Vlan базиран на портове. Максимално разстояние*, m

Когато компютър изпраща трафик към мрежата, той дори не знае в коя VLAN се намира. Комутаторът мисли за това, че компютърът, свързан към определен порт, е в съответната VLAN. Трафикът, идващ към порт на определена VLAN, не се различава от трафика на друга VLAN. С други думи, той не съдържа информация дали трафикът принадлежи към конкретна VLAN.

Въпреки това, ако трафикът от различни VLAN може да премине през порт, комутаторът трябва по някакъв начин да го разграничи, всеки кадър от трафика трябва да бъде маркиран по някакъв специален начин.

Най-често срещаният начин за поставяне на такава маркировка сега е описан в отворения стандарт IEEE 802.1Q.

IEEE 802.1Q- отворен стандарт, който описва процедурата за маркиране на трафика за предаване на информация за членство VLAN.

Тъй като 802.1Q не променя заглавките на рамката, мрежови устройствакоито не поддържат този стандарт, могат да предават трафик без оглед на членството си във VLAN.

802.1Q е поставен вътре в рамката етикет, който предава информация за принадлежността на трафика към VLAN.

Размерът на етикета е 4 байта. Състои се от следните полета:

    Идентификатор на протокола за етикети (TPID)- Идентификатор на протокола за етикетиране. Размерът на полето е 16 бита. Показва кой протокол се използва за маркиране. За 802.1q стойността е 0x8100.

    Информация за контрол на етикети (TCI)- поле, капсулиращо полетата за приоритет, каноничен формат и VLAN идентификатор:

    • Приоритет- приоритет. Размерът на полето е 3 бита. Използва се от стандарта IEEE 802.1p за задаване на приоритета на предавания трафик.

      Индикатор за каноничен формат (CFI)- Индикатор за каноничен формат. Размерът на полето е 1 бит. Показва формата на MAC адреса. 0 - каноничен (Ethernet рамка), 1 - неканоничен (Token Ring рамка, FDDI).

      VLAN идентификатор (VID ) - Идентификатор на VLAN - 12 бита Показва към коя VLAN принадлежи рамката. Диапазонът от възможни стойности на VID е от 0 до 4094.

Когато използвате стандарта Ethernet II, 802.1Q вмъква таг преди полето Protocol Type. Тъй като рамката е променена, контролната сума се преизчислява.

В стандарта 802.1Q има концепция Роден VLAN. По подразбиране това е VLAN 1. Трафикът, изпратен през тази VLAN, не е маркиран.

Има подобен патентован протокол на 802.1Q, разработен от Cisco Systems - ISL.

Статията обсъжда възможностите на Ethernet във връзка с индустриална употреба; В материала са представени и специални приложни протоколи, базирани на Ethernet.

LLC "AKOM", Челябинск

След като успешно завладяха света на офис автоматизацията, Ethernet и TCP/IP започнаха своята атака срещу разпределените индустриални системи за управление. Като основно „оръжие“ се използва изкусителната идея за „безпроблемно“ свързване на всички нива на класическата пирамида на автоматизация: от нивото на автоматизация на технологичните процеси до нивото на управление на предприятието. Реализирането на тази идея изисква големи адаптации на Ethernet, особено по отношение на поддръжката в реално време. Недетерминираните комуникационни протоколи като HTTP и FTP със сигурност осигуряват гъвкавост и лекота на използване, но за индустриална употреба все още трябва да бъдат разработени специални протоколи за приложения, базирани на Ethernet.

OSI - модел на взаимно свързване на отворени системи

Моделът OSI (Open System Interconnection) схематично описва и стандартизира връзките между различни устройствав мрежовата архитектура. OSI моделът дефинира седем слоя на системната мрежа, дава им стандартни имена и определя какви функции трябва да изпълнява всеки слой и как ще комуникира с по-високия слой.

