Многоадресные последовательные каналы связи.

Данные каналы используются в основном для образования единой информационной среды в сложных многоуровневых и многоабонентских системах управления.

Различают 7 уровней реализации многоадресных последовательных каналов:

1- физический: тип кодирования сигналов в линиях связи,

2- канальный: формирование пакетов, сигнализация об ошибках и т.д.,

3- сетевой: IP – интернет – протокол,

4- транспортный: TCP,

5- сеансовый,

6- уровень представления,

7- прикладной.

Различные каналы могут иметь разный набор уровней реализации, равно как и число этих уровней. То есть некоторые уровни могут отсутствовать, естественно, кроме физического..

Наиболее распространенными каналами связи в таких системах являются: Ethernet, I2C, CAN< и некоторые другие каналы. Рассмотрим некоторые из них. Наиболее распространенным является канал Ethernet.Ethernet совместно со своими скоростными версиями Fast Ethernet (FE), Giga Ethernet (GE) и 10GE занимает в настоящее время абсолютно лидирующее положение. Единственным недостатком данной сети является отсутствие гарантии времени доступа к среде (и механизмов, обеспечивающих приоритетное обслуживание), что делает сеть малоперспективной для решения технологических задач реального времени. Определенные проблемы иногда создает ограничение на максимальное поле данных, равное ~1500 байт. Первоначально в качестве среды передачи данных использовался толстый коаксиальный кабель (Z=50 Ом), а подключение к нему выполнялось через специальные устройства (трансиверы). Позднее сети начали строиться на основе тонкого коаксиального кабеля. Но и такое решение было достаточно дорогим. Разработка дешевых широкополосных скрученных пар и соответствующих разъемов открыла перед Ethernet широкие перспективы. Те, кому приходилось работать с коаксиальными кабелями Ethernet, знают, при подсоединении или отсоединении разъема можно получить болезненные удары тока. Для скрученных пар это исключено. Но и эта технология не вечна, скрученные пары мало-помалу уступают свои позиции оптоволоконным кабелям.

Рис. 23. Формат кадра в канале Ethernet.

Поле преамбула содержит 7 байт 0хАА и служит для стабилизации и синхронизации среды (чередующиеся сигналы CD1 и CD0 при завершающем CD0), далее следует поле SFD (start frame delimiter = 0xab), которое предназначено для выявления начала кадра. Поле EFD (end frame delimiter) задает конец кадра. Поле контрольной суммы (CRC - cyclic redundancy check), также как и преамбула, SFD и EFD, формируются и контролируются на аппаратном уровне. В некоторых модификациях протокола поле efd не используется. Пользователю доступны поля, начиная с адреса получателя и кончая полем информация, включительно. После crc следует межпакетная пауза (IPG - interpacket gap - межпакетный интервал) длиной 9,6 мксек или более. Максимальный размер кадра равен 1518 байт (сюда не включены поля преамбулы, SFD и EFD). Интерфейс просматривает все пакеты, следующие по кабельному сегменту, к которому он подключен, ведь определить, корректен ли принятый пакет и кому он адресован, можно лишь приняв его целиком. Корректность пакета по CRC, по длине и кратности целому числу байт производится после проверки адреса места назначения. Вероятность ошибки передачи при наличии crc контроля составляет ~2-32. При вычислении CRC используется образующий полином:

G(x) = x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1.

Алгоритм вычисления CRC сводится к вычислению остатка от деления кода M(x), характеризующего кадр, на образующий полином G(x) (Carrier Sense Multiple Access with

Через AUI данные передаются с использованием манчестерского кода. Манчестерский код объединяет в бит-сигнале данные и синхронизацию. Каждый бит-символ делится на две части, причем вторая часть всегда является инверсной по отношению первой. В первой половине кодируемый сигнал представлен в логически дополнительном виде, а во второй - в обычном. Таким образом, сигнал логического 0 - CD0 характеризуется в первой половине уровнем HI, а во второй LO. Соответственно сигнал CD1 характеризуется в первой половине бит-символа уровнем LO, а во второй - HI.

