Các nguyên lý cơ bản của các giao thức mức thấp cho truyền dữ liệu trong mạng truyền thông công nghiệp

Lời nói đầu Do đặc thù của ngành công nghiệp mà đã tạo ra nhiều loại mạng truyền thông khác nhau. Mặt khác mạng truyền thông trong công nghiệp cũng có những đặc thù riêng, có thể phân biệt chúng với mạng thông tin quảng đại về một số khía cạnh như: Phạm vi hoạt động, yêu cầu độ tin cậy khi truyền… Có thể thấy các ưu điểm của mạng truyền thông công nghiệp như: Thay thế được hoàn toàn hệ thống cũ (0-20mA, 0-10V…), cho phép làm việc với các nhà sản xuất khác nhau, là hệ thống mở, cho phép điều khiển và hiệu chỉnh, giá thành thấp, lượng thông tin truyền tải lớn… Như vậy, tìm hiểu và phát triển mạng truyền thông công nghiệp là một việc làm rất cần thiết. Một trong những khía cạnh đáng quan tâm là các giao thức mức thấp trong mạng truyền thông công nghiệp. Nội dung dưới đây chúng tôi xin trình bày “các nguyên lý cơ bản của các giao thức mức thấp cho truyền dữ liệu trong mạng truyền thông công nghiệp”. Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức chưa thực sự chuyên sâu, nên không thể tránh được những thiếu sót, chúng tôi sẽ cố gắng khắc phục và tìm hiểu kĩ hơn để hoàn thiện nội dung một cách đầy đủ hơn. Xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS.Nguyễn Văn Khang đã định hướng cho chúng tôi phát triển đề tài và tham khảo tài liệu để hoàn thiện bài báo cáo này.

Hệ thống thơng tin cơng nghiệp Nhóm 20 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Tiểu luận mơn học HỆ THỐNG THƠNG TIN CƠNG NGHIỆP ĐỀ TÀI: “Các nguyên lý giao thức mức thấp cho truyền liệu mạng truyền thơng cơng nghiệp” Giảng viên hướng dẫn Nhóm thực : TS Nguyễn Văn Khang : Hà Nội, tháng 12/2011 Nhóm 20 Hệ thống thơng tin cơng nghiệp Nhóm 20 DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM 20 ***** ĐỀ TÀI: Các nguyên lý giao thức mức thấp cho truyền liệu mạng truyền thông công nghiệp” STT Họ tên MSHV Mai Thủy Anh Phạm Lê Minh CB110881 Hoàng Văn Sao CB110901 Phạm Ngọc Diệp  Trong q trình làm việc, nhóm thảo luận, dịch đóng góp ý kiến cho tất nội dung để hoàn thiện báo cáo  Với mục tiêu tất thành viên phải nắm 100% nội dung nên bản, tất nội dung báo cáo có tham gia tất thành viên CB110807 Nhiệm vụ thành viên CB110818 Hệ thống thơng tin cơng nghiệp Nhóm 20 Lời nói đầu Do đặc thù ngành cơng nghiệp mà tạo nhiều loại mạng truyền thông khác Mặt khác mạng truyền thơng cơng nghiệp có đặc thù riêng, phân biệt chúng với mạng thơng tin quảng đại số khía cạnh như: Phạm vi hoạt động, yêu cầu độ tin cậy truyền… Có thể thấy ưu điểm mạng truyền thơng cơng nghiệp như: Thay hồn tồn hệ thống cũ (0-20mA, 0-10V…), cho phép làm việc với nhà sản xuất khác nhau, hệ thống mở, cho phép điều khiển hiệu chỉnh, giá thành thấp, lượng thơng tin truyền tải lớn… Như vậy, tìm hiểu phát triển mạng truyền thông công nghiệp việc làm cần thiết Một khía