ориз. 1. OSI (Open System Interconnection) модел

Преди потребителските данни от Приложение 1 (Фигура 1.) да могат да бъдат изпратени през Ethernet, тези данни последователно преминават през целия комуникационен стек от горния до най-долния слой. В този случай се формира крайният пакет за предаване (капсулиране) - когато се формира рамка (пакет) в съответствие с изискванията на текущото ниво, рамка от повече високо ниво. По този начин данните, които са достигнали най-ниското ниво (физическа среда за предаване), се предават на втората система, където протича обратният процес на последователно предаване на получените данни към горните нива до дестинацията - Приложение 2.

Този процес е като добре функциониращ тръбопровод и изисква ясно описание на логическите взаимодействия между нивата.

Таблица 1

В Ethernet, съгласно стандарта IEEE 802.1-3, са реализирани слоеве 1 и 2 на OSI модела. Поддръжката за третия, мрежовия слой, се осигурява от интернет протокола (IP), насложен върху Ethernet, а транспортните протоколи TCP и UDP съответстват на слой 4. Слоеве 5-7 се изпълняват в приложните протоколи FTP, Telnet, SMTP, SNMP и в конкретните протоколи, обсъдени по-долу за индустриална автоматизация (Industrial Ethernet). Трябва да се отбележи, че индустриалните Ethernet протоколи в някои приложения могат да заменят или допълнят слоеве 3 и 4 (IP и TCP/UDP).

Слой 1 (физически) описва метода за предаване на данни последователно, бит по бит, върху физическа среда. Във връзка със стандарта IEEE 802.3 стандартната Ethernet рамка трябва да изглежда така:

Преамбюл - преамбюл, използва се за синхронизиране на приемащото устройство и указва началото на Ethernet рамка;

Дестинация - адрес на получателя;

Източник - адрес на изпращача;

Поле тип - тип протокол от високо ниво (например TCP/IP);

Data Field - предавани данни;

Проверка - контролна сума (CRC).

Слой 2 (връзка) подобрява надеждността на предаването на данни през физическия слой чрез пакетиране на данни в стандартни рамки с добавяне на адресна информация и контролна сума (откриване на грешка). Достъпът до физическата среда за предаване, съгласно IEEE 802.3, се осъществява чрез механизма CSMA/CD, което води до неизбежни сблъсъци, когато няколко устройства започнат да предават едновременно. Слоят на връзката за данни ви позволява да разрешите този проблем, като предоставяте разпределение на правата за достъп до мрежовите устройства. Това е реализирано в Ethernet комутатори (Switched Ethernet technology), при които въз основа на данни от слоя за връзка всички входящи данни се проверяват автоматично за целостта и съответствието с контролната сума (CRC) и ако резултатът е положителен, се пренасочват само към порта, към който е свързан приемникът на данни.

Слой 3 (мрежа) осигурява обмен на съобщения между различни мрежи, използвайки IP протокола (приложен към Ethernet) като инструмент. Данните, получени от транспортния слой, се капсулират в рамка на мрежовия слой с IP заглавки и се предават на слоя за връзка с данни за сегментиране и по-нататъшно предаване. Текущият интернет протокол версия 4 (IPv4) използва диапазон от адреси до 32 бита, а версията IPv6 разширява адресното пространство до 128 бита.

Ниво 4 (Транспорт) осигурява предаване на данни с определено ниво на надеждност. Поддръжката на това ниво е реализирана в TCP и UDP протоколите. TCP (Transmission Control Protocol) е усъвършенстван протокол със средства за установяване, потвърждаване и прекратяване на връзка, със средства за откриване и коригиране на грешки. Високата надеждност на предаването на данни се постига с цената на допълнителни забавяния във времето и увеличаване на обема на предаваната информация. UDP (User Datagram Protocol) е създаден за разлика от TCP и се използва в случаите, когато основният фактор е скоростта, а не надеждността на трансфера на данни.

Нива 5 - 7 са отговорни за окончателното тълкуване на предадените потребителски данни. Примери от света на офис автоматизацията включват FTP и HTTP протоколите. Протоколите, класифицирани като Industrial Ethernet, също използват тези слоеве, но по различни начини, което ги прави несъвместими. По този начин протоколите Modbus/TCP, EtherNet/IP, CIPsync, JetSync са разположени строго над слой 4 на OSI модела, а протоколите ETHERNET Powerlink, PROFInet, SERCOS разширяват и частично заместват слоеве 3 и 4.

