Mehhatroonikaseadmed
Euroopa struktuurfondide logo

 

TÖÖSTUSLIKUD SIDEVÕRGUD

Juhtimistasandi tööstuslikud võrgud; Informatsioonitasandi võrgud ; Tööväljavõrgud CANBUS ja MODBUS

Juhtimistasandi tööstuslikud võrgud

Juhtimistasandi tööstuslikud võrgud

Juhtimistasandi võrgud omavad olulist osa automaatsete juhtimissüsteemide struktuuris. Need esindavad tööstusliku juhtimishierarhia teist kihti ja on lõikumispunktiks kahele kõrvalasuvale tasandile. Sel tasandil viiakse läbi reaalajaline protsesside haldamine ning erinevat tüüpi kontrollerite, personaalarvutite, operaatorjaamade ning programmeerimis- ja diagnostikaseadmete konfigureerimine ja vastastikune andmete vahetamine. Siin toimuv infovoog koosneb peamiselt programmide, parameetrite, andmete ja kontrollerite juhtimisinfo vahetamisest. Eriti lühikeste masinaaegumistega (timeouts) protsesside puhul toimub infovoog tootmisprotsessiga samaaegselt ilma katkestusteta. Limiteeritud operatiivse salvestusega kontrollerite puhul on oluline ühe tootmistsükli ajal laadida alamprogramme, mis omakorda tekitab vajaduse sünkroniseerida tootmine ja infovoog. Juhtimistasandi kommunikatsioon on intensiivne väikeste ja keskmiste suurustega andmepakettidega side, mis esitab kõrgemad nõudmised täpsusele, müraimmuunsusele ja etteennustatavusele. Need iseloomulikud omadused on tingitud sellest, et suurem osa edastatavatest andmetest on loodud reaalajaliseks protsesside juhtimiseks. Juhtimistasand ühendab sisend/väljund andmevahetusfunktsioonid ja võrdõiguslikud ühendused individuaalsete programmeeritavate kontrollerite, detsentraliseeritud juhtimissüsteemide ning kasutajaliidesena (Human Machine Interface, HMI), möödunud sündmuste arhiividena ja järelvalve teostamiseks kasutatavate arvutite vahel. Sel moel saavutatakse kõrge sidekiirus kõigi seadmetega, mis omavad otsest ligipääsu informatsioonile. Lisaks võimaldavad selle tasandi võrgud mitmete loogikajuhtimise, signaliseerimise ning blokeerimise jaoks tsükliliste ja diskreetsete juhtimisstruktuuride kaasamist. See võimaldab oluliselt vähendada juhtmeühendusi ning sarnase standardi raamides kasutada erinevate tootjate poolt toodetud funktsionaalseid blokke. Võrgud põhinevad tootja-tarbija kommunikatsioonimehhanismil. See võimaldab võrgukandja efektiivset kasutamist  ja võrguliikluse vähendamist, kuna andmed edastatakse ühekordselt ja kõik sõlmed võivad sõnumit kasutada sõltumatult tarbijate arvust. Võrku on võimalik lisada teisi seadmeid ilma võrgu sünkroniseerimist ja andmete, mida edastatakse samaaegselt kõigile punktidele, kahjustamata. Juhtimistasandi võrgud hõlmavad veel järgmisi spetsiifilisi omadusi:

  • Võrguside determinism;
  • Kõrge kiirusega andmeedastuse võime (5-12 Mb/s);
  • Paindlik sisend/väljundandmete juhtimine;
  • Lihtsustatud programmeerimine ja automaatne võrgu konfigureerimine;
  • Erinevate tootjate poolt toodetud sisend/väljundseadmete ja programmeeritavate kontrollerite kasutamine.

Juhtimistasandi tööstuslikud võrgud leiavad rakendust avatud juhtimissüsteemides, kuna pakuvad paindlikke lahendusi tootmise installeerimise ja töötamise protsessis. Sellistele spetsifikatsioonidele vastavad näiteks ControlNet ja Profibus ning veel sagedamini kasutatav Ethernet/IP.

ControlNet võrgu spetsifikatsioon

ControlNet on võrk, mis on välja arendatud võrgusidega automaatsete juhtimissüsteemide juhtimistasandi ja kiirete reaalajaliste rakenduste nõudmiste rahuldamiseks. See on avatud sideprotokoll ja üldise tööstusliku protokolli (Common Industrial Protocol, CIP) rakendus, nagu ka DeviceNet. Kuni 2008. aastani hooldas ControlNeti organisatsioon ControlNet International, mis on ControlNet tehnoloogia müüjate, levitajate ja tarbijate assotsiatsioon. 2008. aastast alates võttis selle rolli üle Open DeviceNet Vendors Association (ODVA). Pilt 7.1 esitab ühendust CIP, ControlNet ja OSI mudeli vahel. ControlNet võrk kasutab samaaegse hulgipöörduse (Concurrent Time Domain Multiple Access, CTDMA) meetodit, kus seadmed edastavad andmeid iga võrguintervalli jooksul ja võrguliiklus on rangelt määratud täpsete ajahetkedega.

ControlNeti füüsiline tasand kasutab RG-6 tüüpi koaksiaalkaablit (mille segmendipikkus võib olla kuni 1000;m) ja BNC konnektoreid. Sellisel viisil kasutatakse odavat installatsiooni tehnoloogiat, mille omadusteks on head elektromagnetiline ühilduvus,suur erinevate tootjate tugi ja rakendatava erinevates rakendustes. Optilisi kaableid kasutatakse võrgu segmentide laiendamiseks maksimaalse pikkuseni kuni 30 km ja elektromagnetiliste häirete eest kaitsmiseks. Andmeedastuse kiirus on 5;Mb/s ja andmete kodeerimiseks kasutatakse Manchesteri tüüpi bitte.

