bitidő negyede lesz.

Lásd az összehasonlító táblázatban.

Alkalmazási példák

100BASE-TX

NRZ : nullára komplementáló kódolás

en: No Return to Zero

Az NRZ a mezei, minden trükk nélküli kódolástechnika. "1" érték esetén 1, "0" érték esetén 0 kerül a kimenetére. Két változata van:

  • unipolar NRZ: két jelszint lehetséges, így "0" értéknek a 0, "1' értéknek az 1 felel meg.
  • bipolar NRZ: három jelszint van (+,0,-), így a "0"-nak a "-", az egynek pedig a "+" felel meg.

Lásd az összehasonlító táblázatban.

Alkalmazási példák

bipolar NRZ: RS-232

NRZI : nullára komplementáló differenciális kódolás

en: Non Return to Zero Invert, de: NRZI-Kodierung

Az NRZI kódolás szerint csak az egyik érték változása esetén történik váltás a kimeneten. Az eljárásnak két változata van, a mode 1 és a mode 0.

  • mode 1 esetén "1" érték esetén a kimenő jel polaritást vált, míg "0" esetén nem történik értékváltás.
  • mode 0 esetén értelemszerűen ez fordítva történik, így "0" érték esetén polaritásváltás, "1" esetén változatlanul hagyás.
eredeti 0 0 1 0 1 1 0 0
NRZI mode 1 0 0 1 1 0 1 1 1
NRZI mode 0 0 1 1 0 0 0 1 0

A kódolásban ()-lel jelöltem a váltásokat.

Lásd még az összehasonlító táblázatban.

Alkalmazási példák

USB

PE

en: phase encode

lásd: Manchester kódolás

 

RZ

en: Return to Zero

ARINC-429 RZ kódolás (forrás: Wikipedia)

Mint ahogy azt a neve is mutatja, a kódolás szerint minden átvitt jel után a jelszint visszatér a nullára. Maga a kódolás egyszerű, "1" érték esetén 1, "0" érték esetén 0 kerül a kimenetére. A kódolásnak két változata van:

  • unipolar: a jelszint 1 és 0 lehet, így a "0" érték esetén a jelszint statív 0, míg "1" esetén 1 órajel hosszan 1, majd egy órajel hosszan visszatér 0-ra.
  • bipolar: a jelszint +, 0, - lehet, így "1" érték esetén +0, "0" esetén -0 lesz a kódforma, két órajel hosszan.

Az RZ-vel - mivel bitenként van impulzusváltás - a Start és Stop bites szinkronizáció elhagyható, mert a szinkronizálás bitenként megvalósítható.

Lásd az összehasonlító táblázatban.

Alkalmazási példák

ARINC-429


Modulációk

PWM (moduláció)

en: pulse-width modulation, de: Pulsweitenmodulation / Pulsdauermodulation (PDM), hu: impulzus-szélesség moduláció

 

PCM (moduláció)

en: pulse-code modulation, de: Puls-Code-Modulation, hu: Impulzus-kód moduláció

 

 

forgalmazási fajták

de: Verkehrslenkung, en: routing

Például half-duplex adatátvitel esetén a token felett rendelkező állomás joga a forgalmazás. Ehhez a lent felsorolt forgalmazási fajtákat veheti igénybe. Jellemzően a forgalmazás módját és annak mikéntjét az adatkapcsolati réteg határozza meg.

Az üzenet továbbítása csak egy kijelölt állomás felé történik meg.

Jellemzően ezt a műveletet nem szokás az "unicast" névvel illetni, mivel ez az alapértelmezett forgalmazási fajta.

 

unicast
multicast

A multicast üzenetek egyszerre több, kijelölt állomás felé kerülnek egyidejűleg továbbításra.

Ehhez a művelethez jellemzően csoportokat kell definiálni, és ilyenkor egy csoportot kell megnevezni célként.

 

multicast
broadcast

A broadcast válogatás nélkül, minden, a hálózaton elérhető állomásnak egyidejűleg továbbítja az adott adatcsomagot. Ezt a forgalmazási fajtát szokás multi-drop névvel is illetni.

 

broadcast

További forgalmazási fajták

p2p

Közvetlen kapcsolat két állomás között. A kapcsolat lehet full-duplex, ilyenkor nincs közeghozzáférési eljárás, hiszen a két állomás mindegyikének saját csatorna áll a rendelkezésére. A p2p egyik legjellemzőbb kommunikációs formája az RS-232.

Összetettebb esetben a hálózat kiterjedtebb, de két állomás - az adott idő-intervallumban - csak egymás között forgalmaz (pl. polling közeg-hozzáférés esetén).

Half-duplex esetén jellemzően a CSMA/CD eljárást használják a felek a közeghozzáféréshez.

p2p
multipoint Multipoint az a hálózat (pl. RS-485), ahol a résztvevő egységek száma rögzített, de az azok által betöltött (master-slave) funkcionlitás nem. A résztvevő egységek egymással kommnikálhatnak. multipoint

Szótár

DP : decentralizált periféria

de: Dezentrale Peripherie, en: decentralized periphery

DP jellemzően az a slave állomás, ami egy master állomás alá van rendelve, és onnan kap parancsokat és oda továbbítja a jelzéseket, méréseket. Ez általában egy terepi busszal (pl. Profibus DP) kerül megvalósításra, melynek fő célja, hogy a terepi szenzorokat és aktorokat a DP-n kersztül a PLC-hez kösse. A Simatic környezetben a DP alatt legtöbbször kisebb PLC-ket vagy ET modulokat értünk.

