Việc trao đổi thông tin cho dù là đơn giản nhất cũng phải tuân theo quy tắc nhất định. Việc truyền tín hiệu trên mạng cũng vậy cũng cần phải có quy tắc quy ước: khuôn dạng (cú pháp, cú nghĩa) của dữ liệu, các thủ tục gửi nhận dữ liệu – kiểm soát hiệu quả và chất lượng truyền tin, xử lý các lỗi và sự cố. Yêu cầu về xử lý và trao đổi thông tin của người sử dụng càng cao thỡ cỏc quy tắc càng nhiều và phức tạp hơn. Tập hợp các quy tắc đó là giao thức(protocol) của mạng. ( Mạng sử dụng các giao thức khác nhau tuỳ sự lựa chọn của người thiết kế).
Mô hình kết nối OSI (Open System Interconnection).
Hầu hết các loại card mạng được thiết kế trên cơ sở mô hình kết nối hệ mở OSI do hội đồng tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International Organization Standardization đề ra năm 1974. Mô hình OSI gồm 7 lớp xử lý (Layer). Mỗi lớp xử lý thực hiện một loại chức năng như một bộ phận của một nhiệm vụ tổng thể cho phép chương trình ứng dụng ở những hệ thống khác nhau liên kết được với nhau dường như chỳng cựng hoạt động trên một hệ thống.
Hình 2.6: Mô hình OSI 7 lớp
Layer1 (Lớp vật lý-Physical): truyền số liệu nhị phân trên môi trường thông tin. Lớp này định nghĩa các phương pháp để phát thu số liệu lên mạng. Nó bao gồm Protocol của nối dây, các kiểu cable và conector, các tín hiệu thu/phỏt và khả năng dũ tỡm tín hiệu lỗi trên đường truyền.
Layer 2(Lớp kết nối dữ liệu-Data link): truyền các đơn vị tin có địa chỉ, dựng format cho các khung tin (frame) và kiểm tra lỗi. Trong lớp này thực hiện các phương pháp truy nhập như ethernet hay token ring. Nó cũng cung cấp các địa chỉ cho lớp vật lý cho khung tin được truyền.
Layer 3(Lớp mạng-Network): nối đường cho cỏc gúi tin trên mạng. Lớp này điều khiển việc gửi thông báo giữa các trạm, cho phép số liệu chảy tuần tự giữa hai trạm theo con đường logic và vật lý được kinh tế nhất. Lớp này cho phép các số liệu được truyền đến mạng khác nhờ một thiết bị đó là Router.
Layer 4 (Lớp vận tải-Transport): bảo đảm truyền số liệu từ trạm phát tới trạm thu được chắc chắn, thu đúng trật tự được gửi đi. Nhiệm vụ của lớp này phải được tính đến khả năng thích ứng với một phạm vi rất rộng của mạng.
Layer 5 (Lớp phiờn-Session): thương lượng và thiết lập sự chắp nối với một nỳt khỏc. Cung cấp người sử dụng cuối phương tiện quản lý truyền thông cỏc phiờn ứng dụng, thiết lập duy trì và giải phóng cỏc phiờn, đồng bộ hoá để kiểm soát việc trao đổi dữ liệu.
Layer 6 (Lớp trình bày-Presentation): thực hiện format số liệu, biến đổi code số liệu. Nó không phải được luôn luôn cài đặt trong protocol của mạng.
Layer 7 (Lớp ứng dụng- Application): cung cấp những hàm chức năng trao đổi thông tin với hệ điều hành của thiết bị chủ, các dịch vụ truyền thông.
2.2.4. Phân loại mạng
Mạng được phân làm ba loại dựa vào các yếu tố chính như: địa lý, kiến trúc mạng... Nếu dựa vào độ lớn theo địa lý thỡ cú cỏc loại mạng LAN (Location Area Networks) hay là mạng cục bộ MAN (Metropolitan Area Networks) và WAN (Wide Area Networks).
Không thể phân loại chính xác giữa các loại mạng mà chỉ là những giới hạn phân loại tương đối như sau:
+Mạng LAN Mạng LAN≤5 km.
+Mạng MAN Mạng MAN ≤ 25km. +Mạng WAN Mạng WAN ≥ 25km.
Cấu trúc mạng LAN thường có cấu trúc thẳng, cấu trúc vòng hoặc dạng sao. Cấu trúc của mạng LAN thường rất tường minh và yếu tố được quan tâm chủ yếu là đáp ứng tốt các yêu cầu truyền thông trong mạng.