cạnh đáng quan tâm giao thức mức thấp mạng truyền thông công nghiệp Nội dung chúng tơi xin trình bày “các ngun lý giao thức mức thấp cho truyền liệu mạng truyền thông công nghiệp” Do hạn chế thời gian kiến thức chưa thực chuyên sâu, nên khơng thể tránh thiếu sót, chúng tơi cố gắng khắc phục tìm hiểu kĩ để hoàn thiện nội dung cách đầy đủ Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS.Nguyễn Văn Khang định hướng cho phát triển đề tài tham khảo tài liệu để hồn thiện báo cáo Nhóm thực hiện: Nhóm 20 Hệ thống thơng tin cơng nghiệp Nhóm 20 Giới thiệu Trong mạng chuyển mạch gói, lớp thấp (lớp liên kết liệu, lớp điều khiển truy cập, lớp vật lý) giải vài nhiệm vụ tạo thuận lợi để truyền thông hiệu Các lớp thấp đề cập đến thông tin trạm lân cận, lớp (lớp mạng, lớp truyền tải) đề cập đến truyền thông kết cuối (end-to-end) thông qua nhiều trạm trung gian Do lớp thấp truyền qua kênh vật lý nên bị ảnh hưởng nhiều đặc tính vật lý kênh (như băng thơng, lỗi kênh ) , điều ảnh hưởng đến thiết kế chúng Điều quan trọng lớp thấp hệ thống thông tin công nghiệp phải đảm bảo thời gian thực ngặt nghèo độ tin cậy: lớp thấp không bảo đảm truyền thành cơng gói/ khung khoảng thời gian định, lớp khơng thể bù lại cách Do nhiều kỹ thuật phát triển để thực bảo đảm khắc phục thuộc tính kênh vật lý xấu lỗi truyền dẫn Hầu hết mạng thông tin công nghiệp, truyền dẫn dựa truyền gói, tức liệu phân đoạn thành số gói riêng biệt gói truyền qua kênh Do quan tâm đến vấn đề sau đây: Khi ta truyền gói tin? Nếu có nhiều trạm, lúc muốn truyền tải gói liệu họ kênh truyền, đó, cần có giải pháp chia sẻ kênh truyền cho trạm, nhằm đảm bảo kênh truyền liệu Vấn đề giải cách ứng dụng giao thức điều khiển truy nhập MAC Vậy làm để khắc phục cố có lỗi kênh truyền? Đây lý ta cần có chế kiểm sốt lỗi Gói tin truyền tiếp theo? Đây vấn đề việc lập kế hoạch gói tin Làm để đảm bảo an toàn người nhận phải nhận nhiều luồng liệu từ máy phát? Đây vấn đề việc kiểm soát luồng Sau đây, tìm hiểu số vấn đề Tạo khung đồng Vấn đề đồng liên quan đến việc truyền đơn vị thơng tin (gói, khung) thực thể gửi và thực thể nhận Trong hệ thống máy Hệ thống thơng tin cơng nghiệp Nhóm 20 tính, thông tin thường lưu xử lý dạng số nhị phân (bit) Một gói hình thành từ nhóm bit truyền tới phía thu Phía thu thiết phải có khả xác định cách điểm bắt đầu kết thúc gói tin bit gói Truyền thơng tin khoảng cách ngắn, ví dụ, máy tính, thực cách truyền song song Ở đây, số (chẳng hạn 64) dây đồng song song truyền tất bit “từ” liệu 64 bit lúc Trong hầu hết trường hợp, có thêm dây để truyền “clock”, xung đồng hồ, làm tham chiếu chung Mỗi bên phát đặt mức điện áp hợp lệ (biểu diễn bit “1” “0”), tất dây, tức truyền liệu, báo hiệu cho bên thu cách gửi xung mẫu lên đường dây clock Ngược lại, dựa việc thu xung dây clock, máy thu lấy mẫu mức điện áp tất dây liệu biến đổi chúng trở lại thành bit cách so sánh chúng