7. Cỏc kết quả mới sẽ đạt đƣợc của Luận ỏn
1.4.2. Phương phỏp truy nhập bus
Cú thể phõn loại phương phỏp truy nhập bus thành hai nhúm đú là nhúm cỏc phương phỏp tiền định và nhúm cỏc phương phỏp ngẫu nhiờn như mụ tả trờn Hỡnh 1.11.
Phương phỏp truy nhập bus
Truy nhập tiền định Truy nhập ngẫu nhiờn
Kiểm soỏt tập trung
Master/Slave TDMA Kiểm soỏt phõn tỏn Token Passing Nhận biết xung đột CSMA/CD Trỏnh xung đột CSMA/CA
Hỡnh 1.11. Phõn loại cỏc phương phỏp truy nhập bus [1].
Với cỏc phương phỏp truy nhập tiền định thỡ trỡnh tự truy nhập bus được xỏc định rừ ràng. Việc truy nhập bus được kiểm soỏt chặt chẽ theo cỏch tập trung ở một trạm chủ (phương phỏp Master/Slave hay chủ/tớ), hoặc theo sự quy định trước về thời gian (phương phỏp TDMA) hoặc phõn tỏn bởi cỏc thành viờn (phương phỏp Token Passing). Nếu mỗi hoạt động truyền thụng được hạn chế bởi một khoảng thời gian hoặc một độ dài dữ liệu nhất định thỡ thời gian đỏp ứng tối đa cũng như chu kỳ bus cú thể tớnh toỏn được. Cỏc hệ thống này vỡ thế được gọi là cú tớnh năng thời gian thực.
Ngược lại, với cỏc phương phỏp truy nhập ngẫu nhiờn trỡnh tự truy nhập bus khụng được quy định chặt chẽ trước mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của cỏc nỳt mạng. Mỗi thành viờn trong mạng cú thể thử truy nhập bus để gửi thụng điệp đi bất cứ lỳc nào. Để loại
23
trừ tỏc hại của việc xung đột gõy lờn, cú những phương phỏp phổ biến như nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc trỏnh xung đột (CSMA/CA). Nguyờn tắc hoạt động của cỏc phương phỏp này là khi cú xung đột xảy ra trờn đường truyền thỡ ớt nhất một nỳt phải ngừng gửi và chờ một khoảng thời gian nào đú trước khi thử lại, mặc dự khả năng thành cụng kể cả lỳc này cũng khụng được đảm bảo. Người ta thường coi cỏc hệ thống sử dụng cỏc phương phỏp này khụng cú khả năng thời gian thực. Tuy nhiờn, tựy theo lĩnh vực ứng dụng cụ thể mà yờu cầu về tớnh năng thời gian thực cũng khỏc nhau.
Trong những năm vừa qua nhiều giao thức mạng đó được đề xuất và dẫn tới sự ra đời của nhiều chuẩn mạng truyền thụng cụng nghiệp khỏc nhau. Hầu hết trong số đú đều được xõy dựng dựa trờn chuẩn mụ hỡnh 7 lớp ISO/OSI và sử dụng cựng dạng lược đồ địa chỉ đầu/cuối. Ngoài việc điền chớnh xỏc địa chỉ cho mỗi thụng điệp, giao thức truyền cũn phải định rừ quy tắc truyền để đảm bảo việc truyền chớnh xỏc và trỏnh xung đột. Phần chớnh của giao thức truyền thụng là điều khiển truy nhập bus. Nhiều phương phỏp truy nhập bus đó được phỏt triển, điển hỡnh là: phương phỏp chủ/tớ (master/slave), phương phỏp đa truy nhập phõn chia thời gian (TDMA), phương phỏp chuyển thẻ bài (Token Passing), phương phỏp đa truy nhập nhận biết súng mang dũ tỡm xung đột (CSMA/CD), phương phỏp đa truy nhập nhận biết súng mang trỏnh xung đột (CSMA/CA hoặc CSMA/AMP). Những tớnh năng và ưu, nhược điểm của cỏc phương phỏp truy nhập bus núi trờn được trỡnh bày cụ thể trong phần tiếp theo ngay sau đõy.