Andmepaketid sisaldavad ka 16-bitist lisavälja vigade tuvastamiseks. See spetsifikatsioon säilitab liini niinimetatud kuuma reservi. Kõik seadmed on ühendatud võrku kahe kaabli abil ja kuulavad püsivalt signaali. Seadmed kasutavade seda liini, mis pakub parema kvaliteediga signaali.

ControlNet on sobiv rakendustele, mis nõuavad determinismi, tootlikust, suure andmehulga edastamist, sisend/väljund andmete edastamist suurtel distantsidel ja sünkroniseeritud juhtimist. ControlNet võrkusid kasutatakse näiteks erinevates koordineeritud elektriajamite, liikuvate objektide, suurte andmehulkade, hulga loogikakontrollerite ja kasutajaliidestega protsesside juhtimissüsteemides.

Pilt 7. 1. ControlNet võrgu spetsifikatsioon [64]

ControlNet võrkude topoloogia

 ControlNet võrgud kasutavad erinevaid topoloogia tüüpe, sealhulgas lineaarne, puu, ring ja nende kombinatsioone. Üldiselt rendib ControlNet magistraalliini, mille külge on ühendatud individuaalsed sõlmed ühe meetri pikkuste väljundliinide (dropline) ja ühendusseadmete abil. Sõlmede aadressid ControlNeti võrgus on vahemikus 0..99. Tavaliselt on kahe sõlme vaheline tegutsemispikkus kuni 1000 m, 48 sõlme puhul on see 250 m kuni 25;km, juhul kui lisatud on repiiterid ja mitmed võrgusegmendid on lingitud.

Pildid 7.2, 7.3 ja 7.4 esitavad mõnda ControlNeti puhul enamkasutatavaid topoloogiaid.

Kirjeldus: fig7

Pilt 7. 2. ControlNet võrkude topoloogia - liin [64]

Kirjeldus: fig7

Pilt 7. 3.ControlNet võrkude topoloogia - täht [64]

Kirjeldus: fig7

Pilt 7. 4. ControlNet võrkude topoloogia - ring [64]

Kanalikihis kasutab ControlNet CTDMA meetodid, kus absoluutne aeg on jagatud korduvateks intervallideks – võrgu värskendamisajaks (Network Update Time, NUT) (pilt 7.5). Võrgu värskendamisaja (NUT) pikkus on võimalik seadistada vahemikus 2 ms kuni 100 ms. Igas NUTis on aeg jagatud kolmeks intervalliks:

Plaaniline (scheduled) – täidab kriitilised aegsõnumeid (planeeritud teenus);

Planeerimata (unscheduled) interval – täidab mittekriitilist informatsiooni (planeerimata teenus);

Kaitsevahemik (guardband) – täidab võrgu hooldusteenust.

7.5

Pilt 7. 5. ControlNet CTDMA kanalikihid

Siinile ligipääs toimub pöördalgoritmi alusel, kus luba edastatakse igas NUT intervallis. Kõik sõlmed sünkroniseeritakse pidevalt, mis võimaldab neil „teada“, millal neil on lubatud ligipääs võrgukandjale oma andmete edastamiseks. Loa rotatsioon töötab ringluse printsiibil liikudes kõige madalamast kõige kõrgema konfigureeritud sõlme aadressini (SMAX, UMAX) ning uue NUT intervalli puhul algab luba rotatsioon otsast peale. Kui mingi sõlm ei saa ligipääsuluba, siis järgmine kõrgema aadressiga (MAC ID) sõlm edastab oma andmed peale ajaintervalli möödumist. Kui puuduv sõlm uuesti aktiveeritakse, sünkroniseeritakse see automaatselt edastusliiniga ilma võrgu funktsionaalsust mõjutamata. Kui mingil sõlmel ei ole andmeid edastamiseks, kannab see üle lühikese kaadri, mis identifitseerib tema tegevusi. Reaalajas andmeid edastavate sõlmede jaoks on ControlNetis planeeritud kindel ajahulk (pilt 7.6). See planeeritud intervall on igas NUT kaadris määratud vastavalt rakenduse nõudmistele. Ülejäänud andmete ülekandeaega kasutatakse mitte-ajakriitilise informatsiooni vahetuseks (pilt 7.7) See planeerimata intervall ei ole reserveeritud individuaalsete sõlmede jaoks, kuid seda kasutatakse vajadusel. Selle intervalli jooksul edastatud andmed ei mõjuta kommunikatsiooni planeeritud intervallis, siiski omab see maksimaalset kohaletoimetamise aega. Enne NUTi lõppu on planeeritud ajaintervall, mida nimetatakse kaitsevahemikuks ja kasutatakse sõlmede sünkroniseerimiseks. Sel ajal saadab kõige madalama aadressiga sõlm kaadri andmetega, mida nimetatakse „moderaatorkaader“ mis sünkroniseerib ülejäänud võrgusõlmed. Selles sõlmes hoitakse spetsiaalset objekti – see on valvurobjekt (keeper object), milles on salvestatud võrgu.

ControlNet on palju kiirem ja võimeline edastama palju suurema andmehulga, kui DeviceNet. Sel eesmärgil kasutatakse ControlNet’is võimsamaid protsessoreid kui DeviceNet’is, mis võimaldavad juurdepääsu suuremale adresseeritavale alale. Seetõttu paljud DeviceNet'ile omased piirangud ei kehti ControlNet’i tüüpi võrkudele.

7.6

Pilt 7. 6. ControlNet CTDMA

7.7

Pilt 7. 7. ControlNet CTDMA

ControlNet võrkude seadmete klassid

  • Konkreetsete sõnumite serverid - seadmed, mis vastavad ainult konkreetsetele sõnumitele;
  • Sisend/väljundsõnumite serverid - nimetatakse ka adapteriteks. Kui sellised seadmed on loonud sisend/väljundühenduse, on nad võimelised saatma hulga erineva iseloomuga sõnumeid;
  • Adapterid konkreetse sõnumi klientidega   tuntakse ka kui skännijaid. Need seadmed täidavad sisend/väljund klient/serveri ja konkreetse sõnumi klient/serveri funktsioone.

