Библиографическое описание:

Карабашлыков Г. А. Сравнительный обзор сетевых интерфейсов для коммутации испытательной стендовой базы динамического полунатурного моделирования // Молодой ученый. — 2016. — №9. — С. 175-181.



Данная статья посвящена исследованию проблемы коммутации испытательной стендовой базы динамического моделирования. В статье проанализированы существующие на данный момент сетевые протоколы, применимые для решения данной задачи. Рассмотрены их основные достоинства и недостатки. Произведено сравнение протоколов на физическом уровне сети. Выполнено практическое сравнение наиболее подходящих протоколов. В заключении приведен краткий обзор выполненной работы, даны рекомендации по выбору протокола для решения поставленной задачи.

Ключевые слова: сетевые интерфейсы, полунатурное моделирование, рефлективная память.

Полунатурное моделирование (ПНМ) — это разновидность моделирования, при котором тестируемое оборудование находится в условиях, максимально приближенных к реальным, однако состояние технической части моделируется средствами вычислительной техники. Это позволяет производить тестирование реального оборудования в широких пределах входных воздействий и технического состояния, моделируя в том числе аварийные и нештатные ситуации без риска повреждения самого оборудования, с последующей отладкой программной и аппаратной части оборудования. При этом повышается универсальность модели и снижается её экономическая стоимость.

Само испытательное стендовое обеспечение может занимать обширные площади лабораторного комплекса, при этом его составляющие части могут располагаться даже на нескольких этажах. Поэтому возникает задача обеспечения взаимодействия между составными элементами стендового оборудования. При этом к аппаратно-программным средствам сетевого взаимодействия предъявляются такие требования, как:

– обеспечение минимальной задержки (работа в реальном времени)

– расположение узлов на большом удалении

– помехозащищённость

При создании современных моделирующих систем одним из важных компонентов для обеспечения заданного уровня надежности, эффективности и качества является выбор коммуникационных интерфейсов [1]. При реализации систем полунатурного моделирования большое внимание уделяется вопросам сопряжения испытательных стендов с управляющей ЭВМ [2], при этом требования, предъявляемые к этим системам, исключают применение каких-либо беспроводных и радио сетей, что вызывает необходимость анализа существующих решений передачи данных по проводным и оптическим каналам. К применяемым протоколам в среде ПНМ предъявляются жёсткие требования по задержкам передачи данных, что накладывает ограничения на программную реализацию этих протоколов и систем управления на уровне операционной системы (ОС), в качестве которой все больше применение находят ОС реального времени [3, 4].

1. Анализ последовательных интерфейсов RS-422, RS-485

Интерфейсы RS-422, RS-485 являются популярными интерфейсами физического уровня и широко используются в промышленной автоматизации. В основе этих интерфейсов лежит дифференциальный способ передачи данных, когда напряжение между логическими уровнями отсчитывается не от земли, а вычисляется как разность между двумя передающими линиями. При этом благодаря симметрии относительно земли, на обе передающие линии наводятся одинаковая помеха. При поступлении сигнала на вход дифференциального приёмника помеха отсекается путём вычитания напряжения на линиях. Это позволяет использовать линии большой длины. В интерфейсах RS-422 и RS-485 в качестве линий передачи используется экранированная витая пара (2 пары для дуплексного режима). Технические характеристики интерфейсов RS-422 и RS-485 представлены в таблице 1 [5]. Зависимость максимальной скорости передачи данных от длины линии представлена в таблице 2 [5].

Таблица 1

Технические характеристики интерфейсов RS-422 иRS-485

Параметр

RS-422

RS-485

Количество устройств

5 передатчиков

10 приемников на 1 передатчик

32 передатчика

32 приемника

Вид протокола

дуплексный

дуплексный и полудуплексный

Макс. длина провода

1220 м при 100 Kbps

1220 м при 100 Kbps

Макс. скорость передачи

10 Mbps для 15 м

10 Mbps для 15 м

Таблица 2

Зависимость максимальной скорости передачи данных от длинны линии интерфейсов RS-422 иRS-485

Длина линии [1]

Макс. скорость передачи [2]

15 м

10 Mbps

[1]

[2]

122 м

1 Mbps

1220 м

100 Kbps

Достоинства протоколов RS-422 и RS-485:

– подключение нескольких устройств на одну шину

– дуплексный режим работы

– длина линии до 1220м

Недостатки протоколов RS-422 и RS-485:

сильное падение скорости в зависимости от длины линии

Протокол Profibus — в качестве физического уровня Profibus использует RS-485 при скорости передачи до 12 Mbps. Максимальное количество устройств — 32 в одном сегменте сети (можно увеличить до 128 с помощью повторителей).