Cấu trúc của mạng WAN thường có cấu trúc kiểu cây và mỗi mạng có cấu trúc rất khác nhau. Mạng được thiết kế trên cơ sở các thành viên trong mạng ở cách xa nhau tức là dựa trên đòi hỏi về mặt địa lý. Tự động hoá quá trình thuộc lĩnh vực hệ thống, do vậy mạng MAN, WAN được ứng dụng để thực hiện truyền thông ở mức cao như mô hình các phần tử ( điều hành hoạt động, điều hành sản xuất của nhà máy). Đặc biệt là cũng có thể điều hành thống nhất các nhà máy trong một mạng.
Lựa chọn môi trường truyền thông hoàn toàn phụ thuộc vào độ tin cậy và tốc độ truyền thông. Dựa vào độ phức tạp và khả năng truyền thông có thể chia ra các loại môi trường truyền thông cơ bản sau như: cáp đồng trục (coaxial cable),
cỏp đụi xoắn ( twised-pair cable) có bọc hoặc không bọc kim, cáp sợi quang, loại đường truyền bằng sóng vô tuyến.
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP MẠNG
Mạng làm việc theo quy tắc tại một thời điểm trên một đường dẫn chỉ có duy nhất một tín hiệu được truyền đi. Chính vì vậy mà mạng phải được điều khiển sao cho tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi còn số lượng thành viên trong mạng muốn nhận tin thì không hạn chế.
Các phương pháp truy nhập đường truyền vật lý được chia thành hai loại: phương pháp truy nhập ngẫu nhiên ( Random Access) và phương pháp truy nhập có điều khiển ( Cotrolled Access).
2.3.1. CSMA/CD
Phương pháp truy nhập ngẫu nhiên phân tán quan trọng nhất có tên CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with elision Detection-Phương pháp đa truy nhập sử dụng sóng mang có phát hiện xung đột). Phương pháp này được sử dụng cho tụpụ dạng bus. Trong đó tất cả các thành viên trong mạng được nối trực tiếp vào bus. Mọi thành viên đều có thể truy nhập vào bus chung ( đa truy nhập) một cách ngẫu nhiên. Các thành viên có thể gửi dữ liệu ở bất kỳ thời điểm nào, miễn là tại thời điểm đó đường dẫn không bị chiếm. Dữ liệu được truyền đi theo khuôn dạng chuẩn, trong đó có thông tin điều khiển chứa địa chỉ của dữ liệu. Xung
Phương pháp truy nhập
Ngẫu nhiên Tiền định
Phân tán Tập trung
đột xảy ra khi tại cùng một thời điểm mà trên đường dẫn có hai thành viên cùng gửi dữ liệu. Khi thành viên cần truyền dữ liệu thì trước hết phải xem xét đường truyền đang rỗi hay bận. Nếu rỗi thì cho phép truyền đi, còn nếu bận thì giữ lại dữ liệu sau một thời gian ngẫu nhiên. Các đường dẫn làm việc theo phương pháp truy nhập CSMA/CD thường có tốc độ truyền 10Mbit/s, ví dụ như mạng Industrial Ethernet.
2.3.2. Master/ Slave
Phương pháp truy nhập tập trung gọi là phương pháp chủ/tớ (Master/Slave-Method). Trạm chủ khống chế toàn bộ liên lạc đường dẫn. Trạm chủ gửi các yêu cầu đến trạm tớ và đòi hỏi các trạm tớ gửi thông tin cho mình. Truyền thông trực tiếp giữa các trạm tớ thường là không thực hiện được. Phương pháp truy nhập kiểu chủ/tớ cho phép điều hành đường dẫn một cách đơn giản và có hiệu quả cao. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3.3. Token Pasing
Phương pháp truy nhập tiền định phân tán hay còn gọi là Token Passing. Nguyên lý của phương pháp này là để cấp phát quyền truy nhập đường truyền cho các trạm có nhu cầu truyền dữ liệu. Trạm nào có Token trạm đó có quyền truyền đi. Thời gian truyền được mặc định trước và trạm có Token chỉ được gửi đi trong thời gian này. Hết thời gian có Token thì trạm phải chuyển Token cho trạm tiếp theo. Do vậy phải quy định thời gian Token cực đại cho mạng. Tuỳ theo giao thức của mạng mà cú cỏc loại Token khác nhau. Ví dụ, phương pháp truy nhập kiểu Token Passing cho các mạng cấu trúc hình cây được gọi là Token Bus. Khi đó Token được truyền từ thành viên này sang thành viên khác theo điều khiển của vòng logic. Đối với mạng có cấu trúc dạng vòng thì phương pháp truy nhập có tên là Token Ring. Trong một mạng có rất nhiều thành viên và có nhiều trạm chủ và trạm tớ thì chỉ có các trạm chủ mới có Token, còn trạm tớ không bao giờ có Token.