1.4.2.1. Phương phỏp truy nhập tiền định
a. Phương phỏp Master/Slave (chủ/tớ) [1]
Trong mụ hỡnh truyền thụng chủ/tớ cú thể thực hiện truyền thụng theo phương phỏp hỏi đỏp tuần tự (poll) theo chu kỳ hoặc hỏi đỏp đồng thời (strobe). Hai phương phỏp truyền thụng trờn thường được sử dụng cho mạng hiện trường và mạng điều khiển. Trong phương phỏp hỏi đỏp tuần tự, nỳt mạng chủ sẽ gửi yờu cầu tới lần lượt từng nỳt mạng tớ cần lấy thụng tin và cỏc nỳt mạng tớ sẽ thực hiện việc lấy mẫu hoặc lấy dữ liệu lưu trữ trong bộ đệm để gửi cho nỳt mạng chủ theo yờu cầu. Khỏc với phương phỏp hỏi đỏp tuần tự, đối với phương phỏp hỏi đỏp đồng thời, nỳt mạng chủ gửi yờu cầu tới tất cả cỏc nỳt mạng tớ, cỏc nỳt mạng tớ khi nhận được yờu cầu sẽ ngay lập tức trả lời. Trong trường hợp này, cỏc nỳt mạng tớ sẽ gửi về nỳt mạng chủ cỏc giỏ trị đo (hoặc dữ liệu quỏ trỡnh) tại cựng một thời điểm, nhưng việc truyền dữ liệu lờn mạng sẽ được dàn xếp bởi giao thức truyền thụng.
Ưu điểm: việc kết nối cỏc nỳt mạng tớ đơn giản, ớt tốn kộm bởi vỡ hầu hết “trớ
tuệ” tập trung tại nỳt mạng chủ. Mặt khỏc, một nỳt mạng chủ thường lại là một thiết bị điều khiển, vỡ vậy việc tớch hợp thờm chức năng xử lý truyền thụng là điều khụng khú khăn.
Nhược điểm: hiệu suất trao đổi thụng tin giữa cỏc nỳt mạng tớ bị giảm do dữ liệu phải đi qua khõu trung gian là nỳt mạng chủ, dẫn đến giảm hiệu suất sử
24
dụng đường truyền. Một hạn chế nữa của phương phỏp này là độ tin cậy của hệ thống truyền thụng phụ thuộc hoàn toàn vào nỳt mạng chủ duy nhất. Trong trường hợp cú xảy ra sự cố trờn nỳt mạng chủ thỡ toàn bộ hệ thống truyền thụng ngừng làm việc.
Chớnh vỡ những hạn chế nờu trờn, phương phỏp chủ/tớ chỉ được dựng phổ biến trong cỏc hệ thống bus cấp thấp (bus trường hoặc bus thiết bị) mà ở đú việc trao đổi thụng tin hầu như chỉ diễn ra giữa nỳt mạng chủ (thiết bị điều khiển) và cỏc nỳt mạng tớ (thiết bị trường hoặc cỏc module vào/ra phõn tỏn).
b. Phương phỏp TDMA [1]
Mỗi nỳt mạng được phõn chia một thời gian truy nhập mạng nhất định. Cỏc nỳt cú thể lần lượt thay nhau gửi thụng tin trong khoảng thời gian cho phộp gọi là khe thời gian (time slot) hay lỏt thời gian (time slice) theo một tuần tự quy định sẵn. Việc phõn chia này được thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động (tiền định), thời gian chờ tối đa là thời gian của chu kỳ. Cỏc nỳt sẽ xoay vũng (round) để truy nhập đường truyền. Vũng ở đõy cú thể hiểu là vũng thời gian, một vũng thời gian là khoảng thời gian đủ để cho tất cả cỏc nỳt đều được quyền truyền tin. Qui tắc xoay vũng như sau: một vũng thời gian sẽ được chia đều thành cỏc khe thời gian bằng nhau, mỗi nỳt sẽ được cấp một khe thời gian đủ để cú thể truyền hết một gúi tin. Những nỳt nào tới lượt được cấp cho khe thời gian của mỡnh mà khụng cú dữ liệu để truyền thỡ vẫn chiếm lấy khe thời gian đú và khoảng thời gian bị chiếm này được gọi là thời gian rỗi (idle). Tập hợp tất cả cỏc khe thời gian trong một vũng được gọi lại là khung (frame). Khỏc với giao thức chuyển thẻ bài, ở đõy cú thể cú hoặc khụng cú một nỳt mạng chủ. Trong trường hợp cú một nỳt mạng chủ thỡ vai trũ của nỳt mạng chủ chỉ hạn chế ở mức độ kiểm soỏt việc tuõn thủ đảm bảo giữ đỳng lỏt thời gian của cỏc nỳt mạng khỏc. Mỗi nỳt mạng đều cú khả năng đảm nhiệm vai trũ chủ động trong giao tiếp trực tiếp với cỏc nỳt mạng khỏc. Về nguyờn tắc, TDMA cú thể thực hiện theo nhiều cỏch khỏc nhau như: cú thể phõn chia thứ tự truy nhập bus theo vị trớ sắp xếp của cỏc nỳt trong mạng, theo thứ tự địa chỉ hoặc theo tớnh chất của cỏc hoạt động truyền thụng. Cũng cú thể kết hợp TDMA với phương phỏp chủ/tớ nhưng cho phộp cỏc nỳt mạng tớ giao tiếp trực tiếp.