На канальном уровне сеть состоит из ведущих и ведомых устройств. В сети может быть несколько ведущих и ведомых. Ведущий может контролировать шину, и передавать сообщения ведомым и другим ведущим, пока он имеет маркер. В сетях с несколькими ведущими маркер по истечении некоторого времени должен быть передан следующему ведущему (маркер передаётся от одного ведущего к другому по кольцу). Мастер в Profibus имеет возможность отправлять сообщения с уведомлением и без уведомления, многоабонентские сообщения нескольким получателям и широковещательные сообщения всем узлам сети.

Сообщение в Profibus называется телеграммой, состоит из заголовка (11 байт) и данных (до 244 байт). Сама телеграмма защищается однобайтовой контрольной суммой.

Достоинства протокола Profibus:

– до 32 устройств в одном сегменте (до 128 с помощью повторителей)

– несколько ведущих устройств

– контрольная сумма сообщения

Недостатки протокола Profibus:

– неэффективность при передаче коротких сообщений из-за статического размера заголовка

передача по схеме ведущий — ведомый, что вызывает необходимость интенсивного опроса ведомых устройств

Протокол ModBus — в качестве физического уровня ModBus использует RS-485 с одной витой парой, при этом отсутствует необходимость в специальных интерфейсных контроллерах, как например в Profibus. Максимальное количество устройств — 32 в одном сегменте сети (можно увеличить с помощью повторителей).

На канальном уровне ModBus работает в режиме ведущий — ведомый. ModBus поддерживает только одно ведущее устройство и до 247 ведомых. Ведущий может посылать сообщения ведомому или широковещательные сообщения всем узлам сети.

В ModBus разделителем сообщений является пауза в 14 бит. Сообщение в ModBus состоит из адреса (1 байт), кода функции (1 байт), данных (до 252 байт) и контрольной суммы (2 байт).

Достоинства протокола ModBus:

– до 32 устройств в одном сегменте (можно увеличить с помощью повторителей)

– двухбайтовая контрольная сумма сообщения

Недостатки протокола ModBus:

– передача по схеме ведущий — ведомый (интенсивный опрос устройств)

всего одно ведущее устройство

Вывод: рассмотренные протоколы последовательных интерфейсов RS-422, RS-485 имеют возможность подключения нескольких узлов сети по одной линии и контроль целостности передаваемых данных, но при этом происходит сильное падение скорости передачи данных при увеличении длинны линии, что ограничивает их использование в комплексах ПНМ.

2. Анализ сетей и протоколов Ethernet

Ethernet — семейство технологий, включающих в себя физический и канальный уровень. На физическом уровне Ethernet может быть реализован с помощью коаксиального кабеля, витой пары и оптического волокна.

На канальном уровне Ethernet реализует систему обмена сообщениями на основе кадров, которые содержат в себе адрес отправителя (6 байт), адрес назначения (6 байт), тип протокола (2 байт), данные (до 1500 байт) и контрольную сумму (4 байт)

Сравнение версий Ethernet [6] представлено в таблице 3.