Ethernet/IP

EtherNet/IP е базиран на протоколите Ethernet TCP и UDP IP и разширява комуникационния стек за използване в индустриалната автоматизация (фиг. 2.). Втората част от името „IP“ означава „Индустриален протокол“. Протоколът Ethernet/IP (Industrial Ethernet Protocol) е разработен от групата ODVA с активното участие на Rockwell Automation в края на 2000 г. на базата на комуникационния протокол CIP (Common Interface Protocol), който се използва и в мрежите ControlNet и DeviceNet. Спецификацията EtherNet/IP е публично достъпна и свободно достъпна. В допълнение към типичните функции на протоколите HTTP, FTP, SMTP и SNMP, EtherNet/IP позволява прехвърлянето на критични за времето данни между управляващото устройство и I/O устройствата. Надеждността на предаването на некритични за времето данни (конфигуриране, зареждане/разтоварване на програми) се осигурява от TCP стека, а критичната за времето доставка на циклични контролни данни ще се извършва чрез UDP стека. За да се опрости настройката на EtherNet/IP мрежата, повечето стандартни устройства за автоматизация идват с предварително дефинирани конфигурационни файлове(EDS).

CIPsync е разширение на комуникационния протокол CIP и прилага механизми за синхронизиране на времето в разпределени системи, базирани на стандарта IEEE 1588.

PROFINET

Първата версия на PROFINET използва Ethernet за некритична във времето комуникация между устройства най-високо нивои устройства на полево ниво Profibus-DP. Взаимодействието с Profibus-DP се осъществява съвсем просто с помощта на PROXY, вграден в стека.

Втората версия на PROFINET предоставя два комуникационни механизма през Ethernet: TCP/IP се използва за предаване на некритични за времето данни и реално времесе предоставя по втория канал чрез специален протокол. Този протокол в реално време „скача“ през слоеве 3 и 4, трансформирайки дължината на предадените данни, за да постигне детерминизъм. В допълнение, за оптимизиране на комуникацията, на всички предавания на данни в PROFINET се присвояват приоритети съгласно IEEE 802.1p. За комуникация в реално време данните трябва да имат най-висок (седми) приоритет.

PROFINET V3 (IRT) използва хардуер за създаване на бърз канал с още по-голяма производителност. Осигурено е съответствие с IRT (Isochronous Real-Time) изискванията на стандарта IEEE-1588. PROFINET V3 се използва главно в системи за управление на движение, използващи специални Ethernet/PROFINET V3 комутатори.

ориз. 2. Ethernet/IP структура в OSI моделни слоеве

ориз. 3. PROFINET структура в OSI моделни слоеве

ориз. 4. Ethernet PowerLink структура в OSI моделни слоеве

ETHERNET Powerlink

В ETHERNET Powerlink стековете TCP/IP и UDP/IP (слоеве 3 и 4) се разширяват от стека Powerlink. Въз основа на стекове TCP, UDP и Powerlink се извършва както асинхронно прехвърляне на некритични за времето данни, така и бързо изохронно прехвърляне на циклични данни.

Стекът Powerlink напълно управлява трафика на данни в мрежата за работа в реално време. За целта се използва технологията SCNM (Slot Communication Network Management), която определя времеви интервал и стриктни права за предаване на данни за всяка станция в мрежата. Във всеки такъв интервал от време има само една станция пълен достъпкъм мрежата, което ви позволява да се отървете от сблъсъци и да осигурите детерминизъм в работата. В допълнение към тези отделни времеви интервали за изохронен трансфер на данни, SCNM предоставя общи времеви интервали за асинхронен трансфер на данни.

В сътрудничество с групата CiA (CAN в автоматизацията), разширението Powerlink v.2 е разработено с помощта на профили на устройства CANopen.

Powerlink v.3 включва механизми за синхронизиране на времето, базирани на стандарта IEEE 1588.