EMC: elektromágneses összeférhetőség

en: electromagnetic compatibility, de:Elektromagnetische Verträglichkeit

EMC: elektromágneses összeférhetőség

Az elektromágneses összeférhetőség lényege, hogy a berendezések (rendszerek, eszközök, műszerek, stb.) ne bocsássanak ki elfogadhatatlan mértékű elektromágneses zavarokat, illetve a környezeti elektromágneses sugárzások ne okozzanak a működésükben zavarokat (immunitás). Az EMC vizsgálatot és minősítést külső intézetek végezhetik (pl. TÜV), és a gyártó csak a kiállított tanúsítvány alapján tüntetheti fel a termékén a CE jelölést.

 

host

A Host kifejezés egy olyan végfelhasználói számítógépet vagy állomást jelöl, amely a hálózathoz csatlakozik, és egyedi címmel rendelkezik.

 

master - slave

master - slave kapcsolatA master - slave kapcsolat a hálózati állomások alá - fölé rendeltségi viszonyát határozza meg. Jellemzően egy PLC-s hálózaton a PLC-k egy kvázi gyűrűn kommunikálnak egymással. Ezek az eszközök általában egyenrangú partnerek, master-ek. Ezek alá vannak rendelve a slave egységek. Ezek lehetnek ugyanarra a buszra kötve mint a master-ek, de jellemzően inkább a PLC-ből külön - a felső szintűtől független; DP - kommunikációs vonal köti ezeket a master-hez. Jellemzően minden slave csak egy master-hez van rendelve, de az adott slave kimeneteit mindenképpen csak egy master írhatja. A master-ek egymás között jellemzően token-es kommunikációt folytatnak, míg a slave-ek csak csak a master általi megszólításra válaszolhatnak.

mono-master

Azok a hálózatok, amik csak egy master állomás működését teszik lehetővé.

multi-master

Olyan hálózatot szokás ezzel a szóval, amire egyidejűleg egymél több master állomás csatlakozik.

oktett

Főleg kommunikációban szokás használni a 8 bitet magukba foglaló adatblokkokra. Szinonímája a byte.

segment: szegmens

de: Segment, en: segment

Jellemzően a hálózatnak az a része, ami közvetlenül egy vezetékkel elérhető. Vonali erősítők, hubok, repeater-ek, router-ek, switch-ek és állomások határolják a hálózaton belül a szegmenseket.

terepi busz

de: Feldbus, en: field bus

A master - slave kapcsolatok kiszolgálására kifejlesztett, kis mennyiségű információ rövid ciklusokban való továbbítására optimalizált busz. Simatic környezetben jellemzően Profibus DP-vel, vagy AS-I-val kerül megvalósításra, a slave-ek szerepét pedig leggyakrabban ET modulok töltik be.

telegrammok jellemző elemei

 

Protokollok fajtái

Datagram-orientált kommunikációs protokoll

Olyan kommunikációs protokoll, amely nem fedi el teljesen a hálózat sajátosságait. Így az esetlegesen hibásan megérkező csomagokat a cél-alkalmazásnak kell felismernie, illetve neki kell lekezelnie pl. azt a helyzetet is, ha egy csomag kétszer érkezik meg, vagy éppenséggel elveszik a hálózatban, illetve, ha az egymás után küldött csomagok sorrendje megváltozik.

Fizikai rétegek ismertetése

megnevezés
Jellemző
topológia
Állomások száma Átviteli közeg Maximális átviteli távolság Maximális
átviteli
sebesség
RS-232 p2p topológia 1 meghajtó
1 vevő
nem specifikus 15 m 115.200  baud
(max. 2 m)
RS-422 p2p topológia
1 meghajtó
10 vevő
nem specifikus 1200 m 115.200  baud
(max. 1000 m)
RS-485 lánc topológia
32 állomás szegmensenként repeaterek
nélkül, max. 127 állomás
repeaterek-kel
sodrott, árnyékolt kéteres vezeték 1200 m 12 Mbit/sec
(max. 100 m)
MBP lánc topológiafa topológia 32 állomás szegmensenként**, összesen maximum 126 állomás hálózatonként. sodrott, árnyékolt kéteres vezeték 1900 m 31,25 KBit/s
Ethernet   232 (IPv4)
2128 (IPv6)
UTP, FTP - -

 

megnevezés
Jellemző
topológia
Állomások száma Átviteli közeg Maximális átviteli távolság Maximális
átviteli
sebesség
Optikai szál p2p topológia 1 meghajtó
1 vevő
műanyag (POF)
80 m protokoll-
függő
PCF / HCS 800 m
Multimódusú üvegszál 10 km
egymódusú üvegszál 15 km

 

Bővebb információt a fenti buszokról az alábbi linkek alatt találhat:

RS-232, RS-422, RS-485.


felhasznált források

Hálózatok előadás vázlat
http://alpha.tmit.bme.hu/meresek/4-17.htm

 

license

Creative Commons License
Erre a dokumentumra a Creative Commons-Lizenz 3.0 szabályai érvényesek.
A dokumentum továbbfelhasználása engedélyhez kötött. Részleteiben is csak forrásmegjelöléssel
(pl: forrás:wwww.ob121.com) használható.
Engedélykérés, további információ: mail kukac ob121.com