CIP rakendus ControlNet’is

ControlNet kasutab kõrgemates võrgukihtides CIP funktsionaalsust, võimaldades sellega efektiivsemat seadmetevahelist andmete ülekannet võrreldes mõnede teiste kõrge andmeedastuskiirusega võrkudega. Kommunikatsioonimeetodid on kas võrdõiguslikud või multilevi. Erinevate transpordiklasside kasutamine võimaldab andmepakettide dubleerimise tuvastamist, (vastuvõtu) kinnitamist, samuti sõnumi kontrollimist ja tükeldamist. ControlNet kasutab lisaks CIP standardsetele objektidele kolme lisaobjekti:

  • ControlNet Object – sisaldab ühenduse sideparameetreid;
  • ControlNet Keeper Object - sisaldab võrgu struktuuri ja konfiguratsiooni informatsiooni;
  • ControlNet Scheduling Object - sisaldab ajakriitiliste sõnumite informatsiooni.

Informatsioonitasandi võrgud

Informatsioonitasandi võrkude üldised omadused ja nõuded

Informatsioonitasand hõivab võrgusidega automaatse juhtimissüsteemi hierarhias kõige kõrgema kihi. Selle tasandi süsteeme kasutatakse ärilise info vahetamiseks ja haldamiseks. Kõik olulised tootmisprotsesse puudutavad parameetrid kogutakse ja arhiveeritakse andmebaasis, kuna see on vajalik juhtimisotsuste tegemiseks. Informatsioonitasandi võrkusid iseloomustab kõrge läbilaskevõime (kandemaht), need võrgud on mõeldud suurte andmemahtude vahetamiseks. Neile iseloomulikud probleemid on enamjaolt seotud:

  • Edastatava informatsiooni kiiruse ja hulga optimeerimisega;
  • Ülekantavate andmete turvalisusega;
  • Andmekaitse autoriseerimata ligipääsu eest;
  • Ühtse lähenemise puudumine tööstusliku automatiseerimise rakenduskihi defineerimisel. Terve hulga võrkude lahendusi on kokkusobimatud, kuna need erinevad sidesüsteemi arhitektuuri, rakenduskihi protokollide, objekt-orienteeritud modelleerimise ja süsteemide konfiguratsioonimudelite poolest.

Kõige laialdasemalt kasutatavaks võrguks selle tasandi kaasaegsetes süsteemides on Ethernet. Ethernet’i tüüpi LAN ja WAN võrkude kasutamine ja Interneti kiire areng on olulised põhjused, miks tööstuslikus automatiseerimises ollakse huvitavad Ethernet’ist ja TCP/IP/UDP-st. Kiire Ethernet, programmeeritavad kommutaatorid ja täis-dupleks side rakendamine võimaldab sel tasandil seada üles järjest efektiivsemaid informatsiooni ja juhtimissüsteeme. Tööstuslikus automatiseerimises kasutatavat Ethernet’i standardversiooni kutsutakse tööstuslikuks Ethernetiks (Industrial Ethernet). Mitmed organisatsioonid on ühendanud jõud, et arendada välja üldine tööstusliku Etherneti protokoll. Siiski iseloomustab nende organisatsioonide lahendusi operatsioonide ühildamatus. Mõned populaarsed spetsifikatsioonid (võrgud) on:

  • Ethernet / IP (Open DeviceNet Vendor Association);
  • Foundation Fieldbus High-Speed Ethernet (Foundation Fieldbus);
  • Interbus on Ethernet (Interbus Club);
  • Open Modbus (Modconnect);
  • Profinet 1.0 / 2.0 (Profibus User Organization);
  • IDA (IDA Group).

Informatsioonitasandi võrkude reaalajaline toimimine

Mõned kõige olulisemad põhjused, miks Ethernet ei ole võimeline tagama ajaintervalli, mille jooksul süsteem peaks vastama välisele sündmusele, on:

  • Suuri andmekirjeid vahetavad seadmed blokeerivad teiste sõlmede (seadmete) ligipääsu võrgule määramatuks ajaks;
  • Kahe või enama seadme samaaegsel andmeedastusel tekivad kokkupõrked, mis tõkestavad liikluse kõigisse seadmetesse. Mida suurem arv seadmeid võrgus, seda suurem on tõenäosus kokkupõrgeteks;
  • Puudub võimalus eristada kõrge ja madala prioriteediga liiklust;
  • Puudub garantii minimaalse viitega ühenduskanali loomiseks reaalajalise andmevahetuse eesmärgi jaoks;
  • Sagedusriba on jagatud kontrollimatult, mistõttu tekib vajadus kasutada arbitreerimist.

Informatsioonitasandi võrkudes kasutatavad seadmed

  • Suured juhtarvutid, mis võimaldavad juhtida suuri andmehulki ja keerulisi arvutusülesandeid. Need on võimelised haldama sadu ja tuhandeid kasutajaid;
  • Operaatortööjaamad ja kasutajaliidesed;
  • Sisend/väljundmoodulid ja adapterid;
  • Programmeeritavate kontrollerite protsessorid, robotid ja süsteemid.

Informatsioonitasandi võrkude topoloogia

  • Informatsioonitasandit iseloomustab täht-topoloogia kasutamine (pilt 8.1), mis hõlmab kakspunkt-ringis kommutaatoriga ühendatud seadmete gruppe, kindlustades sellega järgmised asjaolud:
  • Võrgus olevad sõlmed säilitavad kommutaatorite abil sobitatud andmeedastuskiiruse 10/100/1000 Mbit/s ;
  • Kasutada lihtsustatud struktuuriga kaabeldust, kerge hooldamine ja diagnostika.