Modbus/TCP - IDA

Новосформираната Modbus-IDA група предлага IDA архитектура за разпределени системи за управление, използващи Modbus като структура на съобщенията. Modbus-TCP е симбиоза на стандартния протокол Modbus и Ethernet-TCP/IP протокола като средство за предаване на данни. Резултатът е прост, структуриран, отворен протокол за предаване за мрежи Master-Slave. И трите протокола от фамилията Modbus (Modbus RTU, Modbus Plus и Modbus-TCP) използват един и същ приложен протокол, което гарантира тяхната съвместимост на ниво обработка на потребителски данни.

IDA не е само базирани на Modbus протоколи, това е цяла архитектура, която съчетава методи за изграждане различни системиавтоматизация с разпределен интелект и описваща както структурата на системата за управление като цяло, така и интерфейсите на устройствата и софтуерв частност. Това гарантира вертикална и хоризонтална интеграция на всички нива на автоматизация с широко използване на уеб технологии.

Прехвърлянето на данни в реално време се осигурява с помощта на стека IDA, който е добавка към TCP/UDP и се базира на протокола Modbus. Предаването на данни, които не са критични за времето, и поддръжката на уеб технологии се извършва чрез TCP/IP стека. Осигурена възможност дистанционно управлениеустройства и системи (диагностика, параметризиране, изтегляне на програми и др.) използващи стандартни протоколи HTTP, FTP и SNMP.

EtherCAT

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) е концепция за автоматизация, базирана на Ethernet, разработена от немската компания Beckhoff. Основната разлика на тази технология е обработката на Ethernet рамки „в движение“: всеки модул в мрежата, едновременно с получаването на данните, адресирани до него, излъчва рамката към следващия модул. По време на предаване изходните данни се вмъкват по подобен начин в препредадения кадър. Така всеки модул в мрежата осигурява латентност от само няколко наносекунди, осигурявайки на системата като цяло поддръжка в реално време. Данните, които не са критични за времето, се предават в интервали от време между предаванията на данни в реално време.

EtherCAT прилага механизми за синхронизация, базирани на стандарта IEEE 1588. Ниската латентност при трансфер на данни позволява EtherCAT да се използва в системи за управление на движение.

SERCOS-III

SERCOS (SErial Real-Time COmmunication System) е цифров интерфейс, оптимизиран за комуникация между контролера и VFD (честотни преобразуватели) и използва оптичен пръстен. Разработен в оригиналния си вид от група компании още в края на 80-те години на миналия век. Работата в реално време се постига чрез механизма TDMA (Time Division Multiplex Access) - Time Division Multiplex Access. SERCOS-III е най-новата версиятози интерфейс и е базиран на Ethernet.

Foundation Fieldbus HSE

При разработването на стандарта Foundation Fieldbus те се опитаха да разчитат изцяло на модела OSI, но в крайна сметка, от съображения за качество на работа, моделът беше променен: Слой 2 беше заменен от патентован слой за координация на данните, Слоеве 3-6 бяха изключени и беше разработен осми слой, наречен потребител. Потребителското ниво включва функционални блокове, които са стандартизирани пакети от контролни функции (например аналогов блок входен сигнал, PID контрол и др.). Тези функционални блокове трябва да отговарят на изискванията на широк набор от различно оборудване от различни производители, а не на конкретен тип устройство. За да прехвърлят своите уникални свойства и данни към системата, свързаните устройства използват софтуерно „описание на устройството“ (Device Description - DD). Това улеснява добавянето на нови устройства към системата на принципа plug-and-play.

Втората отличителна черта на технологията Foundation Fieldbus е осигуряването на peer-to-peer комуникация между полеви устройства. С комуникацията peer-to-peer всяко устройство, свързано към шина, може да обменя информация с други устройства на тази шина директно (тоест без необходимост от сигнализиране чрез система за управление).

През 2000 г. беше разработен вариантът Foundation Fieldbus HSE (High-Speed ​​​​Ethernet) Основни характеристики: Ethernet базиран, скорост на трансфер на данни 100 Mbaud, поддръжка в реално време, съвместим с цялото търговско Ethernet оборудване, използване. Интернет протоколи(FTP, HTTP, SMPT, SNMP и UDP), възможност за комуникация с мрежата FF H1 без достъп до хост системата.