Nguyên lý của phương pháp này là cấp phát quyền truy nhập đường truyền dữ liệu. Truyền thông của các trạm chủ được điều khiển bằng một vòng Logic (Logical Ring). Vòng này được thiết lập trước khi đưa mạng vào hoạt động. Vòng này quyết định tại thời điểm nào trạm chủ nào tích cực và tích cực trong bao lâu. Trạm chủ nào tích cực còn gọi là trạm giữ Token.
Khi một trạm nhận Token thỡ nó có quyền sử dụng đường truyền trong một thời gian xác định trước. Trong thời gian đú nó có thể truyền một hay nhiều dữ liệu. Khi đã hết dữ liệu hoặc hết thời gian cho phép trạm phải chuyển Token đến trạm tiếp theo trong vòng logic. Nếu trong thời gian cho phép mà dữ liệu chưa truyền đi hết thì chỉ có dữ liệu nào của trạm có mức ưu tiên cao nhất được phép tiếp tục truyền đi. Trong truyền hợp ngược lại thì trạm chủ đó phải ngừng quá trình truyền thông và đợi cho đến lượt sau. Nếu trạm nào đó có quyền dữ Token nhưng không có nhu cầu truyền thông thì Token được tự động chuyển sang trạm tiếp theo ngay sau nó trong quy định của vòng logic. Thông thường thời gian Token được quy định chung cho các trạm chủ trong mạng. Nếu một trạm chủ được nối với một trạm chiếm giữ Token thì trong thời gian Token, trạm tớ sẽ bị hỏi và phải nhận các thông tin do trạm chủ cung cấp. Một trạm tớ không bao giờ giữ Token. Như vậy với Token bus điều quan trọng đầu tiên là xác định vòng logic. không có nhu cầu truyền thông thì Token được tự động chuyển sang trạm tiếp theo ngay sau nó trong quy định của vòng logic. Thông thường thời gian Token được quy định chung cho các trạm chủ trong mạng. Nếu một trạm chủ được nối với một trạm chiếm giữ Token thì trong thời gian Token, trạm tớ sẽ bị hỏi và phải nhận các thông tin do trạm chủ cung cấp. Một trạm tớ không bao giờ giữ Token. Như vậy với Token bus điều quan trọng đầu tiên là xác định vòng logic.
Một trong những ứng dụng của mạng có Token bus là mạng FROFIBUS của hãng SEIMENS, mạng Cotroller Link của hãng OMRON.
Phương pháp này cũng dựa trên nguyên lý dùng Token để cấp phát quyền truy nhập đường truyền. Nhưng ở đây Token lưu chuyển theo vòng tròn vật lý. Một trạm muốn truyền dữ liệu thì phải đợi đến khi nhận được Token rỗi và khi đú nó sẽ chuyển thành bận và truyền một đơn vị dữ liệu cùng với Token đi tiếp theo cho đến khi trở về trạm nguồn. Trạm nguồn sẽ chuyển thành rỗi và cho Token luân chuyển tiếp trờn vũng để trạm khác có thể nhận được quyền truyền dữ liệu.
2.4. KẾT NỐI MẠNG
Kết nối là sự liên kết logic giữa hai đối tác truyền thông để thực hiện một dịch vụ truyền thông. Kết nối được liên kết trực tiếp với một dịch vụ truyền thông. Mỗi một nối có hai điểm kết thúc (hoặc là ở CPU hoặc ở CP), ở những điểm kết thúc này có chứa đựng thông tin về địa chỉ cũng như về cấu trúc liên kết. Các hàm truyền thông trong chương trình sử dụng đã chỉ định các điểm cuối cục bộ của kết nối.
Mô hình các kiểu kết nối :
Hình 2.8: Các kiểu kết nối
Tích cực /bị động(Active/Passive). Để có thể thiết lập một kết nối thì ở điểm cuối này tích cực thì điểm cuối còn lại phải bị động. Nếu không làm việc theo nguyên tắc như vậy thì kết nối không được thiết lập.
Kết nối tĩnh được sử dụng cho hệ thống mà các trạm trong hệ có đủ đường truyền độc lập nhau không có đường dẫn nào phải thiết lập chế độ rỗi. Trong những hệ như vậy không cần thiết lập kết nối và không kết nối theo thời gian.
Kết nối tĩnh chỉ cần thiết lập một lần và không phải thay đổi. CPU CP CPU CP Kết nối S7 CPU CP CPU CP Kết nối FDL CPU: Central Processing Unit CP :Communication Processor
Kết nối động được sử dụng cho sự trao đổi thông tin giữa các thành viên trong mạng có chung đường dẫn. Thiết lập kết nối và rời kết nối không phụ thuộc vào các trạm trong mạng mà do chương trình sử dụng quyết định. Chính vì thế thời gian duy trì kết nối và rời kết nối phải được xem xét trước.