Informatsioonitasandi andmevahetuse tüübid

Informatsioonitasandil kasutatakse järgmisi peamisi andmevahetustüüpe:

Kirjeldus: fig-8

Pilt 8. 1. Informatsioonitasandi täht-topoloogia kasutamine [64]

Üldise iseloomuga andmete vahetamine:

  • Kasutatakse suurte kirjete puhul, mis ei ole ajakriitilised;
  • Andmevahetus toimub läbi lühikese elueaga konkreetsete ühenduste;
  • Andmepaketid edastatakse TCP/IP protokolli abil ja kasutatakse selle spetsiifilisi töötlemisfunktsioone.

Sisend-väljundandmed:

  • Andmevahetus toimub väikeste ajakriitiliste andmepakettidega läbi pikaelueaga kaudsete ühenduste;
  • Andmepaketid edastatakse UDP/IP protokollide abil, mille peamiseks eeliseks on UDP suur läbilaskevõime.
  • Reaalajaline sünkroniseeritud tsükliline andmevahetus:
  • See sünkroniseerib tsüklilist andmevahetust masina/tootja ja suvalise hulga tarbijate vahel;
  • Andmepaketid edastatakse UPD protokolli abil.

Ethernet võrguspetsifikatsioon

Ethernet on Xeroxi, Digitali ja Inteli poolt välja töötatud võrguarhitektuur, mis on leidnud laialdast rakendamist kaasaegsetes arvutivõrkudes. Füüsiliselt on see konfigureeritud kui siin või täht ja kasutab ligipääsu edastusmeediumile (CSMA/CD). Etherneti puhul „võistlevad“ seadmed autoriseerimisel, et andmeid edastada. See arhitektuur jaguneb tegutsemiskiiruse järgi:

Ethernet andmeedastuskiirusega kuni 10 Mbit/s;

Kiire Ethernet, mis töötab kiirusega 100 Mbit/s;

Gigabit Ethernet, mille kiiruse maht on üle 1 Gbit/s.

Standardne Ethernet süsteem töötab edastuskiirusel 10 Mbit/s ja on koostatud IEEE 802.3 standardis kirjeldatud neljast linkimissegmendist. (pilt 9.1)

Pilt 9.1. Etherneti linkimistasandid

IEEE identifikatsioon näiteks „10BASE-T“ sisaldab kolm informatsioonisegmenti. Esimene neist, „10“, tähistab meediumi kiirust, see on 10 Mb. Sõna „BASE“ esitab signaalile omase põhiühenduse iseloomu. Segmendi tüüpi või selle pikkust näitab kolmas identifikatsiooni osa. Paksu koaksiaalkaabli puhul näitab „5“ segmendi maksimaalset pikkust. Peene koaksiaalkaabli puhul näitab „2“ 200 m või pigem 185 m pikkust ühe segmendi kohta. Tähed „T“ ja „F“ tähistavad andmeedastusmeediumt, milleks on keerdpaar juhe ja valguskiudu. Keerdpaar juhe on kõige enam kasutatud meedium arvutite kokku ühendamiseks.

Tabel 9.1. 10 Mbit/s Etherneti omaduste kokkuvõte

Kiire Ethernet (100 Mb/s)

 

10Base5

10Base2

10BaseT

10BaseF

10Broad36

Sidemeedium

koaksiaalkaabel DB15

Koaksiaalkaabel RG-58/U (50Ω)

Kaks paari UTP kategooria 3/4

Paar optilisi fiibreid
(λ=850 nm)

Koaksiaalkaabel RG-6
75Ω

Kaabli diameeter

~13 mm

~6mm

0, 4 – 0, 6 mm

62,5/125 mm

0,4 – 1,0 mm

Konnektorite tüüp

AUI

BNC

RJ-45, MDI või MDI-X

ST või SC

 

Andmeülekanne, kodeerimise viis

Otsene, Manchester

Otsene, Manchester

Otsene, Manchester

Oysene
Manchester

Moduleeritud ülekanne

Füüsiline topoloogia

Siin/puu

Siin/puu

täht

täht

Siin/täht

Maksimaalne segmendi pikkus

500 m

185 m

100 m (jaoturist sõlmeni)

2000 m (kontsentraatorist sõlmeni)

1800 m

Sõlmede arv segmendis

100. segasegment

30, segasegment

1024 (kogu võrgus), kakspunkt

1024 (kogu võrgus), kakspunkt

 

Maksimaalne kaetud ulatus

2500 m (4 repiiteriga)

925 m (4 repiiteriga)

500 m

2 km

3600 m

Eelised

Sobilik põhivõrgu jaoks

Madal hind

Lihtne hooldada

Sobilik hoonete vahel kasutamiseks

Pakub maksimaalset ulatust

 

1995. aasta juunis tutvustati 802.Зu (Fast Ethernet), mis võimaldab andmeedastuskiirust kuni 100 Mbit/s. Standardist on erinevaid versioone, mille omadused on toodud tabelis 9.2.

Tabel 9.2 Fast Ethernet

 

100BaseTX

100BaseFX

100BaseT4

Sidemeedium

kahe paariga STP või UTP kategooria 5

Kiudoptiliste kiudude paar

neli paari UTP kategooria 3/5

Maksimaalne kaugus kontsentraatorist sõlmeni

100 m

2000 m

100 m

Eelised

Täis-dupleks kiirusega 100 Mbit/s

Täis-dupleks kiirusel 100 Mbit/s + suuremad kaugused

Kasutab kaablit UTP kategooria 3

 

100ВаsеТХ standardi puhul kasutatakse keerutatud kahepaarilist juhet (üks vastuvõtmiseks ja teine ülekandmiseks) sõlme ühendamiseks kontsentraatoriga. Samal eesmärgil kasutatakse 100ВаsеFХ standardis ainult ühe keerdpaariga kiudoptilist kaablit. 100ВаsеТ4 standard arendati suurema kiirusega andmeülekannete hõlbustamiseks telefonikaablite (UTP kategooria 3) kaudu; selleks on vaja kasutada neli juhtmepaari.