SafeEthernet

Разработка на немската фирма HIMA базирана на Ethernet с поддръжка на интернет протоколи. Според профила на компанията и както подсказва името, този протоколоптимизиран за използване в системи за сигурност.

IEEE 802.1Q- отворен стандарт, който описва процедурата за маркиране на трафика за предаване на информация за членство във VLAN.

Тъй като 802.1Q не променя заглавките на рамката, мрежовите устройства, които не поддържат този стандарт, могат да предават трафик без оглед на членството си във VLAN.

802.1Q е поставен вътре в рамката етикет, който предава информация за принадлежността на трафика към VLAN.

802.1Q етикет
⊲━━ Информация за контрол на етикети (TCI) ━━⊳
TPIDПриоритетCFIVID
16 3 1 12 битове

Размерът на етикета е 4 байта. Състои се от следните полета:

  • Идентификатор на протокола за етикети (TPID)- Идентификатор на протокола за маркиране. Размерът на полето е 16 бита. Показва кой протокол се използва за маркиране. За 802.1q стойността е 0x8100.
  • Информация за контрол на етикети (TCI)- поле, което капсулира полетата за приоритет, каноничен формат и VLAN идентификатор:
    • Приоритет- приоритет. Размерът на полето е 3 бита. Използва се от стандарта IEEE 802.1p за задаване на приоритета на предавания трафик.
    • Индикатор за каноничен формат (CFI)- Индикатор за каноничен формат. Размерът на полето е 1 бит. Показва формата на MAC адреса. 0 - каноничен (Ethernet рамка), 1 - неканоничен (Token Ring рамка, FDDI).
    • VLAN идентификатор (VID)- Идентификатор на VLAN - 12 бита Показва към коя VLAN принадлежи рамката. Диапазонът от възможни стойности на VID е от 0 до 4094.

Когато използвате стандарта Ethernet II, 802.1Q вмъква таг преди полето Protocol Type. Тъй като рамката е променена, контролната сума се преизчислява.

В стандарта 802.1Q има концепция Native VLAN. По подразбиране това е VLAN 1. Трафикът, изпратен през тази VLAN, не е маркиран.

Съществува подобен патентован протокол на 802.1Q, разработен от Cisco Systems - ISL.

Когато използвате базирани на портове VLAN, всеки порт се присвоява на конкретна VLAN, независимо кой потребител или компютър е свързан към този порт. Това означава, че всички потребители, свързани към този порт, ще бъдат членове на една и съща VLAN.

Конфигурацията на порта е статична и може да се променя само ръчно.

Базирана на порт VLAN.

Vlan базиран на mac адреси.

Следващият метод за създаване на виртуални мрежи използва групиране на MAC адреси. Ако в мрежата има голям брой възли, този метод изисква голям брой ръчни операции от администратора.

VLAN на базата на MAC адреси.

Базиран на етикет Vlan – 802.1q стандарт.

Първите два подхода се основават само на добавяне на допълнителна информация към мостовите адресни таблици и не използват възможността за вграждане на информация за членството на рамката. виртуална мрежав предавания кадър. Метод на VLAN организация, базиран на етикети – етикети, използва допълнителни полетарамка за съхраняване на информация за собствеността на рамката, докато се движи между мрежови комутатори. Към Ethernet рамката се добавя 4-байтов етикет:

Добавеният таг на рамката включва двубайтово поле TPID (Идентификатор на протокол за етикети) и двубайтово поле TCI (Информация за контрол на етикети). Първите 2 байта с фиксирана стойност 0x8100 определят, че рамката съдържа етикет на протокол 802.1q/802.1p. Полето TCI се състои от полета Priority, CFI и VID. 3-битовото поле за приоритет определя осем възможни нива на приоритет на рамката. 12-битовото VID (VLAN ID) поле е идентификаторът на виртуалната мрежа. Тези 12 бита ви позволяват да дефинирате 4096 различни виртуални мрежи, но идентификаторите 0 и 4095 са запазени за специална употреба, така че общо 4094 виртуални мрежи могат да бъдат дефинирани в стандарта 802.1Q. Полето CFI (Canonical Format Indicator) с дължина 1 бит е запазено за обозначаване на рамки от други типове мрежи (Token Ring, FDDI); за Ethernet рамки то е равно на 0.