Рис.24. Циклограмма электрических сигналов в информационной линии канала.

Доступ к каналу Ethernet базируется на алгоритме CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection). В Ethernet любая станция, подключенная к сети, может попытаться начать передачу пакета (кадра), если кабельный сегмент, к которому она подключена, свободен. Свободен ли сегмент, интерфейс определяет по отсутствию "несущей" в течение 9,6 мкс. Так как первый бит пакета достигает остальных станций сети не одновременно, может случиться, что попытку передачи совершат две или более станций, тем более что задержки в повторителях и кабелях могут достигать достаточно больших величин. Такие совпадения попыток называются столкновениями. Столкновение (коллизия) распознается по наличию в канале сигнала, уровень которого соответствует работе двух или более трансиверов одновременно. При обнаружении столкновения станция прерывает передачу. Возобновление попытки может быть произведено после выдержки (кратной 51,2 мкс, но не превосходящей 52000 мкс), значения которой является псевдослучайной величиной и вычисляется каждой станцией независимо (t= RAND(0,2min(n,10)), где n - содержимое счетчика попыток, а число 10 - backofflimit).После выдержки станция увеличивает на единицу счетчик попыток и начинает очередную передачу. Предельное число попыток по умолчанию равно 16, если число попыток исчерпано, связь прерывается и выдается соответствующее сообщение. Передаваемый длинный кадр способствует "синхронизации" начала передачи пакетов несколькими станциями. Ведь за время передачи с заметной вероятностью может возникнуть необходимость передачи у двух и более станций. В момент, когда они обнаружат завершение пакета, будут включены таймеры IPG. К счастью информация о завершении передачи пакета доходит до станций сегмента не одновременно. Но задержки, с которыми это связано, являются также причиной того, что факт начала передачи нового пакета одной из станций не становится известным немедленно

Рис.25. Алгоритм доступа CSMA/CD

 

. При вовлечении в столкновение нескольких станций они могут уведомить остальные станции об этом, послав сигнал "затора" (jam - не менее 32 бит). Содержимое этих 32 бит не регламентируется.. Такая схема делает менее вероятным повторное столкновение. Источником большого числа столкновений (помимо информационной перегрузки) может служить запредельная суммарная длина логического кабельного сегмента, слишком большое число повторителей, обрыв кабеля, отсутствие терминатора (50-омного согласователя кабеля) или неисправность одного из интерфейсов. Но сами по себе столкновения не являются чем-то негативным - это механизм, регулирующий доступ к сетевой среде.Обойти проблему роста вероятности столкновений в сети можно, исключив из сети хабы и строя сеть исключительно на основе коммутаторов-switch и маршрутизаторов, работающих в полнодуплексном режиме.

Передаваемые по каналу данные состоят из IP – пакетов. Формат пакета приведен в таблице 8. IP-пакет — форматированный блок информации, передаваемый по вычислительной сети. Соединения вычислительных сетей, которые не поддерживают пакеты, такие как традиционные соединения типа «точка-точка» в телекоммуникациях, просто передают данные в виде последовательности байтов, символов или битов. При использовании пакетного форматирования сеть может передавать длинные сообщения более надежно и эффективно.

Таблица 8.

Версия	IHL
Идентификатор
Число переходов (TTL)
IP-адрес отправителя (32 бита)
IP-адрес получателя (32 бита)
Параметры (до 320 бит)

• Версия — для IPv4 значение поля должно быть равно 4.
• IHL — длина заголовка IP-пакета в 32-битных словах (dword). Именно это поле указывает на начало блока данных в пакете. Минимальное корректное значение для этого поля равно 5.
• Идентификатор — значение, назначаемое отправителем пакета и предназначенное для определения корректной последовательности фрагментов при сборке датаграммы. Для фрагментированного пакета все фрагменты имеют одинаковый идентификатор.
• 3 бита флагов. Первый бит должен быть всегда равен нулю, второй бит DF (don’t fragment) определяет возможность фрагментации пакета и третий бит MF (more fragments) показывает, не является ли этот пакет последним в цепочке пакетов.
• Таблица 9.

