Технические характеристики и анализ производительности Industrial Ethernet

Технические характеристики и анализ производительности Industrial Ethernet
1. Введение в Indusrtial Ethernet
В 1980 г. группа компаний (Xerox, Intel и Digital Equipment) выпустила Ethernet версии 1.0. После ряда
улучшений версия 2.0 была принята почти без изменений в 1983 как IEEE 802.3 стандарт. В настоящее
время, Industrial Ethernet это бесспорный стандарт Ethernet сетей в промышленности, например, в
автомобильной и индустрии процессов. Создание Fast Ethernet началось в июне 1993 , когда более 50
производителей сформировали Fast Ethernet альянс, с целью создания спецификации для 100 Мбитного
Ethernet. Эта группа включала в себя производителей таких важных сетевых компонентов как адаптеры,
хабы, повторители, переключатели, маршрутизаторы и т.д. Цель была в как можно более быстром создании
нового стандарта одинаковом для многих производителей. В июне 1995 Fast Ethernet стандарт IEEE 802.3u
(100BaseT) был сформирован. Fast Ethernet предоставляет возможность пошагового внедрения 100
Мбайтной технологии. Пользователю не надо менять всю сеть сразу. Это одна из основных причин
популярности Fast Ethernet сейчас и в будущем.
При использовании очень простой физики, данные сети отличаются простой, надежностью и дешевизной.
Надежность сети можно увеличить в несколько раз, с соответственным увеличением стоимости. Их
особенностью является постоянная скорость передачи – 10 Мбит/сек или 100 Мбит/сек (Fast Ethernet) и
использование средств соединения, характерных не только для промышленной сферы. Существует
несколько типов сетей Industrial Ehternet в зависимости от физики, на которой они построены. В первую
очередь разделяют оптоволоконные и электрические сети. Электрические сети бывают на основе
триаксильного кабеля (не для Fast Ethernet) и на основе промышленной экранированной (необязательно)
витой пары. Любой из типов может использоваться с другими. У каждого из типов есть своя область
применения. Окончательная модель сети на основе Industrial Ehternet для конкретного примера может
быть довольно сложной, см рис. 1
Рис.1 Пример сети на основе Industrial Ethernet
Основным общим элементом сетевой топологии Industrial Ethernet является центральная магистраль. Она
может иметь разную структуру: линия (не для Fast Ethernet), кольцо, звезда или комбинировать данные
типы. Для прокладки центральной магистрали обычно используется оптоволоконный кабель, толстый
Ethernet кабель или витая пара. Для Industrial Ethernet ограничение на их длину довольно жесткие.
2. Использование Indusrtial Ethernet
Европейский стандарт EN 50173 описывает кабельные стандарты для информационных целей, он
производит зональную градацию для приложений использующих разные типы сетей. В соответствии с ним
Industrial Ethernet используется на офисном или уровне менеджмента (Tertiary Area). В дополнение к
классическим применениям, таким как управление процессами, Industrial Ethernet широко используется в
ряде новых приложений (работа с видео, например). С помощью TCP/IP протокола автоматизационные сети
могут быть присоединены к сетям более высоких уровней без использования шлюзов (gateways). Для
соединения используются стандартные маршрутизаторы. В дальнейшем планируется разработка новых
проектов в секторе информационных технологий (IT) в автоматизации, для которого Industrial Ethernet
представляет идеальный базис. Возможно также использование мультимедийных приложений на базе 100
мбитного Industrial Ethernet.
3. Совместимость с другими сетями
Industrial Ethernet совместима с другими стандартами промышленных сетей, такими как Profibus и ASI.
Примером совместимости может служить сетевая архитектура Simatic NET, предлагаемая фирмой Siemens
(см. рис. 2). Устройства, реализованные в ней предлагают возможность гибкого перехода с одного
автоматизационного уровня на другой.
рис. 2 Сетевая архитектура на базе Simatic NET
4. Описание Indusrtial Ethernet
4.1 Сравнение Ethernet и Fast Ethernet
Одна из основных причин широкого применения Fast Ethernet во всем мире это большая схожесть ее с
Ethernet. Стандарт Fast Ethernet основывается в основном на классическом стандарте Ethernet для витой
пары (10BaseT) с фактором передачи выросшим с 10 до 100 Мбит/сек. Преимущества для пользователя
очевидны, так как продолжает использоваться уже существующая технология.