След като рамката бъде получена от входния порт на комутатора, решението за по-нататъшната му обработка се взема въз основа на правилата на входния порт (Ingress rules). Възможни са следните опции:

    получаване само на маркирани рамки;

    получава само рамки от тип Untagged;

    По подразбиране всички превключватели приемат и двата типа рамки.

След обработка на кадъра се взема решение за предаването му към изходния порт въз основа на предварително зададени правила за препращане на кадър. Правилото за препращане на рамки в рамките на комутатор е, че те могат да бъдат препращани само между портове, свързани с една и съща виртуална мрежа.

1000Base Ethernet

1000Base Ethernet или Gigabit Ethernet, като Fast Ethernet, използва същия формат на рамката, CSMA/CD метод за достъп, звездна топология и подслой за контрол на връзката (LLC) като IEEE 802.3 и 10Base-T Ethernet. Фундаменталната разлика между технологиите отново е в реализацията на физическия слой на EMVOS – реализацията на PHY устройства. Разработките на IEEE 802.3 и ANSI X3T11 Fibre Channel бяха използвани за внедряване на PHY трансивъри, свързани към влакна. През 1998 г. бяха публикувани стандартът 802.3z за оптично влакно и 802.3ab за кабел с усукана двойка.

Ако разликите между Ethernet и Fast Ethernet са минимални и не засягат MAC слоя, тогава при разработването на стандарта Gigabit Ethernet 1000Base-T разработчиците трябваше не само да направят промени във физическия слой, но и да засегнат MAC подслоя.

Физическият слой Gigabit Ethernet използва няколко интерфейса, включително традиционния усукана двойкаКатегория 5, както и многомодови и едномодови влакна. Дефинирани са общо 4 различни типа физически интерфейси на средата, които са отразени в спецификациите на стандарта 802.3z (1000Base-X) и 802.3ab (1000Base-T).

Поддържаните разстояния за стандартите 1000Base-X са показани в таблицата по-долу.

Стандартен

Тип влакна

Максимално разстояние*, m

(лазерен диод 1300 nm)

Едномодово влакно (9 µm)

Многомодово влакно (50 µm)***

Стандартен

Тип влакно/усукана двойка

Максимално разстояние*, m

(лазерен диод 850 nm)

Многомодово влакно (50 µm)

Многомодово влакно (62,5 µm)

Многомодово влакно (62,5 µm)

Екраниран усукана двойка: STP

Характеристиките на оптичните трансивъри могат да бъдат значително по-високи от посочените в таблицата. Например NBase произвежда комутатори с Gigabit Ethernet портове, които осигуряват предаване на разстояния до 40 км по едномодово влакно без релета (използвайки тесноспектърни DFB лазери, работещи при дължина на вълната 1550 nm).

1000Base-T интерфейс

1000Base-T е стандартен интерфейс за Gigabit Ethernet предаване през неекранирани кабели с усукана двойка от категория 5e и по-висока на разстояния до 100 метра. За предаване се използват и четирите чифта меден кабел, като скоростта на предаване по една двойка е 250 Mbit/s.

MAC подслой

Gigabit Ethernet MAC подслоят използва същия CSMA/CD метод за достъп до медия като своите предшественици Ethernet и Fast Ethernet. Основните ограничения върху максималната дължина на сегмент (или домейн на колизия) се определят от този протокол.

