Передача информации по каналам связи

Физическое соединение через общую шину может соответствовать логическому соединению «в звезду» в том случае, когда один из участников обмена по общей шине является ведущим (master), т.е. определяющим порядок доступа к ней, порядок «захвата» шины. С другой стороны, если доступ к шине определяется передачей маркера устройству, которое путем предварительного распределения шинных ресурсов признано достойным играть роль ведущего в текущем цикле обмена информацией, то имеет место логическое соединение участников обмена информацией «в кольцо».

Наиболее распространенным, стандартным методом распределения шинных ресурсов является метод коллективного доступа с наблюдением за несущей и обнаружением коллизий, имеющий обозначение CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Этим методом организует доступ к шинным ресурсам наиболее популярная сетевая технология Ethernet. Согласно этому методу, любое устройство из подключенных к общей шине может начать передачу данных, если в течение условленного промежутка времени не начало работу никакое другое устройство. О том, что шина свободна, свидетельствует отсутствие на ней напряжения несущей частоты. При появлении несущей частоты все устройства, подключенные к общей шине, осуществляют прием начавшейся передачи. Пока устройство, начавшее передачу, не закончит ее, остальные устройства, подключенные к общей шине, не могут войти в режим передачи.

Время передачи не может превышать заданного предела, чтобы не было чрезмерной задержки передачи данных для всех устройств, претендующих на режим передачи. Если случайным образом окажется, что одновременно начали передачу сразу два устройства, то такой режим является ненормальным и называется коллизией. Коллизия обнаруживается по повышенному напряжению несущей. В случае коллизии все устройства, начавшие передачу, прекращают ее на некоторое время. Выдержка времени после коллизии выбирается для каждого устройства разной с помощью генератора случайных величин. Благодаря этому по окончании выдержки времени коллизия между устройствами, ранее бывшими в состоянии коллизии, вновь не возникает.

Метод CSMA/CD не гарантирует доступа к общей шине при большой загруженности информационной сети из-за большого количества коллизий, но он предоставляет возможность быстрого доступа при малой загруженности сети. Метод с передачей маркера, напротив, гарантирует каждому узлу доступ к общей шине, но лишь при наступлении очереди на передачу информации после обхода кольца. Поэтому сетевые технологии с применением метода CSMA/CD более эффективны при малой загрузке сети (менее 30%), а при большой загрузке сети целесообразно использовать системы с передачей маркера.

Технология обмена информацией в АСУ ТП имеет стандартизированную трехуровневую структуру, построенную в соответствии со стандартной семиуровневой моделью OSI (Open Systems Interconnection) взаимодействий открытых систем, предложенной Международной организацией стандартизации (ISO). Обычно информационные сети АСУ ТП поддерживают 1, 2 и 7-й уровни модели OSI, т.е. физический, канальный и прикладной уровни.

На физическом уровне (Physical Layer) информация передается побитно. Биты информации предаются последовательно, один за другим по конкретным физическим каналам связи (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель и др.). При этом определяются характеристики сигналов, тип кодирования битовых последовательностей, параметры сред передачи данных, стандартизируются разъемы и назначение контактов.

На канальном уровне (Data Link Layer) биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректную передачу кадра путем добавления специальных битов, обеспечивающих опознавание кадра и контроль правильности его передачи. Обмен информацией на канальном уровне зависит от принятой сетевой топологии: Modbus, Profibus, Ethernet, Token ring, FDDI (оптоволоконная технология) и др.

На прикладном уровне (Application Layer) обеспечивается связь прикладной программы управления техпроцессом с управляемыми исполнительными устройствами через лежащие ниже уровни обмена информацией.

Описание взаимодействия одноименных уровней обмена информацией, находящихся в разных узлах, принято называть протоколом. Интерфейсом при построении системы обмена информацией в соответствии с моделью ISO называют стандарт взаимодействия между соседними уровнями обработки информации в одном узле. Соответственно стандарт обмена информацией между канальным и физическим уровнями OSI называют физическим интерфейсом.