Ưu điểm: Do mỗi nỳt mạng được cấp một khe thời gian riờng, nờn khụng cú sự
xung đột xảy ra trờn đường truyền. Khi số lượng nỳt mạng ớt, ổn định và mỗi nỳt mạng cần giao tiếp nhiều thỡ TDMA chớnh là cơ chế điều khiển truy nhập đường truyền hiệu quả.
Nhược điểm: TDMA chỉ thớch hợp với cỏc mạng tĩnh, số lượng nỳt mạng ớt và
ổn định (tức là ớt cú sự thay đổi cỏc nỳt mạng cũng như yờu cầu truy nhập đường truyền). Khi hệ thống cú nhiều nỳt mạng thỡ sẽ nảy sinh nhiều bất cập vỡ mỗi nỳt mạng được cấp phỏt một khe thời gian cố định ngay từ ban đầu, nếu nỳt mạng nào khụng sử dụng khe thời gian này để truyền dữ liệu thỡ thời gian sẽ bị lóng phớ, làm ảnh hưởng đến cỏc nỳt mạng khỏc (tức là cỏc nỳt mạng khỏc phải đợi
25
đến lượt thỡ mới truyền dữ liệu được) dẫn đến trễ truyền thụng lớn, giảm băng thụng mạng và khụng tối ưu sử dụng đường truyền. Một hạn chế nữa của TDMA là nếu thờm hay bớt một nỳt mạng thỡ sẽ phải cấu hỡnh lại toàn bộ hệ thống, tức là phải phõn bổ lại cỏc khe thời gian cho cỏc nỳt mạng, đõy là một việc khụng hề đơn giản.
c. Phương phỏp Token Passing [3], [15]
Token Passing là một bức điện ngắn khụng mang dữ liệu, cú cấu trỳc đặc biệt để phõn biệt với cỏc bức điện mang thụng tin nguồn, được dựng tương tự như một chỡa khúa. Phương phỏp token passing (hay phương phỏp truy nhập bằng thẻ bài) được quy định trong tiờu chuẩn IEEE 802.4 cho phộp cỏc cấu trỳc mạng hỡnh bus, hỡnh cõy, đa điểm hoặc phõn đoạn. Mạng hỡnh vũng sử dụng phương phỏp chuyển thẻ bài (token ring) được quy định trong tiờu chuẩn IEEE 802.5. Mạng sử dụng phương phỏp truy nhập dựng thẻ bài cú tớnh tiền định cao hơn Ethernet. Thời gian đợi để truyền thụng điệp tối đa là bằng thời gian quay vũng của thẻ bài. Một số mạng điển hỡnh sử dụng phương phỏp truy nhập bằng thẻ bài là MAP, Profibus, ControlNet, v.v.. Trong giao thức sử dụng phương phỏp truy nhập dựng thẻ bài cỏc nỳt mạng được quy định một cỏch logic thành vũng trũn. Chỉ nỳt mạng đang giữ thẻ bài mới được quyền thực hiện việc truyền tin và được phộp truyền tin cho tới khi hết dữ liệu cần truyền hoặc hết thời gian nắm giữ thẻ bài. Khi hết thời hạn truyền tin (hết dữ liệu hoặc hết thời gian giữ thẻ bài) nỳt mạng sẽ tạo ra một thẻ bài và chuyển cho nỳt mạng tiếp theo. Hiện tượng xung đột của cỏc khung dữ liệu khụng xảy ra vỡ tại một thời điểm chỉ cú một nỳt mạng thực hiện việc truyền tin. Trong phương phỏp truy nhập mạng này cũng đó tớnh tới trường hợp lỗi khi nỳt mạng giữ thẻ bài vỡ lý do nào đú dừng truyền tin và khụng chuyển thẻ bài cho nỳt tiếp theo.