với ngưỡng Kiểu truyền nhanh đơn giản, khơng thực khoảng cách rộng, chi phí co cáp truyền lớn Do đó, liệu phải nối tiếp hóa truyền bit lên đường dây đơn 2.1 Đồng bit Khoảng cách bit tạo bên truyền phụ thuộc vào clock Bên thu cần thơng tin clock để lấy mẫu tín hiệu vào thời điểm thích hợp Khơng may là, clock bên thu bên phát không đồng bộ, thông tin đồng phải khơi phục từ liệu thu về; phía thu phải đồng với phía phát Q trình gọi đồng bít Mục đích máy thu lấy mẫu tín hiệu thu vào chu kỳ bit để tín khơi phục tốt nhất, chống lại lại suy yếu kênh vật lý, hạn chế băng thơng méo tín hiệu Đồng bit gọi synchronous (thiếu đồng bộ), mà clock đồng cho từ mã phải đồng lại cho từ mã Một kỹ thuật chung cho việc dùng “start bit”, bit khởi đầu, trước từ mã nhiều stop bit, bit kết thúc, để kết thúc Đặc điểm truyền/nhận bất đồng phổ biến (UART) xác định thêm bit chẵn lẻ vào bit liệu, đo phải truyền tổng số 11 bit cho bit liệu Hình minh họa điều Đối với dịng bít thơng tin dài hơn, cần đồng clock thu cách liên tục Vòng khóa pha số (DPLL) mạch điện mà điều khiển Hệ thống thông tin công nghiệp Nhóm 20 clock nội điều chỉnh theo clock thu clock trích từ tín hiệu đến Để khơi phục clock từ tín hiệu, thay đổi mức tín hiệu đủ thường xuyên cần thiết Mặt khác, đường dây xuất mức tín hiệu giống thời gian dài (như xảy phương pháp mã hóa NRZ, bit ánh xạ trực tiếp thành mức điện áp), clock thu trơi khỏi clock truyền Mã hóa Manchester (hình 1) đảm bảo có thay đổi tín bit Mỗi mức logic biểu diễn thay đổi tín hiệu từ 0, cịn mức logic ngược lại biểu diễn thay đổi tín hiệu từ Clock bên DPLL lấy mầu tín hiệu vào với tần số cao nhiều, ví dụ là, 16 lần bit Đối với bit logic “0” đến lúc, DPLL thu mẫu 0000000011111111 Nếu chuyển đổi mẫu “0” “1” khơng bit, thay vào bên phải bên trái nó, clock nội phải điều chỉnh lại cho chạy nhanh chậm cách Trong IEEE 802.3, bit mã hóa theo kiểu Manchester Để cho phép DPLL phần thu đồng với luồng bit thu được, mào đầu dài 64 bit truyền đầu khung Mào đầu gồm bit “0” “1” ln phiên tạo sóng vng 5MHz Điểm kết thúc mào đầu bắt đầu khung liệu đánh dấu bit liên tiếp Hình 1: Mã NRZ, mã Manchester Manchester vi sai Hệ thống thơng tin cơng nghiệp Nhóm 20 Hình 2: DIN 12945 Profibus: ký tự định dạng khung 2.2 Đồng khung Phía thu cần biết đươc thơng thu trọn vẹn xác hay chưa Để giải vấn đề này, máy thu cần biết nơi gói bắt đầu kết thúc Câu hỏi đặt việc đánh dấu điểm khởi đầu kết thúc gói Có vài phương pháp để thức việc Trong giao thực tế, ta thường thấy kết hợp chúng Trong phần sau, số phương pháp tiêu biểu để cập cách ngắn gọn - Khoảng trống thời gian (Time gap) Cách đơn giản để phân biệt khung tạo cac khoảng trống thời gian chúng Đặc biệt môi trương truyền chia sẻ cho vài trạm, tất chúng phải có khoảng trống thời gian Như xem xét phần giao thức CSMA, vài giao thức MAC dựa vào khoảng trống thời gian nhỏ để xác định mơi trường