Общие факторы для Ethernet и Fast Ethernet сетей следующие:
· Формат данных
Кратчайший
Самый
Длина адресного поля: 48 байт
пакет:
длинный:
· Техника доступа: CSMA/CD
· Одинаковый кабель (за исключением коаксильного)
64
1518
байт
байт
·Использование повторителей
Разница между сетями заключается в возросшей скорости Fast Ethernet, а как причина этого в следующем.
· Общий объем сетей Fast Ethernet существенно меньше, чем у Ethernet сетей:
Для обеспечения правильности работы техники обнаружения коллизий CSMA/CD время доставки пакета
данных от одного узла к другому было ограничено. Именно ограничение этого времени, зависящего от
скорости передачи данных, привело к уменьшению общего объема сети. Если для Ethernet это 4520 м, то
для Fast Ethernet это - 412 м. Максимальный размер Fast Ethernet сети при использовании витой пары 205 метров. При использовании оптоволоконного кабеля - 320 метра. Для сравнения, простая 10BaseT сеть
может быть длиной до 500 метров.
· Нет Fast Ethernet стандпрта для коаксильного кабеля:
Для Fast Ethernet стандарты следующие:
100BaseT4 с 4 витыми парами для кабеля 3, 4, 5 категорий
100BaseTX с 2 витыми парами для кабеля 5 категории
100BaseFX для оптоволоконного кабеля 62.5/125 мм (2 волокна)
Ethernet же может быть на основе витой пары (10BaseT), оптоволокна (10BaseFL) и коаксильного кабеля
(10Base5, 10Base2).
· Правила построения Fast
конфигкурирования:
Ethernet
сетей существенно отличаются от
Ethernet
правил
Так, например, Fast Ethernet может содержать максимум 2 повторителя (У Ethernet – не больше 2
повторителей между узлами).
4.2 Сети на основе промышленной витой пары.
Это 10BASE-T (или 100BASE-T с более высокой скоростью передачи – до 100 Мбит/сек) сети с
использованием техники доступа CSMA/CD. Передача происходит по 100 Ом витой паре. Для
присоединения терминальных устройств используется RJ-45 соединитель или более грубый Sub D.
Основная магистраль, которая строится на основе так называемого установочного кабеля присоединяется
либо к звездообразному разветвителю, либо телекоммуникационным выходам либо к patch панели. Patch
панель служит для гибкого соединения с помощью patch кабеля - установочного кабеля и звездообразного
разветвителя. К телекоммуникационным выходам присоединяются с помощью attach кабеля терминальные
устройства (иногда через трансивер).
Промышленная витая пара (10BASE-T) основывается на IEEE 802.3i стандарте для витой пары (10BASET). Физикой передачи является двухжильный S/STP кабель (экранированная/изолированная витая пара) с
сопротивлением 100 ом. Коннекторы для нее, это всегда соединения конец-к-концу между двумя
электрически активными компонентами. Это означает наличие постоянной прямой связи между одним из
DTE и портом некого сетевого компонента. Сетевой компонент ответственен за повторение получаемых
сигналов и распределение полученных данных между портами вывода. Максимальная длина соединения
между станцией и сетевым компонентом (называемого сетевым сегментом) не должна превышать 100 м. для
промышленных сетей на основе витой пары
IEEE 802.3u (100BASE-TX) спецификация определяет передачу в 100 Мбит по кабелю с витой парой
категории 5 с двумя парами. Это означает, что кабельная система для промышленных сетей с витой парой
может использоваться для Fast Ethernet без каких либо ограничений. Объем сети ограничен 412 м для
100BASE-TX.
4.3 Сети с использованием триаксильного кабеля.
Структура сети схожа со строением сети на основе витой пары, отличие заключается в том, что
подключение к магистральной линии происходит с использованием тонкого триаксильного кабеля. Вместо
телекоммуникационных выходов используются трансиверы, к которым могут присоединяться на прямую
или через специальные разветвители терминальные устройства. Для присоединения терминальных
устройств используется AUI/IT интерфейс
4.4 Сети на основе оптоволоконного кабеля
Оптоволоконная версия Industrial Ethernet основывается на стандарте IEEE 802.3 (10BASE-FL, 10 Мбит).