Ưu điểm của phương phỏp token passing là mạng hoạt động tốt và hiệu quả ngay
cả khi tải mạng lớn. Với token bus ta cú thể thờm hoặc bớt nỳt mạng ngay cả khi mạng đang hoạt động bằng việc phõn chia chu kỳ truyền thành cỏc phõn đoạn lập lịch và khụng lập lịch và đõy là ưu điểm nổi trội của token bus so với mạng token ring. ControlNet (một giao thức mạng sử dụng phương phỏp chuyển thẻ bài) thớch hợp cho việc truyền cả cỏc thụng điệp khẩn cấp và khụng khẩn cấp. Một ưu điểm nữa đối với token passing là khả năng điều hũa lưu thụng trong mạng linh hoạt, tức là cho phộp cỏc nỳt mạng truyền số lượng đơn vị dữ liệu khỏc nhau khi nhận được thẻ bài, hoặc lập trước chế độ ưu tiờn cấp phỏt thẻ bài cho cỏc nỳt mạng.
Nhược điểm của phương phỏp token passing là khi số lượng nỳt mạng lớn, tải
mạng nhỏ thỡ phần lớn thời gian chỉ dựng để chuyển thẻ bài giữa cỏc nỳt mạng, đồng thời một nỳt mạng phải đợt khỏ lõu mới đến lượt (cú thẻ bài) gõy ra trễ truyền thụng lớn, khụng tối ưu được đường truyền.
26
1.4.2.2. Phương phỏp truy nhập ngẫu nhiờn
a. Phương phỏp CSMA/CD [3], [15]
Phương phỏp truy nhập mạng này được sử dụng rộng rói trong hệ thống mạng Ethernet được quy định trong tiờu chuẩn IEEE 802.3. Theo phương phỏp CSMA/CD, mỗi nỳt đều cú quyền truy nhập bus mà khụng cần một sự kiểm soỏt nào. Phương phỏp CSMA/CD quy định mỗi nỳt mạng phải theo dừi đường truyền trước khi thực hiện việc truyền tin. Khi phỏt hiện thấy đường truyền rỗi (khụng cú tớn hiệu) thỡ mới được truyền tin. Do việc lan truyền tớn hiệu cần một thời gian nào đú, nờn vẫn cú khả năng hai hay nhiều nỳt mạng cựng thực hiện truyền tin và sẽ xảy ra xung đột. Chớnh vỡ vậy, trong khi thực hiện việc truyền tin mỗi nỳt vẫn phải nghe đường truyền để so sỏnh tớn hiệu phỏt đi với tớn hiệu nhận được xem cú xảy ra xung đột hay khụng. Trong trường hợp xảy ra xung đột, cỏc nỳt mạng đều phải hủy bỏ việc truyền tin và chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiờn trước khi thực hiện việc truyền lại. Thời gian ngẫu nhiờn ở đõy phải được tớnh theo một thuật toỏn nào đú để sao cho thời gian chờ ngắn một cỏch hợp lý và khụng giống nhau giữa cỏc nỳt mạng.
Ưu điểm nổi bật của CSMA/CD là thuật toỏn hoạt động của mạng đơn giản và
trễ truyền thụng nhỏ khi lưu lượng truyền trờn mạng thấp. So sỏnh với phương phỏp chuyển thẻ bài thỡ CSMA/CD sử dụng ớt băng thụng cho việc truy nhập mạng. Một ưu điểm nổi bật của CSMA/CD so với TDMA, Token Passing, v.v. là nếu nỳt mạng nào cú nhu cầu cần gửi thụng tin lờn mạng thỡ sẽ nghe trờn đường mạng, nếu mạng rỗi thỡ lập tức gửi thụng tin ngay. Cỏc mạng điều khiển thường sử dụng Ethernet với tốc độ 10 Mbps như Modbus/TCP. Ở cỏc tốc độ cao hơn (100 Mbps, 1 Gbps và 10 Gbps) Ethernet thường được sử dụng trong mạng dữ liệu nhưng vẫn cú thể được sử dụng cho mạng điều khiển. Để khắc phục ảnh hưởng của khoảng cỏch thỡ người ta tiến hành phõn chia hệ thống mạng bằng cỏc switch để trỏnh khả năng xảy ra xung đột.