Един от проблемите при внедряването на скорост от 1 Gbit/s беше осигуряването на приемлив диаметър на мрежата при работа в нея половин дуплексрежим на работа. Както знаете, минималният размер на рамката в Ethernet и Fast Ethernet мрежите е 64 байта. При скорост на трансфер от 1 Gbit/s и размер на рамката от 64 байта, за надеждно откриване на сблъсък е необходимо разстоянието между двата най-отдалечени компютъра да е не повече от 25 метра. Нека припомним, че успешното откриване на сблъсък е възможно, ако времето за предаване на рамка с минимална дължина е по-голямо от два пъти времето за разпространение на сигнала между двата най-отдалечени възела в мрежата. Следователно, за да се осигури максимален диаметър на мрежата от 200 m (два кабела по 100 m и суич), минималната дължина на рамката в стандарта Gigabit Ethernet беше увеличена до 512 байта. За да увеличи дължината на кадъра до необходимата стойност, мрежовият адаптер разширява полето с данни до дължина от 448 байта с така нареченото разширение на носещия. Полето за разширение е поле, изпълнено със забранени знаци, които не могат да бъдат сбъркани с кодове на данни. В този случай полето за контролна сума се изчислява само за оригиналния кадър и не се отнася за полето за разширение. Когато се получи рамка, полето за разширение се изхвърля. Следователно слоят LLC дори не знае за наличието на полето за разширение. Ако размерът на рамката е равен или по-голям от 512 байта, тогава няма поле за медийно разширение.

Gigabit Ethernet рамка с медийно разширение

Основна цел на технологията WiFi(Wireless Fidelity - “безжична точност”) - безжично разширение Ethernet мрежи. Използва се и там, където е нежелателно или невъзможно да се използват кабелни мрежи, вижте началото на раздела „Безжични LAN“. Например за предаване на информация от движещи се части на механизми; ако не можете да пробиете стени; в голям склад, където трябва да носите компютър със себе си.

Wi-Fi проектиран консорциум Wi-Fi е базиран на серията стандарти IEEE 802.11 (1997) [ANSI] и осигурява скорости на предаване от 1...2 до 54 Mbit/s. Wi-Fi консорциумът разработва спецификации на приложения, за да вдъхне живот на Wi-Fi стандарта, тества и сертифицира продукти на други компании за съответствие със стандарта, организира изложби и предоставя на разработчиците на Wi-Fi оборудване необходимата информация.

Въпреки факта, че стандартът IEEE 802.11 е ратифициран още през 1997 г., Wi-Fi мрежите са широко разпространени само в последните години, когато цените на серийното мрежово оборудване паднаха значително. В индустриалната автоматизация от многото стандарти от серията 802.11 се използват само два: 802.11b със скорост на предаване до 11 Mbit/s и 802.11g (до 54 Mbit/s).

Предаването на сигнал по радиоканала се осъществява по два метода: FHSS и DSSS (вижте раздела). Това използва диференциална фазова модулация DBPSK и DQPSK (вижте " Модулационни методипревозвач"), използвайки кодове на Баркър, допълнителни кодове ( CCK- Допълнителен кодов ключ) и технологии двойно конволюционно кодиране (PBCC) [Рошан].

Wi-Fi 802.11g при скорости от 1 и 2 Mbit/s използва DBPSK модулация. При скорост на трансфер от 2 Mbit/s се използва същият метод като при скорост на трансфер от 1 Mbit/s, но за увеличаване честотна лентаканалът използва 4 различни фазови стойности (0, ), за да модулира фазово носещата.

Протоколът 802.11b използва допълнителни скорости на предаване от 5,5 и 11 Mbit/s. При тези побитови скорости допълнителните кодове ( CCK).

Wi-Fi използва метода за мрежов достъп CSMA/CA (вижте раздел „Проблеми на безжичните мрежи и решения“), който използва следните принципи за намаляване на вероятността от сблъсъци:

  • Преди една станция да започне да предава, тя съобщава колко дълго ще заема комуникационния канал;
  • следващата станция не може да започне предаване, докато не изтече предварително запазеното време;
  • участниците в мрежата не знаят дали техният сигнал е приет, докато не получат потвърждение за това;
  • ако две станции започнат да работят едновременно, те ще могат да разберат за това само от факта, че няма да получат потвърждение за приемане;
  • ако не бъде получено потвърждение, участниците в мрежата изчакват произволно време, за да започнат повторно предаване.

Профилактика, а не откриването на сблъсък, е основно в безжичните мрежи, тъй като, за разлика от кабелните мрежи, предавателят на трансивъра заглушава получения сигнал.