Средством передачи является оптоволоконный кабель со стеклянными волокнами типа 62.5/125 m м.
Оптоволоконная связь это всегда связь конец к концу между двумя электрически активными компонентами.
Это означает наличие прямой связи между сетевым устройством и портом другого сетевого устройства.
Сетевое устройство ответственно за повторение получаемых сигналов и разбиение их на выходные данные
во все порты вывода. Так в оптической сети SIMATIC NET Industrial Ethernet эти задания выполняются
OLM и звездообразным распределителем ASGE.
Спецификация IEEE 802.3u (100BASE-FX) определяет 100 Мбитную передачу по двум стеклянным
оптоволоконным кабелям 62.5/125 m м. В Industrial Ethernet используются BFOC коннекторы, как и для
10BASE-FL стандарта. Как уже было сказано, протокол CSMA/CD накладывает ограничения по длине сети
в 412 м. Хотя оптоволоконная технология приспособлена для использования на более больших расстояниях.
Высокоскоростная способность передачи оптоволоконного соединения используется в полной мере только в
технологии переключений. Дублированная кольцевая структура на основе OSM и ORM. С Industrial
Ethernet ORM (менеджер оптического дублирования), шинная структура из OSM может быть выстроена на
основе дублированного оптического кольца , подключением ORM к обоим концам 100 Мбитной шины. При
времени переконфигурации в 0.3 сек, можно управлять в оптическом кольце до 50 OSM и 1 ORM, с общей
длиной кабеля до 150 км. Максимальное расстояние между двумя OSM или одним OSM и ORM - 3000 м.
4.5 Протоколы Indusrtial Ethernet и способы передачи.
Техника доступа CSMA/CD.
Industrial Ethernet использует технику множественного доступа к шине с прослушиванием несущей и
исправлением коллизий. Пересылка данных происходит кадрами.
Техника пересылки такая:



устройство, которое хочет переслать информацию, определяет, есть ли передача данных, если есть,
то оно ждет окончания передачи;
после окончания передачи оно посылает данные, каждый кадр данных содержит адрес устройства –
получателя;
если после освобождения шины, данные по ней пытаются одновременно послать два устройства, то
возникает коллизия. С помощью специального механизма устройства определяют ее и повторяют
попытку передачи через произвольный промежуток времени, выбранный из определенного
интервала. Если повторная попытка также заканчивается коллизией, то временной интервал
удваивается;
Подобная техника доступа основывается на том, что все устройства в сети имеют равные приоритеты и,
следовательно, равные права доступа к шине. Она накладывает серьезные ограничения на длину сети (см.
главы 4.2.1 и 4.2.2).
Прослушивание
Распознавание
линии,
если
она
свободна,
адреса
то
пересылка
данных:
станциями
Обнаружение
Ожидание
коллизий
повторной
передачи
Данные в Industrial Ethernet, при пересылки из одного приложения в другое проходят через стек
протоколов см. рис 2 Переход с одного уровня на другой происходит через специальные точки доступа
(SAP- точки доступа к службе).
рис 2. Стек протоколов Industrial Ethernet
К исходному пакету данных, исходящему из приложения, при прохождении через сетевые уровни, службы
этих уровней добавляют специальную информацию, необходимую для задания места доставки исходного
пакета и правильности его доставки. При прохождении по сетевому кабелю на физическом уровне пакет
данных принимает следующую форму, см. рис 3.
Данные, добавляемые службой называются заголовком этой службы данных. Ниже приводится пример
заголовка в кадре данных MAC протокола (MAC и LLC – два протокола уровня данных в ISO модели).
рис 4 Формат кадра данных MAC.