Ülikiire Ethernet (Gigabit Ethernet)

1998. aasta juunis tutvustati 802.3z standardit kiudoptilise kaabli jaoks ja 1999. aasta märtsis võeti kasutusele 802.Заb UTP kategooria 5 kaabli jaoks. Need standardid võimaldavad andmeülekannet kiirusel 1 Gbit/s. Gigabit Ethernet standard on kombinatsioon 802.3 ja ANSI X3T11 fiiberkanali (Fibre Channel) standarditest. Tabelis 9.3 on esitatud erinevate standard Gigabit Etherneti versioonide omadused.

Tabel 9.3

 

1000BaseCX (802.3z)

1000BaseT (802.3ab)

1000BaseSX (802.3z)

1000BaseLX (802.3z)

Sidemeedium

150 tasakaalustatud STP kaabel (uut tüüpi kaabel)

UTP kaabel, kategooria 5

Paar optilisi multimoodkiude

Paar optilisi multimoodkiude

Maksimaalne kaugus kontsentraatorist sõlmeni

25 m

100 m

500 m

3 km

Eelised

Halli suuruses

Külgnevate hallide ulatuses

Ehitise põhivõrguna

Ehitistevahelise põhivõrguna

 

Ülekandemeedium

LAN kaablite hulgas on kõige populaarsemaks ülekandemeediumiks UTP (varjestamata keerdpaar) kaabel, mille abil saavutatakse võrreldes koaksiaalkaabliga kõrgem andmeedastuskiirus (tabel 9.4).

UTP kaableid toodetakse vastavalt nende funktsioonile ja kõrgele andmeedastuskiirusele erinevate arvutivõrgu kategooriate tarbeks. Juhtmetevaheliste häirete vähendamiseks/vältimiseks toimub transpositsioon; selle ideeks on see, et häire tekitab juhtmepaarides (faasis ja nullis) identsed voolud, mis neutraliseerivad üksteist. Samal põhjusel on igal paaril jooksvameetri kohta erinev transpositsioonide arv. Paarid märgistatakse erinevates värvides ja kaks värvimustrit on standardiseeritud: EIA/TIA T568A ja T568B.

Kaablid ühendatakse kahe mustri abil: “otse läbi“ ja “risti“. Kui mõlema kaabliotsa juhtmed on paigutatud rea A või B järgi, siis on kaabel otse. Kui ühes otsas on rida A ja teises B, siis on kaabel risti. Otsekaablite puhul on ühendus kas arvuti-kommutaatori või arvuti-jaoturi vahel, samas ristikaablite puhul on ühendus arvuti-arvutiga, kommutaator-kommutaatoriga või jaotur-jaoturiga.

Tabel 9.4


Jalg

TIA/EIA 568B

TIA/EIA 568A

JALG1

oranz-valge

roheline-valge

JALG2

oranz

roheline

JALG3

roheline-valge

oranz-valge

JALG4

sinine

sinine

JALG5

sinine-valge

sinine-valge

JALG6

roheline

oranz

JALG7

pruun-valge

pruun-valge

JALG8

pruun

pruun

 

Kirjeldus: straight_through_cable.jpg

Kirjeldus: rollove_cable.jpg

 

 

Kirjeldus: RJ45

FL kaabli nimetuses (100BaseFL) tähendab „kiudlink” (fiber link). Neid kaableid kasutatakse moduleerimata signaalide edastamiseks mööda fiiberoptilist kiudu, mis kasutab nullide ja ühtede edastamiseks valgusimpulsse elektriliste signaalide asemel. Erinevalt vaskjuhtmekaablitest on need suure distantsiga andmeülekandel häirete ja signaalitugevuse kadude kindlad. FL märgistust kandev kaablisegment võib olla kuni 2000 m pikk.

Kommunikatsiooniprotokollid

Kommunikatsiooniprotokoll on reeglitekogum, mis juhib kahe identse ühel funktsioonitasandil oleva võrgusõlme vahelist dialoogi. Need reeglid määravad liidestamise ja ühenduse vabastamise protseduurid, andmete formaadid, andmeblokkide edastamise järjekorra, vigadest taastumise protseduurid jne. Sideprotokollid (kommunikatsiooniprotokollid) viivad läbi andmete transportimise ja marsruutimise integreeritud võrgus ja pakuvad erinevat tüüpe teenuseid füüsilisel ja loogilisel tasandil. Sõlmede asukoha määramiseks kasutatakse meediumpöörduse juhtimise aadressi (Media Access Control, MAC). See aadress koosneb 6 baidist ja on esitatud kuueteistkümnendsüsteemis, näiteks 00:13:D4:8A:5D:83.

Esimesed kolm aadressibaiti vastavad tootja unikaalsele identifikaatorile ja neid jagab IEEE. Kolm viimast aadressibaiti tähistab tootja vastavalt oma reeglitele.

Ethernetis jagatakse andmed jpakettidesse ja edastatakse kaadritena.

Ethernet-i kaadreid on erinevates formaatides:

  • Versioon I (ei ole enam kasutusel);
  • Ethernet Versioon 2 ehk Ethernet-kaader II, kutsutakse ka DIX (selle algsete arendajate DEC, Intel, Xerox esitähtedest koosnev lühend);
  • Novell – IEEE 802.3 sisemine modifikatsioon ilma loogilise lüli juhtimiskihita (Logical Link Control, LLC);
  • Kaader IEEE 802.3 LLC;
  • Kaader IEEE 802.2 LLC/SNAP;
  • Kaader IEEE 802.12 mis vastab formaadile 100VG-AnyLAN.

Etherneti kaadri pikkus võib olla 64 kuni 1518 baiti, kuna kaadrisse sisestatud teenuseinformatsiooni suurus on minimaalselt 18 baiti. Sel põhjusel saab andmeid ühes Etherneti kaadris olla  46 kuni 1500 baidini. Võrkudes kasutatakse kaht mõningaste formaadierinevustega Etherneti kaadrit: Ethernet II DIX kaader ja IEEE 802.3/LLC kaader, viimane on laialdasemalt kasutatud.