Форматът на рамката на ниво PLCP на модела OSI (Таблица 2.17) в режим FHSS е показан на фиг. 2.44. Състои се от следните полета:

  • „Синхронизиране“. - съдържа редуващи се нули и единици. Служи за регулиране на честотата в приемащата станция, синхронизира разпределението на пакетите и ви позволява да изберете антена (ако има няколко антени);
  • "Старт" - флаг за начало на рамката. Състои се от линия 0000 1100 1011 1101, която служи за синхронизиране на рамки в приемащата станция;
  • "P.L.W." - "Psdu Length Word" - "Дължина на думата на PLCP service data element", PSDU - "PLCP Service Data Unit" - PLCP подслой на данни; показва размера на рамката, получена от MAC ниво, в октети;
  • "Скорост" - показва скоростта на предаване на данни на рамката;
  • "KS" - контролна сума;
  • "MAC рамка" - рамка, получена от MAC слоя на OSI модела и съдържаща PSDU;

Форматът на рамката на ниво PLCP на модела OSI (Таблица 2.17) в режим DSSS е показан на фиг. 2.45. Полетата в него имат следното значение:

  • „Синхронизиране“. - съдържа само единици и осигурява синхронизация в приемната станция;
  • "Старт" - флаг за начало на рамката. Съдържа ред 0 xF3A0, който показва началото на прехвърлянето на зависими от физическия слой параметри;
  • "Сигнал" - показва вида на модулацията и скоростта на предаване на този кадър;
  • „Сервиз“ – запазено за бъдещи модификации на стандарта;
  • "Дължина" - показва времето в микросекунди, необходимо за предаване на MAC рамка;
  • "KS" - контролна сума;
  • "MAC рамка" - рамка, получена от MAC слоя на OSI модела и съдържаща PSDU;
  • "PLCP header" - полета, добавени на PLCP подслоя.

Комуникационният обхват на Wi-Fi зависи до голяма степен от условията на разпространение. електромагнитни вълни, тип антена и мощност на предавателя. Типичните стойности, посочени от производителите на Wi-Fi оборудване, са 100-200 m на закрито и до няколко километра на открито с помощта на външна антена и мощност на предавателя от 50...100 mW. В същото време, според германския седмичник Computerwoche, по време на състезанието за обхват на комуникация комуникацията е записана на разстояние от 89 км с помощта на стандартно Wi-Fi оборудване на стандарта IEEE 802.11b (2,4 GHz) и сателитни антени („чинии“ ). Книгата на рекордите на Гинес също записва Wi-Fi комуникация на разстояние от 310 км с помощта на антени, издигнати на голяма височина с помощта на балони.

Архитектура на Wi-Fi мрежа

Стандартът IEEE 802.11 установява три мрежови топологии:

При използване BSSстанциите комуникират помежду си чрез общ централен комуникационен център, наречен точка за достъп. Точка за достъпобикновено свързан към кабелна Ethernet LAN.

Разширена зона на обслужване се получава чрез комбиниране на няколко BSS V единна системачрез система за разпространение, която може да бъде кабелна мрежа Ethernet.

2.11.5. Сравнение на безжични мрежи

В табл 2.18 са обобщени основните параметри на трите разглеждани безжични технологии. Таблицата не съдържа данни за WiMAX, EDGE, UWB и много други стандарти, които не се използват широко в индустриалната автоматизация.

Таблица 2.18.Сравнение на три водещи безжични технологии

Параметър

Bluetooth/IEEE 802.15.1

ZigBee/IEEE 802.15.4

Wi-Fi/IEEE 802.11

Обхват

Скорост на предаване

723 Kbps

1...2 Mbit/s, до 54 Mbit/s

Макс. брой участници в мрежата

Неограничен

Консумирана мощност

Време за работа с две АА батерии

6 месеца в режим на готовност

Цена/Сложност (конвенционални единици)

Препредаване

DCF - не; PCF и HCF - да,

Основна цел

Комуникация между периферни устройства и компютър

Безжични сензорни мрежи

Безжично Ethernet разширение



Зареждане...
Топ