Таблица 3

Сравнение версий Ethernet

Стандарт [1]

Тип [2]

Скорость передачи [3]

Максимальная длина [4]

Тип кабеля [5]

IEEE 802.3

10Base5

10 Мbps

500 м

коаксиальный

IEEE 802.3а

10Base2

10 Мbps

185 м

коаксиальный

IEEE 802.3b

10Broad36

10 Мbps

3600 м

коаксиальный

IEEE 802.3e

1Base5

1 Мbps

250 м

UTP

IEEE 802.3e

StarLan 10

10 Мbps

250 м

UTP

IEEE 802.3d

FOIRL

10 Мbps

1000

оптоволоконный

IEEE 802.3i

10Base-Т

10 Мbps

100 м

UTP cat 3,5

IEEE 802.3j

10Base-F

10 Мbps

2км

оптоволоконный

IEEE 802.3u

100Base-FX

100 Мbps

2 км, 400 м (многомод)

оптоволоконный

100Base-Т

100 Мbps

100 м

UTP/STP cat 5

100Base-Т4

100 Мbps

100 м

UTP/STP cat >= 3

100Base-ТХ

100 Мbps

100 м

UTP/STP cat 5

IEEE 802.12

100Base‑VG

100 Мbps

100 м

UTP cat 3,5

IEEE 802.3y

100Base-Т2

100 Мbps

100 м

UTP cat 3,5

TIA/EIA-785

100Base-SX

100 Мbps

300 м

оптоволоконный

IEEE 802.3ah

100Base-LX10

100 Мbps

10 км

оптоволоконный

IEEE 802.3ah

100Base-BX10

100 Мbps

10 км

оптоволоконный

IEEE 802.3z

1000Base-CX

1000 Мbps

25 м

UTP/STP cat 5,5e,6

1000Base-LX

1000 Мbps

5 км, 550 м (многомод)

оптоволоконный

1000Base-SX

1000 Мbps

550 м

оптоволоконный

IEEE 802.3ab

1000Base-T

1000 Мbps

100 м

UTP/STP cat 5,5е,6,7

TIA 854

1000BASE‑TX

1000 Мbps

100 м

UTP/STP cat 6,7

IEEE 802.3ah

1000BASE‑LX10

1000 Мbps

10 км

оптоволоконный

IEEE 802.3ah

1000BASE‑BX10

1000 Мbps

10 км

оптоволоконный

non-standard

1000BASE‑EX

1000 Мbps

40 км

оптоволоконный

non-standard

1000BASE‑ZX

1000 Мbps

70 км

оптоволоконный

IEEE 802.3ае

10GBASE-SR

10 Gbps

26–300 м

оптоволоконный

10GBASE-LX4

10 Gbps

10 км, 300 м (многомод)

оптоволоконный

10GBASE-LR

10 Gbps

10 км

оптоволоконный

10GBASE-ER

10 Gbps

40 км

оптоволоконный

IEEE 802.3ае

10GBASE-SW

10 Gbps

26 м — 40 км

оптоволоконный

10GBASE-LW

10 Gbps

26 м — 40 км

оптоволоконный

10GBASE-EW

10 Gbps

26 м — 40 км

оптоволоконный

IEEE 802.3аk

10GBASE-CX4

10 Gbps

15м

медный кабель СХ4

IEEE 802.3an

10GBASE-T

10 Gbps

100 м

UTP/STP cat 6,6a,7

IEEE 802.3aq

10GBASE-LRM

10 Gbps

220 м

оптоволоконный

IEEE 802.3av

10GBASE-PR

10 Gbps

20 км

оптоволоконный

TCP/IP — набор сетевых протоколов (IP, ARP, TCP, UDP, ICMP, и т. д.). Протоколы TCP/IP образуют стек протоколов — иерархическую структуру, при которой протоколы более высокого уровня инкапсулируются в протоколы более низкого уровня.

Стек протоколов TCP/IP включает в себя: транспортный и сетевой уровень.

На сетевом уровне стек TCP/IP реализует протокол IP и ARP. Протокол ARP предназначен для организации адресной структуры IP и ставит в соответствие MAC-адресу канального уровня Ethernet IP-адрес. Протокол IP предназначен для создания разветвлённых многосегментных сетевых топологий и решает проблему маршрутизации.

UDP является одним из двух основных протоколов транспортного уровня. Он решает задачу адресации на конечных узлах сети с помощью портов и позволяет приложениям обмениваться пакетами данных.

Пакет UDP состоит из порта отправителя (16 байт), порта получателя (16 байт), длинны пакета (16 байт), контрольной суммы (16 байт) и данных.