Andmepaketi ülekande ajal „näeb“ iga Etherneti võrgusõlm paketti. Saatja ja saaja info sisaldub Etherneti protokollis sõnumile lisatud päises. See sõnum võib olla „leviedastus“-tüüpi ehk mõeldud kõigile. Iga Etherneti andmepakett sisaldab päist, milles on kirjas Etherneti algus- ja lõppaadress, kasutatud võrguprotokolli tüüp ning see, millisele protokollile tuleb pakett edastada töötlemiseks.

Ethernet II DIX Kaader

64 bitti

48 bitti

48 bitti

16 bitti

368 kuni 12000 bitti
(46 kuni 1500 baiti)

32 bitti

Eelsignaal

Individuaalse/
Grupi aadressi bitt

Sihtaadress

Lähteaadress

Tüüp

Andmed

Kaadri kontrollnumber

IEEE 802.3 Kaader

56 bitti

8 bitti

48 bitti

48 bitti

16 bitti

368 kuni 12000 bitti
(46 kuni 1500 baiti)

32 bitti

Eelsignaal

SFD

Individuaalse/
Grupi aadressi bitt

Globaalselt/
lokaalselt administreeritud aadressi bitt

Siht-aadress

Lähte-aadress

Pikkus

LLC/
Andmed

Kaadri kontroll-number

 

Pilt 9.2

Aadressiteisenduse protokoll (Address Resolution Protocol, ARP) ja RARP-protokoll (Reverse Address Resolution Protocol)

Kohtvõrkude konfiguratsioonis sisalduvate tööjaamade vahel võrguühenduste rakendamise puhul on üheks suuremaks probleemiks võrgu ja kanali aadressidevaheline interaktsioon. Globaalne andmeülekanne käib üle võrguaadressi, samal ajal kui võrgupakett edastatakse lokaalsesse võrku vastavalt spetsiifilise kanali protokollile (aadressile).

ARP protokolli kasutatakse kohtvõrgu seadmetele omistatud IP-aadresside ja MAC-aadresside vastavustabeli loomiseks. See tabel võimaldab luua andmeedastusmeediumil põhineva võrguühenduse kohtvõrgus (LAN), näiteks IEEE 802.3 Ethernetil. Kui sihtmärgi IP-aadress on teada, on ARP tabelist vaja eraldada vastav MAC-aadress, et luua võrguühendus. Juhul, kui sellist seost ARP tabelis ei leita, siis saadetakse IP datagramm sihtmärgi aadressiga soovitud sihtaadressile, mis on pakitud leviedastuse MAC-kaadrisse. See kaader jõuab kõigini võrgus asuvate MAC-aadressideni; see jõuab ka selle tööjaamani, mille IP-aadressiks on sihtmärgi IP-aadress. Tööjaam kinnitab datagrammi, kuna kanalikihis on moodustatud kaader kanali sihtaadressiga, võrguühenduse algataja aadressiga, lähtekanali aadressiga ja kutsutud MAC aadressiga. Kinnitus jõuab algatanud tööjaama ja selle ARP tabel uuendatakse puuduva MAC aadressiga, luues sellega võimaluse kasutada MAC edastusmeediumil põhinevat võrguühendust. Vaata pilti 9.3.

93

Pilt 9.3. Aadressiteisenduse protokoll [64]

RARP protokoll on funktsionaalsuselt ARPi vastand. Selle protokolliga lahendatakse vastupidine ülesanne, et teadaoleva MAC-aadressi abil leida sellele vastava IP-aadress. Sarnase lähenemisena saadetakse leviedastuse IP-datagramm võrgutasandil ja selle kinnituseks saadakse vastava IP aadress. Vaata pilti 9.4.

94

Pilt 9.4. RARP protokoll [64]

TCP/IP protokollid

Edastusohjeprotokoll / internetiprotokoll (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol, TCP/IP) on Etherneti võrgu baasprotokoll. TCP/IP on võrkudes kasutataval tarkvaral põhinev sideprotokoll. See on kombinatsioon kahest protokollist: TCP ja IP, ning pakub andmete edastamise meetodit ühest arvutist teise.

TCP on andmeedastusprotokoll ja funktsioneerib transpordikihil, määrates viisi, kuidas informatsioon tuleks andmepakettideks jagada ning edastada mööda kommunikatsioonikanalit. TCP juhib andmevoogu ja parandab andmeedastusvigu. See paigutab andmepaketid vajalikku järjekorda ja nende ülekande ajal kontrollib iga andmepaketti, et neis ei oleks tekkinud vigu.

TCP/IP mudel sisaldab 4 funktsionaalset tasandit (pilt 9.5):

  • Võrguaadress;
  • Internet;
  • Punkt-punkt;
  • Protsess/rakendus.

Neil kihtidel on nõrk ühendus OSI mudeli seitsme kihiga ilma nende funktsionaalsuse ohustamiseta.

Pilt 9.5. OSI ja TCP/IP kihid

Pilt 9.6. TCP protokoll [65]

TCP võimaldab ühendusest sõltuvat andmevahetust ühe või mitme seadme vahel, see on võimeline haldama andmevoogusid, võimaldab veajuhtimist ning pakettide ümberpaigutamist, kui need saabuvad juhuslikus järjestuses. TCP segmendi ülekanne käib Interneti datagrammide formaadis. Päise andmeblokk sisaldab erinevaid andmeväljasid, sealhulgas paketi saatja ja saaja aadress. TCP päise bloki formaat on toodud pildil 9.6.