Nhược điểm của CSMA/CD là tớnh bất định của trễ truyền thụng và khụng hỗ
trợ việc phõn quyền ưu tiờn cho cỏc thụng điệp. Khi lưu lượng truyền thụng lớn hiện tượng xung đột xảy ra thường xuyờn hơn và dẫn tới làm tăng trễ truyền thụng, giảm khả năng thụng qua của mạng. Bởi vỡ CSMA/CD cho phộp một nỳt thực hiện việc truyền cỏc gúi tin một cỏch riờng biệt trong khoảng thời gian dài bất chấp cỏc nỳt mạng khỏc đang đợi truy nhập mạng nờn thường gõy ra sự giảm hiệu năng của toàn hệ thống. Việc sử dụng thuật toỏn BEB chuẩn khụng cú sự đảm bảo truyền thụng do thụng điệp cú thể bị bỏ qua sau một số lần xung đột. Nhược điểm nữa của CSMA/CD là yờu cầu đảm bảo kớch thước dữ liệu tối thiểu nờn khi dữ liệu cần truyền cú kớch thước nhỏ thỡ vẫn phải sử dụng cỏc thụng điệp cú kớch thước lớn, điều này làm giảm hiệu quả truyền thụng.
27
b. Phương phỏp CSMA/CA hoặc CSMA/AMP [3], [15]
Phương phỏp truy nhập mạng CSMA/CA (hoặc CSMA/AMP) được sử dụng cho mạng CAN. Trong phương phỏp truy nhập mạng CSMA/CA mỗi thụng điệp sẽ được ấn định một mức độ ưu tiờn dựng để phõn xử truy nhập đường truyền khi cú hai hay nhiều nỳt mạng cựng tiến hành việc truy nhập và truyền dữ liệu tại cựng một thời điểm. Chuỗi bit truyền được đồng bộ hoỏ bằng bit khởi động và mó căn cước (dựng để phõn xử tranh chấp). Việc phõn xử tranh chấp được thực hiện theo nguyờn tắc bit trội (bit 0) “lấn ỏt” bit lặn (bit 1). Nếu hai hoặc nhiều nỳt mạng cựng truyền thụng điệp tại cựng một thời điểm thỡ một mặt chỳng sẽ vẫn tiếp tục gửi thụng điệp lờn mạng, mặt khỏc phải nghe trờn đường truyền, cho tới khi một nỳt mạng khỏc nghe được bit ở trờn đường truyền khỏc với bit mà đó gửi đi thỡ khi đú nỳt mạng này sẽ mất quyền truyền tin và lập tức ngừng việc truyền tin lại cũn nỳt mạng kia vẫn tiếp tục truyền dữ liệu. Như vậy theo nguyờn tắc phõn xử tranh chấp nờu trờn thỡ thụng điệp cú ID càng thấp sẽ cú mức ưu tiờn càng cao.
Ưu điểm: tớnh năng đơn giản, chi phớ thấp, hiệu quả truyền tin cao với cỏc thụng điệp ngắn (8 bytes trở xuống), khỏ linh hoạt và nhất quỏn dữ liệu của hệ thống. CSMA/CA cho phộp thiết lập mức ưu tiờn thụng qua trường phõn xử (trường ID); tức là, cỏc thụng điệp cú mức ưu tiờn cao hơn thỡ sẽ cú quyền để truy nhập đường truyền trước, đồng thời trễ truyền thụng cũng ớt tớnh bất định hơn. Một ưu điểm nổi bật của CSMA/CA so với TDMA, Token Passing, v.v. là nếu nỳt mạng nào cú nhu cầu cần gửi thụng tin lờn mạng thỡ sẽ nghe trờn đường mạng, nếu mạng rỗi thỡ lập tức gửi thụng tin ngay; việc bổ sung hay bỏ đi một nỳt trong mạng khụng đũi hỏi bất cứ một sự thay đổi nào về phần cứng hay phần mềm ở cỏc nỳt mạng khỏc (tức là khụng cần cấu hỡnh lại hệ thống). Trong một mạng, cú thể chắc chắn rằng một thụng điệp hoặc được tất cả cỏc nỳt quan tõm tiếp nhận