Преимущества UDP:

– минимальный размер служебной нагрузки

– минимальные задержки

Недостатки UDP:

– доставка не гарантирована

отсутствие упорядочивания

TCP также является одним из основных протоколов транспортного уровня. TCP также оперирует портами и позволяет приложениям обмениваться пакетами данных. Однако в отличии от UDP, TCP организует обмен пакетами с предварительным установлением с предварительным установлением соединения (рукопожатие) и гарантирует, что все переданные пакеты будут доставлены, причём в том же порядке, в каком были переданы.

Пакет TCP состоит из порта отправителя (16 байт), порта получателя (16 байт), порядкового номера (32 байта), номера подтверждения (32 байта), длинны заголовка (4 байта), зарезервированной области (6 байт), флагов (6 байт), размера окна (16 байт), контрольной суммы (16 байт), указателя важности (16 байт) и данных.

Преимущества TCP:

– гарантированная доставка

– гарантированный порядок сообщений

Недостатки TCP:

– большие накладные расходы

большие задержки

Вывод: рассмотренные протоколы TCP и UDP поверх Ethernet обеспечивают достаточный уровень контроля целостности данных, физический уровень Ethernet обеспечивает возможность применения больших длин линий, но при этом сам стек протоколов TCP/IP вызывает достаточно большие накладные расходы в виде большого количества передаваемой служебной информации. При этом из рассмотренных протоколов в комплексах ПНМ применим только UDP ввиду того, что он не вызывает дополнительные задержки при установлении соединения и передачи пакетов.

3. Сети на основе рефлективной памяти

Сети на основе рефлективной памяти представляют собой систему реального времени, в которой каждый узел сети всегда имеет актуальную локальную копию данных, общих для всей сети [10]. Они применяются там, где важны минимальные задержки передачи данных.

Каждый узел сети имеет собственную локальную память. Операции чтения и записи производятся с локальной памятью, изменения в которой затем синхронизируются с другими узлами сети.

Длина оптической линии передачи данных между двумя узлами сети может составлять до 10 км. Также применение оптической линии исключает возможность взаимовлияния физических линий друг на друга.

Для организации сети на основе рефлективной памяти могут применяться различные топологии:

Кольцевая топология — каждый узел сети соединён с двумя соседними, образуя кольцо. В отличии от сетей Ethernet, здесь не используется арбитражная система разрешения коллизий, что позволяет обойтись без организации очередей и контроля целостности пакетов. Также подобная топология не накладывает ограничения на количество подключённых устройств.

Топология типа звезда — каждый узел сети соединён с концентратором. Концентратор обеспечивает передачу данных каждому узлу сети даже при отключении одного из них. Концентраторы можно каскадировать. Максимальное число узлов при такой топологии — 256.

Преимущества сетей на основе рефлективной памяти:

– крайне низкие задержки передачи данных — система реального времени

– большая максимальная длина линий передачи данных

– простота реализации, отсутствие зависимостей от процессора и операционной системы

Недостатки сетей на основе рефлективной памяти:

– невозможность создавать большие многоуровневые сети

отсутствие привычных сетевых протоколов, все операции происходят с памятью, а не с пакетами данных

Вывод: сети на основе рефлективной памяти обеспечивают минимальные задержки при передаче данных из-за переноса логики управления канальным уровнем сети с программной реализации на аппаратную, а использование в качестве физической среды оптоволокно позволяет использовать линии большой протяжённости.

4. Сравнение линий передачи на физическом уровне

Технические характеристики линии типа «витая пара» представлены в таблице 4 [8], где:

– Затухание (погонное затухание) — характеризует величину потери мощности сигнала при передаче

– NEXT — переходное затухание между парами в многопарном кабеле, измеренное на ближнем конце, то есть со стороны передатчика

– PS-NEXT — переходное затухание между парами в многопарном кабеле, измеренное на ближнем конце с учетом одновременных наводок со всех пар

– FEXT — переходное затухание на дальнем конце. Измеряется посредством подачи тестового сигнала на пару в кабеле с одной пары и замеры наведенного сигнала в другой паре со стороны приемника

– ACR — отношение затухания сигнала к ослаблению перекрестной помехи (отношение сигнал/шум). Положительное значение ACR означает превышение уровня полезного сигнала над уровнем шума, а отрицательное — означает, что полезный сигнал меньше помехи и его распознавание будет проблематичным

– ELFEXT — приведенное переходное затухание. Эта характеристика вычисляется на основании FEXT и погонного затухания

– PS-ELFEXT — cуммарное приведенное переходное затухание. Эта характеристика вычисляется для каждой отдельной пары на основании ELFEXT

– Return Loss — (обратное затухание). При передаче сигнала по витой паре особенно при полнодуплексной передаче, возникает эффект отражения сигнала в обратном направлении.