TCP päise blokk sisaldab minimaalselt 20 oktetist ja sisaldab järgmisi välju:

  • TCP lähteport (16) – sisaldab pordinumbrit, mis alustas kommunikatsioonijada. Allika port ja IP aadress moodustavad paketi vastusaadressi;
  • TCP sihtkoha port (16) – sisaldab pordinumbrit, millele informatsioon on mõeldud. See port sisaldab vastuvõtva arvuti rakenduse liideseaadressi, millele informatsioon on mõeldud. See port sisaldab vastuvõtva arvuti rakenduse liideseaadressi, kuhu selle paketi andmed edastatakse;
  • TCP järjekorranumber (32) – sisaldab vastuvõtva arvuti poolt kasutatavad järjekorranumbrit tükeldatud andmete algsesse formaati rekonstrueerimisel. Dünaamiliselt marsruuditud võrgus on täiesti võimalik, et osad paketid on läbinud pikema vahemaa, kui teised ning jõuavad kohale alles peale neid pakette, mis edastati hiljem. Seda välja kasutatakse jadamisi toimetamise kompenseerimiseks;
  • TCP jaatusnumber (32) – TCP kasutab seda 32-bitist välja järgmises prognoositavas segmendis sisalduvate andmete esimese okteti jaatuseks. TCP arvutab selle numbri, suurendades eelmise okteti numbrit iga TCP segmenti oktetti numbri võrra. Iga jaatusnumbri identifitseerimiseks kasutatav number on jaatuspaketi järjekorranumber.
  • Andmenihe (offset) (4 bitti) – see väli sisaldab TCP päise suurust 32-biti sõnadena mõõdetuna;
  • Reserveeritud 6-bitine väli – reserveeritud tuleviku kasutuseks;
  • Lipud (6 bitti) – sisaldab kuut ühebitist lippu, mis võimaldavad juhtida funktsioone: kiire väli, olulise välja jaatus, ühenduse lähtestamine, jada sünkroniseerimine, andmeedastuse lõpetamine;
  • Akna suurus (16 bitti) – kasutatakse vastuvõtja poolt allikale TCP segmendist vastu võetava andmehulga  näitamiseks;
  • Kontrollsumma (16 bitti) – see väli sisaldab kontrollsummat veakontrolli jaoks. Allikas arvutab segmendi sisust sõltuva kontrollsumma. Vastuvõtja teeb sama arvutuse. Kui sisu on saabunud puutumatult, on mõlema arvutuse vastus identne, mis tõestab andmete kehtivust.
  • Lisa – sellele väljale lisatakse nullid, et TCP päis oleks alati jagatav 32 bitiks.

Kasutajadatagrammi protokoll (User Datagram Protocol, UDP)

UDP on üks kahest transpordikihi protokollist, mida kasutatakse TCP/IP protokollide pinus. UDP võimaldab rakendusprogrammidel edastada nende sõnumeid mööda võrku minimaalsete nõudmistega seoses protokollide transformatsiooniga rakenduse tasandilt IPle. Rakendusprogramm ise tuvastab sõnumi vastuvõtmise.

Pilt 9.7. UDP protokoll [65]

UDP protokolli päisel on järgmine struktuur (pilt 9.7):

  • UDP allikaport (16 bitti) – sisaldab allikaarvuti pordi numbrit. Nii port kui ka allika IP aadress moodustavad paketi vastusaadressi;
  • TCP sihtkoha port (16 bitti) - sisaldab selle pordi numbrit, kuhu info on mõeldud. See port sisaldab vastuvõtva arvuti rakenduse liideseaadressi, kuhu selle paketi andmed edastatakse;
  • UDP kontrollsumma (16 bitti) – sisaldab kontrollsummat. Allikas arvutab kontrollsumma segmendi sisu põhjal. Vastuvõtja sooritab sama kalkulatsiooni. Kui sisu on saabunud puutumatult, peaksid mõlema kalkulatsioonid tulemused olema identsed ja see tõestab andmete kehtivuse.
  • UDP sõnumi pikkus (16 bitti) – see väli informeerib vastuvõtjat sõnumi pikkusest, pakkudes sellega lisamehhanismi sõnumi kehtivuse kontrollimiseks.

Päise pordid määravad UDP protokolli kui multiplekseri, mis võimaldab sõnumite kogumist rakendustest ja saadab neid protokollitasandil. Võrgu kaudu vastastikku toimivad rakendused võivad kasutada erinevaid porte – see fakt ilmneb paketi päisest. TCP ja UDP kasutavad sokli numbri identifikaatoreid usaldatavaks informatsioonivahetuseks  protokollidega ja „kõrgema“ tasandi teenustega – pilt 9.8.

Pilt 9.8. TCP ja UDP kasutavad sokli numbri identifikaatorid

Porte/sokleid kasutatakse võrguühenduse multipleksimiseks.

Võrgurakendused on arendatud portide jagamiseks tuntud ringluse tingimustes, mis on defineeritud RFC 1700 soovitustes. Näiteks, eemalasuva terminali ligipääs (rakenduse teenus TELNET) on realiseeritud standardiseeritud porti 23 kasutades. Andmevahetussessioonid, mille jaoks ei ole numbreid määratud, realiseeritakse pordinumbri juhusliku valimise põhjal kasutamata portide hulgast siis, kui päring saabub.

TCP ja UDP portide jagamine on toodud pildil 9.9.

Mõned pordid on reserveeritud nende kahe protokolli poolt ja rakendused ei saa neid porte kasutada. Portide jagamise põhimõte on järgmine:

  • Pordid numbritega kuni 255 on üldiseks kasutamiseks;
  • Pordid numbritega 256 kuni 1023 on mõeldud süsteemirakenduste jaoks;
  • Pordid numbritega üle 1023 on defineerimata.

Kokkuvõtteks võib öelda, et peamine funktsionaalne erinevus TCP ja UDP vahel on usaldatavuses. TCP on kõrge usaldatavusega protokoll, samal ajal kui UDP on lihtne mehhanism, mis pakub parima võimaliku andmehalduse.