truy cập hay khơng Các khoảng trống thời gian cách đơn giản để nhận biết điểm bắt đầu khung với điểm kết thúc khung sao? Sử dụng khoảng trống thời gian, điểm kết thúc gói trước nhận biết sau khoảng trống thời gian Nhưng máy thu nhận thấy thiết bị im lặng, khơng thể đảm bảo điều kết truyền dẫn thành công lỗi liên kết lỗi nút mạng Do cần phải có cách khác Hệ thống thơng tin cơng nghiệp Nhóm 20 - Vi phạm mã (code violation) Một bit thường mã hóa mơ hình tín hiệu định ( ví dụ: thay đổi mức điện áp mức dịng điện) Có nghĩa tạo khác cho bit bit Một mô hình tín hiệu khơng đặc trưng cho giá trị khởi tạo khung Ví dụ giao thức token ring IEEE 802.5, sử dụng mã hóa Manchester vi sai (differential Manchester) - Các cờ khởi tạo/kết thúc Một vài giao thức sử dụng cờ riêng biệt để thị đường bao khung Một chuỗi 01111110, chuỗi cờ, gồm bit “1” chuỗi, đánh dấu việc khởi đầu kết thúc khung Đương nhiên, liệu truyền chuỗi bit bất kỳ, giống với chuỗi bít cờ Để tránh hiểu sai mẩu liệu truyền điểm kết thúc khung , bến gửi phải đảm bảo gửi mẫu cờ thực cờ Bất kỳ liệu giống với cờ phải biến đổi theo cách thuận lợi để phía thu khơi phục liệu gốc Điều thực cách sử dụng kỹ thuật chèn bit byte Kỹ thuật chèn bit điều khiển liên kết liệu mức cao (HDLC) có nghĩa phía gửi chèn bit sau bit liên tiếp Phía nhận kiểm tra bit thứ 6, sau bit thứ bit hay bit Nếu phát bit 0, hệ thống loại bỏ bit khỏi dãy dãy Ngược lại, phát bit 1, chắn ranh giới khung Tuy nhiên, xảy lỗi truyền dẫn sửa đổi chuỗi liệu 01111100 thành 01111110,sẽ tạo cờ khởi tạo Do đó, chế bổ xung khoảng trống thời gian giúp loại bỏ bit phát kết thúc khung Kĩ thuật chèn bit nhằm tránh bit cờ khung liệu Kĩ thuật chèn byte giao thức Point to Point ( PPP) sử dụng bit cờ, dựa vào phương thức truyền byte định hướng Khi này, cờ xem giá trị hexa 0X7E Mỗi lần xuất bit cờ thay kí tự, 0x7D 0x5D Bằng cách này, bit cờ đi, chuỗi liệu người dùng có 0x7D (cịn gọi kí tự Escape) bị thay Phía nhận sau phát kí tự khỏi dịng byte, loại bỏ byte tiến hành thuật toán XOR 0x20 với byte để phục hồi chuỗi liệu gốc Hệ thống thơng tin cơng nghiệp Nhóm 20 Trong hai trường hợp, liệu truyền nhiều khơng cần đến việc sử dụng kĩ thuật chèn bit hay byte, lúc để giải toán đồng khung, số lượng bit thêm vào đầu phải tách rời với luồng bit liệu truyền Một cách sử dụng khơng hợp lý làm tăng mức độ ảnh hưởng lên gấp đôi tốc độ bit (chèn byte) làm tăng khoảng 20% (chèn bit) cách truyền liên tục chuỗi bit cờ Để tránh điều này, ta áp dụng số biện pháp sau đây: cách xáo trộn liệu người dùng trước đưa vào khung liệu; cách khác chèn vào byte phù hợp (COBS) Trong trường hợp này, chuỗi byte liệu quét trước bit cờ xuất Trình tự byte liệu cắt thành đoạn liệu có độ dài 254 byte khơng chứa cờ Do đó, cờ xuất chuỗi liệu thay byte đặc trưng cho số lượng byte liệu không chứa cờ Bằng cách này, liệu truyền khơng bị tăng lên có cờ cho 255 byte liệu