В данном заголовке указывается адрес получателя сообщения, адрес источника, поле длины (в нем
содержится количество байт пользовательской информации в кадре данных), поле типа (идентифицирует
старший байт протокола)
Дупплексная / полудуплексная связь
Дуплекс (FDX) и полудуплекс (HDX) это сетевые режимы. В полудуплексном режиме узлы получают и
принимают данные поочередно, в свою очередь в дуплексном режиме узлы могут получать и принимать
данные в одно и то же время. При использовании FDX, метод обнаружения коллизий для участников сети
автоматически отключается. Эти два термина берут свое начало из последовательной передачи данных. Они
описывают то как происходит обмен данными при соединении точка-к-точке. Дуплекс это не сетевая
топология, это метод обмена данными между двумя узлами при соединение точка-к-точке в Ethernet и Fast
Ethernet. Нет необходимости использовать дуплексную связь во все сети. Чаще всего дуплексная связь
используется
только
между
отдельными
узлами,
например,
между
сервером
и
повторителем/переключателем или между переключателями. Для FDX необходимо использовать кабель с
отдельными каналами для приема и передачи. Используемые сетевые узлы должны поддерживать
дуплексную связь. Для этого подходят оптоволоконные кабели и ITP. При использовании витой пары, одна
пара используется для приема, другая – для передачи. При использовании полудуплексного режима,
получатель и передатчик используют один и тот же канал (витую пару). Сетевое устройство при этом может
либо посылать либо получать данные. Сетевые партнеры используют кабель для поочередной передачи.
Классический коаксильный кабель это типичный пример использования полудуплексного режима. Если с
классическим Ethernet существуют разные решения для дуплексной связи (FDX), Fast Ethernet стандарт
определяет дуплекс однозначно. Дуплексный режим невозможен с 100BaseT4, в этом случае все витые пары
используются для односторонней передачи данных. Для коаксильного кабеля нет дуплексной спецификации
для Ethernet или Fast Ethernet.
5. Анализ производительности Ethernet
Основная причина развития Ethernet и появление большого числа пользователей использующих его в
локальных и сетях небольшого объема (порядка 500 м) (см. рис. 5) - это большие скорости передачи.
Однако, не часто пользователи ставят перед собой вопрос о производительности сети, большинство людей
удовлетворяют стандартные цифры, такие, например, как скорость передачи данных для Ethernet -10 или
100 Мбит/сек. Не принимается во внимание тот факт, что объем "полезной" передаваемой информации
может быть относительно невелик и, что соотношение цена производительность будет выше для более
простых сетей. В предыдущих параграфах было сказано, что кратчайший пакет данных для Ethernet - 64
байт, самый длинный - 1518 байт, а длина адресного поля - 48 байт. Таким образом если Lp – длина пакета и
La – длина адресного поля, то процентное соотношения (Lt=Lp/Lp+La) между передаваемыми
"полезными" данными (Lp) и общим из количеством (Lp+La) будет колебаться между 57% и 99%. При
этом не принимается во внимание возможность ошибочной передачи данных и коллизий. Если данные были
отосланы лишь при повторной пересылке, то Lt={28%;54%}. При объеме сети близком к предельному
количество ошибок и коллизий возрастает, следовательно производительность падает, также видно, что если
передваемые пакеты данных имеют небольшой объем, то она тоже будет относительно невысокой. Переход
с Ethernet на Fast Ethernet улучшает ситуацию, но не дает улучшения работы системы в 10 раз (при переходе
с 10 на 100 Мбитный канал), так как, например, общий макcимальный объем сети резко сокращается, Fast
Ethernet обычно используется на каком то отдельном участке. Если говорить о временной сетевой загрузке
(F(t)= S/Smax, где S – поток данных), то Fast Ethernet может вообще не иметь смысла по сравнению с
классическим Ethernet.
6. Список сокращений и обозначений
DTE – терминальные устройства
OLM – оптические соединительные модули
ELM – электрические соединительные модули
SSV – распределительное устройство
drop - кабель
AUI - интерфейс элементов привязки
MAU - среда элемента привязки
MDI - средо-зависимый интерфейс
PMA - физическая привязка к среде
ORM - менеджер оптического дублирования
OSM – оптический модуль переключения
7. Список использованных источников
Интернет сайты:
www.ieee.com
www.siemens.ru
Книги:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Karl Glas, "Industrial Ethernet Takes Of -Switching and 100 Mbps in Industrial Communication"
"Industrial Twisted Pair Networks", Siemens AG
"Triaxil Networks", Siemens AG
RFC 1369
RFC 895
IEEE 802