Формат сегмента TCP
Бит	0 — 3	4 — 9	10 — 15	16 — 31
	Порт источника	Порт назначения
	Номер последовательности
	Номер подтверждения
	Смещение данных	Зарезервировано	Флаги	Окно
	Контрольная сумма	Указатель важности
	Опции (необязательное, но используется практически всегда)
160/192+	Данные

• Смещение фрагмента — значение, определяющее позицию фрагмента в потоке данных.Протокол — идентификатор интернет-протокола следующего уровня (в нашем случае идентификатор TCP)

TCP — это транспортный механизм, предоставляющий поток данных, с предварительной установкой соединения, за счёт этого дающий уверенность в достоверности получаемых данных, осуществляет повторный запрос данных в случае потери данных и устраняет дублирование при получении двух копий одного пакета (см. также T/TCP). Гарантирует, что приложение получит данные точно в такой же последовательности, в какой они были отправлены, и без потерь. Формат сегмента TCP приведен в таблице 9.

В наше время Ethernet – наиболее популярный сетевой стандарт для LAN (локальные сети). Официальный стандарт Ethernet - IEEE 802.3. В настоящее время распространены скорости 10, 100, 1000 Мбит/с. Им соответствуют стандарты 10BASE-T, 100BASE-T, 1000BASE-T. Стандарт был разработан корпорациями Xerox, DEC, и Intel в 1976 году. Физическая топология - шина (используется коаксиальный кабель – сейчас устарел) или звезда (используется витая пара UTP, в центре - концентратор-хаб или современный коммутатор-switch). Наиболее распространены сети 100BASE-T на основе неэкранированной витой пары UTP категория 5 (бывают также экранированная 5e и следующая категория - 6). Концы кабеля UTP обжимаются коннекторами RJ-45.Существуют два стандарта обжимки коннекторов RJ-45: EIA/TIA 568A и EIA/TIA 568B. Если мы хотим соединить компьютер с компьютером напрямую, т.е. непосредственно сетевые адаптеры, то нужно обжимать одну сторону по T568A, а вторую по T568B. Такой кабель называют перекрестным или кросс-кабелем (crossover). Он также используется для соединения некоторых старых моделей хабов/свитчей, т.к. современные устройства обладают функцией автоматического определения MDI/MDIX. Другими словами они сами могут определить по каким парам идет "прием", а по каким "передача". Для соединения компьютера с концентратором (hub) или коммутатором (switch) используется кабель обжатый с обеих сторон по одному стандарту. Какой стандарт использовать "A" или "B" разницы нет, но чаще всего используют именно "B". Для облегчения обжимки коннекторов проводники в кабеле имеют различные цвета изоляции. В таблице 10 приведено рекомендуемое распределение проводников для различных типов кабелей.

Таблица 10.

Pin	Имя	Описание	EIA/TIA 568A	EIA/TIA 568B
	TX+	Transmit Data+	Белозеленый	Белооранжевый
	TX-	Transmit Data-	Зеленый	Оранжевый
	RX+	Receive Data+	Белооранжевый	Белозеленый
	n/c	Not connected	Голубой	Голубой
	n/c	Not connected	Белоголубой	Белоголубой
	RX-	Receive Data-	Оранжевый	Зеленый
	n/c	Not connected	Белокоричневый	Белокоричневый
	n/c	Not connected	Коричневый	Коричневый

Прямой кабель – на обоих концах одинаковая обжимка: EIA/TIA 568A или EIA/TIA568B

Кроссовый кабель – на одном конце EIA/TIA 568A, на другом EIA/TIA 568B