Hay nói cách khác, có thêm byte chèn vào đoạn 254 byte tạo thành đoạn liệu có độ dài đầy đủ - Trường độ dài Để tránh việc phải xử lý bit kí tự chèn vào đầu khung, ta dành độ dài trường mào đầu (header) khung cho biết độ dài khung Khi đọc trường này, ta biết có kí tự hay byte chuyển đến Do khơng cần có dấu hiệu phân cách kết thúc khung Ta truyền liên tục gói tin chứa kí tự trống kết nối đoạn đầu khung với bit start, bit start dùng để xác định độ dài khung Giải pháp phù hợp nhằm tiết kiệm chi phí truyền tải, trường độ dài giúp giảm bớt lỗi xảy với việc truyền tải liệu Nếu gói thông tin độ dài trường bị truyền lỗi khó để khơi phục lại Do đó, thơng tin cần đảm bảo tính an tồn cách sử dụng mã sửa lỗi truyền dự phòng Các chế khác (như khoảng thời gian trống) nên sử dụng để xác định điểm kết thúc khung, thông tin trường độ dài khơng xác Các giao thức MAC (Medium Access control) Các giao thức MAC giải vấn đề: số trạm chia sẻ tài nguyên chung (là môi trường truyền dẫn) theo cách hiệu Chúng đóng vai trị quan trọng mạng LAN MAN, thường dùng Hệ thống thông tin cơng nghiệp Nhóm 20 cho kết nối phạm vi nhỏ, số lượng người dùng ít, tạo kết nối để người dùng giao tiếp với mạng Với mơ hình tham chiếu OSI, lớp MAC khơng tạo thành lớp giao thức riêng Nhưng lớp lớp vật lý lớp liên kết liệu Tuy vây, tài liệu này, coi MAC lớp có nhiệm vụ riêng Tầm quan trọng lớp MAC phản ánh thực tế nhiều chuẩn giao thức MAC tồn tại, ví dụ, chuẩn IEEE 802.x Nhiệm vụ để xác định cho trạm gắn với môi trường truyền quảng bá chung phép truy cập để gửi khung liệu khung điều khiển cho Hoạt động cách ứng xử giao thức MAC bị ảnh hưởng nhiều thuộc tính lớp vật lý sở mục đích thiết kế Đặc biệt thơng tin địi hỏi thời gian thực, lớp MAC thành phần then chốt: trễ lớp MAC khơng bị giới hạn cách chặt chẽ, lớp bù lại Nhiều giao thức MAC phát triển thập kỷ gần Trong phần này, xét lớp giao thức quan cho ứng dụng công nghiệp, triển khai vài nhà máy giao thức độc lập giao thức phức tạp tòa nhà 3.1 Các yêu cầu chất lượng phục vụ Có số yêu cầu giao thức MAC, số chúng dành riêng cho ứng dụng công nghiệp với yêu cầu độ tin cậy thời gian thực chặt chẽ Có thước đo trễ chủ yếu là: trễ truy cập trễ truyền dẫn trễ truy cập khoảng thời gian thời điểm đến khung so với thời điểm bắt đầu truyên khung Thời gian bị ảnh hưởng phần mào đầu hoạt động thân MAC, xung đột, khung điều khiển MAC, phản hồi thời gian chờ Trễ truyền dẫn biểu thị khoảng thời gian thời điểm khung đến với thời điểm nhận thành cơng máy Đối với ứng dụng công nghiệp với yêu cầu thời gian thực ngặt nghèo, loại trễ thiết phải giới hạn Một yêu cầu then chốt ứng dụng công nghiệp hỗ trợ quyền ưu tiên “priorities”: khung quan trọng nên truyền trước khung không quan trọng Yêu cầu được đưa cách cục tổng thể: trường hợp cục bộ, trạm tự đinh khung 10 Hệ thống thơng tin cơng nghiệp Nhóm 20 Trong CSMA liên tục xác suất p (0