Технические характеристики оптоволоконных линий представлены в таблицах 5–6 [8].

Таблица 4

Технические характеристики линии типа «витая пара»

Частота, МГц

Затухание, дБ/100м

Next, дБ

PS-Next, дБ

кат.6

кат. 5e

кат.6

кат. 5e

кат.6

кат. 5e

1

2,00

2,00

74,30

65,30

72,30

62,30

4

3,80

4,10

65,30

56,30

63,30

53,30

10

6,0

6,50

59,30

50,30

57,30

47,30

16

7,60

8,20

56,20

47,20

54,20

44,20

20

8,50

9,30

54,80

45,80

52,80

42,80

31,25

10,70

11,70

51,90

42,90

49,90

39,90

62,5

15,40

17,00

47,40

38,40

45,40

35,40

100

19,80

22,00

44,30

35,30

42,30

32,30

200

29,00

39,80

37,80

250

32,80

38,30

36,30

Частота, МГц

ACR, дБ/100м

EL-FEXT, дБ/100м

PS EL-FEXT, дБ/100м

Return Loss, дБ

кат.6

кат.5e

кат.6

кат.5e

кат.6

кат.5e

кат.6

кат.5e

1

72,30

63,30

67,80

63,80

64,80

60,80

20,00

20,00

4

61,50

52,20

55,80

51,80

52,80

48,80

23,00

23,00

10

53,30

43,80

47,80

43,80

44,80

40,80

25,00

25,00

16

48,60

39,00

43,70

39,70

40,70

36,70

25,00

25,00

20

46,30

36,50

41,80

37,80

38,80

34,80

25,00

25,00

31,25

41,20

31,20

37,90

33,90

34,90

30,90

23,60

23,60

62,5

32,00

21,40

31,90

27,90

28,90

24,90

21,50

21,50

100

24,50

13,30

27,80

23,80

24,80

20,80

20,10

20,10

200

10,80

21,80

18,00

18,00

250

5,50

19,80

16,80

17,30

Таблица 5

Затухания воптоволоконных подсистемах

Подсистема

Длина линии, м

Затухание, дБ

Одномодовый

Многомодовый

1310 нм

1550 нм

850 нм

1300 нм

Горизонтальная

100

2.2

2.2

2.5

2.2

Магистраль здания

500

2.7

2.7

3.9

2.6

Магистраль комплекса

1500

3.6

3.6

7.4

3.6

Таблица 6

Оптические параметры оптоволокна

Длина линии, м

Одномодовый

Многомодовый

1310 нм

1550 нм

850 нм

1300 нм

Нижний предел, нм

1288

1525

790

1285

Верхний предел, нм

1339

1575

910

1330

Тестирование, нм

1310

1550

850

1300

Максимальная спектральная ширина, нм

10

10

50

150

Возвратные потери, дБ

26

26

20

20

Минимальная полоса пропускания, МГц (МГц∙км)

100 (200)

250 (500)

Сравнение скорости передачи по витой паре и оптоволокну представлены в таблице 7.

Таблица 7

Сравнение скорости передачи по витой паре иоптоволокну

Тип линии

Скорость, нс/м

Витая пара

4,6–4,9

Оптоволокно

4,7–5,0

Вывод: по сравнению с витой парой, в оптических линиях передачи отсутствуют помехи, вызванные электромагнитным излучением, при этом сами оптические линии передачи не создают такого излучения. Также в оптических линиях передачи затухание сигнала на единицу длины линии ниже, чем в витой паре за исключением частоты в 1 МГц.