Kiểu kết nối tạo ra đường dẫn tại điểm kết nối bằng phần mềm đến dịch vụ truyền thông và được kết nối trực tuyến. Do vậy các dịch vụ truyền thông không phải phù hợp với kiểu kết nối được chọn. Trong SIMATIC S7 có dạng kết hợp giữa dịch vụ truyền thông và kiểu kết nối sau đây:
Bảng 2.1: Bảng kết hợp dịch vụ và kiểu truyền thông
Dịch vụ truyền thông Kiểu kết nối
Hàm chức năng của S7 Kết nối kiểu S7
Truyền kiểu ISO Kết nối truyền kiểu ISO
ISO-on-TCP Kết nối kiểu ISO-on-
TCP
FDL Kết nối kiểu FDL
FMS Kết nối kiểu FMS
Procedure(ví dụ như RK512)
Kết nối điểm tới điểm
Kết nối nguồn không thể thiếu được cho mỗi trạm trong mạng để xác định điểm cuối cũng như điểm truyền thông (ví dụ như CP).
Hình 2.9: Kết nối giữa các module
CPU CP Kết nối nguồn đã bị chiếm
Industrial Ethernet MPI
Bảng 2.2: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-485 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa
Điện áp đầu ra hở mạch 1.5V 6V
Điện áp đầu ra khi có tải RLOAD=54 1.5V 5V
Dòng ra ngắn mạch 250mA
Thời gian quá đọ đầu ra RLOAD=54 30%TB
CLOAD=54pF
Điện áp chế độ chung đầu ra VOC RLOAD=54 -1V 3V
Độ nhạy cảm đầu vào -7V VCM 12V 200mV
Diện áp chế độ chungVCM -7V 12V
Trở kháng đầu vào 12k
TB: Thời gian bit
Để đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ một trạm được phép kiểm soát đường dây dẫn và phát tín hiệu, vì thế mỗi bộ kích thích đều phải đưa ra chế độ trở kháng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm khác nhau tham gia. Chế độ này được gọi là tri-state. Một vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống này, trong nhiều trường hợp khác việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều khiển truyền thông. Trong mạch của bộ kích thích RS-485 có một tín hiệu vào "Enable" được dùng cho mục đớh chuyển bộ kích thích về trạng thái phát tín hiệu hoặc tri-state.
Mặc dù phạm vi làm việc tối da là từ -6V đến 6V (trong trường hợp hở mạch ), trạng thái lụgic của tín hiệu chỉ được định nghĩa trong khoảng từ 1.5V đến 5V đối với đầu ra (bờn phỏt) và từ 0.2V đến 5V đối với đầu vào (bên thu).
RS-485 cho phép nối mạng 32 tải đơn vị (unit loat, UL), ứng với 32 bộ thu phát hoặc nhiều hơn, tuỳ theo cách chọn tải cho mỗi thiết bị thành viên. Thông thường, mỗi bộ thu phát được thiột kế tương đương với một tải đơn vị. Gần đây cũng có cố gắng giảm tải xuống còn 1/2UL hoặc 1/4UL, tức là tăng trở kháng đầu vào lên hai hoặc bốn lần, với mục đích tăng số trạm lên 64 hoặc 128. Tuy nhiên, tăng số trạm theo cách này sẽ gắn với việc giảm tốc độ truyền thông, vỡ cỏc trạm có trở kháng lớn sẽ hoạt động chậm hơn.
Cũng như RS-422, RS cho phép khoảng cách tối đa giữa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia. Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên tới 10Mbit/s. Tuy nhiên có sự trao đỏi giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và độ dài dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài 1200m không thể làm việc với tốc độ 10MBd. Quan hệ giữa chúng phụ thuộc nhiều vào chất lượng cáp dẫn được dùng cũng như phụ thuộc vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu.
Tốc độ truyền tải tối đa cũng phụ thuộc vào chất lượng cáp mạng , cụ thể là đụi dõy xoắn kiểu STP có khả năng chống nhiễu tốt hơn loại UTP và vì thế có thể truyền tải dữ liệu với tốc độ cao hơn. Có thể sử dụng các bộ lặp để tăng số trạm trong một mạng, cũng như chiều dài dây dẫn lên nhiều lần, đồng thời đảm bảo được chất lượng tín hiệu. Số lượng các bộ lặp cho phép phụ thuộc nhiều vào hệ