Reserveeritud TCP pordid

Kümnend

Võtmesõna

Kirjeldus

 

Kümnend

Võtmesõna

Kirjeldus

0

 

Reserveeritud

67

BOOTPS

Buudiprotokolli server

1-4

 

Määramata

68

BOOTPC

Buudiprotokolli klient

5

RJE

Kaugtöösisend

69

TFTP

Triviaalne failiedastusprotokoll

7

ECHO

Kaja

75

 

Suvaline privaatne väljahelistamisteenus

9

DISCARD

Tühistamine

77

 

Suvaline privaatne RJE teenus

11

USERS

Aktiivsed kasutajad

79

FINGER

Sõrm (kasutajate andmete vaatamine)

13

DAYTIME

Aeg

95

SUPDUP

SUPDUP protokoll

15

NETSTAT

Kes on võrgus või NETSTAT

101

HOSTNAME

NIC hosti nimeserver

17

QUOTE

Päevatsitaat (Quote Of  The Day, kasutatakse testimiseks)

102

ISO-TSAP

ISO-TSAP

19

CHARGEN

Märgigeneraator

113

AUTH

Autentimise teenus

20

FTP-DATA

Failiedastusprotokoll  (data)

117

UUCP-PATH

UUCP teekonna teenus

21

FTP

Failiedastusprotokoll

123

NTP

Võrguaja protokoll

23

TELNET

Terminali ühendus

133-159

 

Määramata

25

SMTP

Lihtne meiliedastusprotokoll

160-223

 

Reserveeritud

37

TIME

Aeg

224-241

 

Määramata

39

RLP

Ressursi asukohaprotokoll

242-255

 

Määramata

42

NAMESERVER

Hosti nimeserver

 

 

 

43

NICNAME

Kes on

 

 

 

53

DOMAIN

Domeeni nimeserver

 

 

 

 

Reserveeritud UDP pordid

Kümnend

Võtmesõna

Kirjeldus

 

Kümnend

Võtmesõna

Kirjeldus

0

 

Reserveeritud

67

BOOTPS

Buudiprotokolli server

1-4

 

Määramata

68

BOOTPC

Buudiprotokolli klient

5

RJE

Kaugtöösisend

69

TFTP

Triviaalne failiedastusprotokoll

7

ECHO

Kaja

75

 

Suvaline privaatne väljahelistamisteenus

9

DISCARD

Tühistamine

77

 

Suvaline privaatne RJE teenus

11

USERS

Aktiivsed kasutajad

79

FINGER

Sõrm (aktiivsete kasutajate vaatamine)

13

DAYTIME

Aeg

123

NTP

Võrguaja protokoll

15

NETSTAT

Kes on võrgus või NETSTAT

133-159

 

Määramata

17

QUOTE

Päevatsitaat (Quote Of The Day, kasutatakse testimiseks)

160-223

 

Reserveeritud

19

CHARGEN

Märgigeneraator

224-241

 

Määramata

20

FTP-DATA

Failiedastusprotokoll (data)

242-255

 

Määramata

21

FTP

Failiedastusprotokoll

 

 

 

23

TELNET

Terminali ühendus

 

 

 

25

SMTP

Lihtne meiliedastusprotokoll

 

 

 

37

TIME

Aeg

 

 

 

39

RLP

Ressursi asukohaprotokoll

 

 

 

42

NAMESERVER

Hosti nimeserver

 

 

 

43

NICNAME

Kes on

 

 

 

53

DOMAIN

Domeeni nimeserver

 

 

 

 

Pilt 9.9.

Internetiprotokoll IP

Internetiprotokoll kindlustab andmepakettide edastamise allikast vastuvõtjani vastastikku seotud võrkude grupi abil. Vastuvõtmise, andmeülekande juhtimise ja edastatud pakettide järjekorra salvestamiseks ei ole IP protokollis funktsiooni. Selles mõttes ei võimalda IP protokoll usaldatavat kohalejõudmisekinnitusega andmeülekannet. Kõik kinnitusesaamisega seotud funktsioonid on turvatud kõrgema tasandi protokollidega. Toetab hierarhilist adresseerimisloogikat ja kindlustab globaalse datagrammide vahetamise.

Pilt 9.10. IP protokoll

IP protokoll töötleb igat paketti nagu eraldiseisvat objekti, mis on iseseisev teistest pakettidest. Pakettide töötlemisel vaatleb IP protokoll vastuvõtja IP aadressi ja seejärel määrab marsruutimise protokollide abil parima teekonna nende edastamiseks. Mõnikord teostab IP protokoll pakettide suuruse teisenduse; näiteks juhul, kui pakett on tulnud võrgust, mis baseerub Ethernetile (kaadri suurus on 1500 baiti) ja tuleb saata FDDI standardile vastavasse võrku (mille kaadri suurus on 44709 baiti), peab IP protokoll ühendama mitu Etherneti kaadrit kokku üheks FDDI kaadriks või jaotama FDDI kaadri mimtmeks Etherneti kaadriks vastassuunalisel andmeedastusel.

Pilt 9.11. IPv4 protokoll [65]

Pilt 9.12. IPv6 protokoll [65]

Praegusel ajal kasutatakse kahte IP protokolli: IP versioon 4 (IPv4) ja IP versioon 6 (IPv6). IPv4 standardile vastavad IP aadressid on 32-bitised numbrid.  Mugavuse huvides kirjutatakse need kui neli punktiga eraldatud baiti, näiteks 194.145.63.12. Protokolli päiseblokk on näidatud pildil 9.11.

IPv6 standardile vastavad IP aadressid on kõik 128-bitised numbrid.  Neid IP aadresse esitatakse kui kaheksat 16-bitist täisarvu, mis on eraldatud kooloniga. Iga numbri kõrgemas järgus on keelatud omistada nulle. IPv6 on võimalik esitada IPv4st tuntud standardsel moel. Selle protokolli päiseblokk on esitatud pildil 9.12.

Creative Commons Licence
"Mehhatroonikaseadmed" is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License .