5. Практическое тестирование задержек линий передачи

Рассмотрим оценку задержек в сети на примере следующей экспериментальной задачи: определить минимальное время прохождения пакета информации по выбранным протоколам. Для сравнительного тестирования были выбраны протокол рефлективной памяти (используются 2 сетевых карты GE Automation PCIE-5565PIORC, физический уровень — оптоволокно) протокол UDP по Ethernet (используются 2 сетевых карты Realtek RTL8111, физический уровень — витая пара 6 категории). Длина обеих линий передачи составляет 10 метров, соединение типа точка-точка. Размер пакета составляет 32 байта. Количество пакетов — 50. Средние задержки передачи информации представлены в таблице 8.

Таблица 8

Средние задержки передачи информации

Протокол

Задержка, мкс

Рефлективная память

1

UDP по Ethernet

86

Вывод: как видно из таблицы, задержки передачи информации по рефлективной памяти значительно ниже из-за отсутствия дополнительной нагрузки в виде служебной информации при передаче информации, а также более быстрой обработки информации самой сетевой картой рефлективной памяти из-за переноса логики управления сетью из программной среды передающего устройства на аппаратный уровень сетевой карты.

6. Вывод

В результате анализа из всех представленных решений для реализации межкомпонентного сетевого взаимодействия узлов моделирующего комплекса ПНМ целесообразно выбрать реализацию сетевой архитектуры на основе рефлективной памяти, т. к. она обеспечивает работу сети в режиме реального времени с минимальными задержками, реализации такой сети позволяют использовать оптические линии передачи данных, что увеличивает их максимальную длину и обеспечивает помехозащищённость линий передачи друг от друга и от внешних электромагнитных воздействий. Для организации взаимодействия между блоками вычислительной управляющей части комплекса ПНМ возможно применение сетей Ethernet и протокола UDP поверх Ethernet для передачи данных, менее критичных к временным задержкам. Применение протоколов RS-422, RS-485 ограничивается только внутренними соединениями отдельных узлов комплекса ПНМ из-за сильной зависимости скорости передачи данных от длинны линии.

Литература:

  1. Энциклопедия АСУ ТП. Режим доступа: http://bookasutp.ru/ (дата обращения 14.11.15).
  2. Власов А. И., Нестеров Ю. И., Першин Б. Н. Виртуальный измерительный комплекс // Датчики и системы. 2000. № 4. С. 12–22.
  3. Шахнов В. А., Власов А. И., Мороз А. А., Михненко А. Е. Операционная система реального времени — MeatrixRealTime как основа для построения эспериментальных систем обработки сигналов в реальном времени // Докладов сб. труд. Второй Международной конференции стран СНГ «Молодые ученые — науке, технологиям и профобразованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения: сборник научных докладов и тезисов» В 3-х ч. Часть 2. М.:Академия менеджемента инноваций, 2000. С. 100–103.
  4. Шахнов В. А., Власов А. И., Князев В. С. Аппаратно-программный комплекс обработки сигналов для мониторинга и анализа состояния технических систем // В сб. трудов 3-й Международной конференции «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике». М.:МНТПО Спектр, 2002. С. 42–60.
  5. Ольховский И. RS протоколы. Режим доступа: http://www.ixbt.com/comm/rs_proto.html (дата обращения 14.11.15).
  6. Семенов Ю. А. Telecommunication technologies — телекоммуникационные технологии. Режим доступа: http://book.itep.ru/ (дата обращения 14.11.15).
  7. Справочник по типам и стандартам Ethernet 802.3. Режим доступа: http://habrahabr.ru/post/208202/ (дата обращения 14.11.15).
  8. Socolofsky T., Kale C. RFC 1180. A TCP/IPTutorial. Режим доступа: https://tools.ietf.org/html/rfc1180 (дата обращения 14.11.15).
  9. Соколов В. В., Стецюра Г. Г. Организация оптической связи узлов рефлективной памяти. // Датчики и системы. 2013. № 8. С. 34–41.
  10. GEAutomation. Режим доступа: http://www.geautomation.com/ (дата обращения 14.11.15).
  11. ANSI/TIA/EIA568-B. Commercial Building Telecommunications Cabling Standard. Arlington: Telecommunications Industry Association, 2001.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle