mạng truyền thông công nghiệp

MẠNG TRUYỀN THÔNG
CÔNG NGHIỆP PGS.TS Hoàng Minh Sơn Bộ môn Điều khiển tự động hóa Khoa Điện – Đại học Bách khoa TP. Hà Nội
i
MỤC LỤC
Chương 1: Mở đầu 1 1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì ? 1 1.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp 3 1.3 Phân loại và đặc trưng những mạng lưới hệ thống MCN 4 1.4 Tài liệu tìm hiểu thêm 6 Chương 2 : Cơ sở kỹ thuật 7 2.1 Các khái niệm cơ bản 7 2.1.1 tin tức, tài liệu và tín hiệu 7 2.1.2 Truyền thông, truyền tài liệu và truyền tín hiệu 9 2.2 Chế độ truyền tải 12 2.2.1 Truyền bit song song và truyền bit tiếp nối đuôi nhau 12 2.2.2 Truyền đồng nhất và không đồng nhất 12 2.2.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều 13 2.2.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng 14 2.3 Cấu trúc mạng – Topology 16 2.3.1 Cấu trúc bus 16 2.3.2 Cấu trúc mạch vòng ( tích cực ) 17 2.3.3 Cấu trúc hình sao 19 2.3.4 Cấu trúc cây 20 2.4 Truy nhập bus 21 2.4.1 Đặt yếu tố 21 2.4.2 Chủ / tớ ( Master / Slave ) 23 2.4.3 TDMA 24 2.4.4 Token Passing 25 2.4.5 CSMA / CD 26 2.4.6 CSMA / CA 28 2.5 Bảo toàn tài liệu 31 2.5.1 Đặt yếu tố 31 2.5.2 Bit chẵn lẻ ( Parity bit ) 33 2.5.3 Bit chẵn lẻ 2 chiều 34 2.5.4 CRC 36 2.5.5 Nhồi bit ( Bit Stuffing ) 38 2.6 Mã hóa bit 40 2.6.1 Các tiêu chuẩn trong mã hóa bit 40 2.6.2 NRZ, RZ 41 2.6.3 Mã Manchester 42
ii
2.6.4 AFP 42
2.6.5 FSK 43 2.7 Kỹ thuật truyền dẫn 44 2.7.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu 45 2.7.2 RS-232 47 2.7.3 RS-422 50 2.7.4 RS-485 51 2.7.5 MBP ( IEC 1158 – 2 ) 57 2.8 Kiến trúc giao thức 59 2.8.1 Thương Mại Dịch Vụ truyền thông 59 2.8.2 Giao thức 59 2.8.3 Mô hình lớp 62 2.8.4 Kiến trúc giao thức OSI 63 2.8.5 Kiến trúc giao thức TCP / IP 70 2.9 Tài liệu tìm hiểu thêm 73 Chương 3 : Các thành phần mạng lưới hệ thống mạng 74 3.1 Phương tiện truyền dẫn 74 3.1.1 Đôi dây xoắn 75 3.1.2 Cáp đồng trục 77 3.1.3 Cáp quang 78 3.1.4 Vô tuyến 80 3.2 Giao diện mạng 82 3.2.1 Cấu trúc giao diện mạng 82 3.2.2 Ghép nối PLC 84 3.2.3 Ghép nối PC 85 3.2.4 Ghép nối vào / ra phân tán 87 3.2.5 Ghép nối những thiết bị trường 88 3.3 Phần mềm trong mạng lưới hệ thống mạng 90 3.3.1 Phần mềm giao thức 90 3.3.2 Phần mềm giao diện lập trình ứng dụng 91 3.4 Thiết bị link mạng 93 3.4.1 Bộ lặp 93 3.4.2 Cầu nối 94 3.4.3 Router 95 3.4.4 Gateway 96 3.5 Các linh phụ kiện mạng khác 98 3.6 Tài liệu tìm hiểu thêm 100 Chương 4 : Các mạng lưới hệ thống bus tiêu biểu vượt trội 101 4.1 PROFIBUS 101 4.1.1 Kiến trúc giao thức 102
iii
4.1.2 Cấu trúc

mạng và kỹ thuật truyền dẫn 103
4.1.3 Truy nhập bus 105
4.1.4 Dịch vụ truyền dữ liệu 105
4.1.5 Cấu trúc bức điện 107
4.1.6 PROFIBUS-FMS 109
4.1.7 PROFIBUS-DP 111
4.1.8 PROFIBUS-PA 117
4.1.9 Tài liệu tham khảo 119
4.2 Modbus 120
4.2.1 Cơ chế giao tiếp 120
4.2.2 Chế độ truyền 122
4.2.3 Cấu trúc bức điện 123
4.2.4 Bảo toàn dữ liệu 125
4.2.5 Tài liệu tham khảo 126
4.3 Foundation Fieldbus 127
4.3.1 Kiến trúc giao thức 127
4.3.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 128
4.3.3 Cơ chế giao tiếp 130
4.3.4 Cấu trúc bức điện 132
4.3.5 Dịch vụ giao tiếp 132
4.3.6 Khối chức năng ứng dụng 134
4.3.7 Tài liệu tham khảo 136
4.4 Ethernet 137
4.4.1 Kiến trúc giao thức 137
4.4.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 138
4.4.3 Cơ chế giao tiếp 140
4.4.4 Cấu trúc bức điện 140
4.4.5 Truy nhập bus 141
4.4.6 Hiệu suất đường truyền và tính năng thời gian thực 142
4.4.7 Mạng LAN 802.3 chuyển mạch 142
4.4.8 Fast Ethernet 143
4.4.9 High Speed Ethernet 144
4.4.10 Industrial Ethernet 146
4.4.11 Tài liệu tham khảo 146
Chương 5: Thiết kế hệ thống mạng 147
5.1 Thiết kế hệ thống mạng 147
5.1.1 Phân tích yêu cầu 147
5.1.2 Các bước tiến hành 148
5.2 Đánh giá và lựa chọn giải pháp mạng 150
5.2.1 Đặc thù của cấp ứng dụng 150

Bạn đang đọc: mạng truyền thông công nghiệp
iv
5.2.2 Đặc thù của nghành ứng dụng 151 5.2.3 Yêu cầu kỹ thuật chi tiết cụ thể 152 5.2.4 Yêu cầu kinh tế tài chính 153
Chương1: Mở đầu 1 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP. Hà Nội Chương 1 : Mở đầu 1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì ? Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp ( MCN ) là một khái niệm chung chỉ những mạng lưới hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit tiếp nối đuôi nhau, được sử dụng để ghép nối những thiết bị công nghiệp. Các mạng lưới hệ thống truyền thông công nghiệp phổ cập lúc bấy giờ được cho phép link mạng ở nhiều mức khác nhau, từ những cảm ứng, cơ cấu tổ chức chấp hành dưới cấp trường cho đến những máy tính tinh chỉnh và điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính tinh chỉnh và điều khiển giám sát và những máy tính cấp quản lý và điều hành xí nghiệp sản xuất, quản trị công ty. Về cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và những mạng lưới hệ thống mạng viễn thông có rất nhiều điểm tương đương, tuy nhiên cũng có những điểm độc lạ sau : • Mạng viễn thông có khoanh vùng phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơn rất nhiều, nên những nhu yếu kỹ thuật ( cấu trúc mạng, vận tốc truyền thông, tính năng thời hạn thực, … ) rất khác, cũng như những chiêu thức truyền thông ( truyền tải dải rộng / dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch, … ) thường phức tạp hơn nhiều so với mạng công nghiệp. • Đối tượng của mạng viễn thông gồm có cả con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó con người đóng vai trò đa phần. Vì vậy những dạng thông tin cần trao đổi gồm có cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và tài liệu. Đối tượng của mạng công nghiệp thuần túy là những thiết bị công nghiệp, nên dạng thông tin được chăm sóc duy nhất là tài liệu. Các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến được dùng trong mạng viễn thông rất nhiều mẫu mã, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chính sách bit tiếp nối đuôi nhau là đặc trưng của mạng công nghiệp. Mạng truyền thông công nghiệp thực ra là một dạng đặc biệt quan trọng của mạng máy tính, hoàn toàn có thể so sánh với mạng máy tính thường thì ở những điểm giống nhau và khác nhau như sau : • Kỹ thuật truyền thông số hay truyền tài liệu là đặc trưng chung của cả hai nghành nghề dịch vụ. • Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần ( ở những cấp điều khiển và tinh chỉnh giám sát, quản lý và điều hành sản xuất và quản trị công ty ) trong quy mô phân cấp của mạng công nghiệp. • Yêu cầu về tính năng thời hạn thực, độ an toàn và đáng tin cậy và năng lực thích hợp trong thiên nhiên và môi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với một
Chương1: Mở đầu 2 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP. Hà Nội mạng máy tính thường thì, trong khi đó mạng máy tính thường yên cầu cao hơn về độ bảo mật thông tin. • Mạng máy tính có khoanh vùng phạm vi trải rộng rất khác nhau, ví dụ hoàn toàn có thể nhỏ như mạng LAN cho một nhóm vài máy tính, hoặc rất lớn như mạng Internet. Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền tài liệu của mạng viễn thông. Trong khi đó, cho đến nay những mạng lưới hệ thống mạng công nghiệp thường có đặc thù độc lập, khoanh vùng phạm vi hoạt động giải trí tương đối hẹp. Sự khác nhau trong khoanh vùng phạm vi và mục tiêu sử dụng giữa những mạng lưới hệ thống mạng truyền thông công nghiệp với những mạng lưới hệ thống mạng viễn thông và mạng máy tính dẫn đến sự khác nhau trong những nhu yếu về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế tài chính. Ví dụ, do nhu yếu liên kết nhiều nền máy tính khác nhau và cho nhiều khoanh vùng phạm vi ứng dụng khác nhau, kiến trúc giao thức của những mạng máy tính phổ thông thường phức tạp hơn so với kiến trúc giao thức những mạng công nghiệp. Đối với những mạng lưới hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt quan trọng là ở những cấp dưới thì những nhu yếu về tính năng thời hạn thực, năng lực triển khai đơn thuần, giá tiền hạ lại luôn được đặt ra số 1 .
Chương1: Mở đầu 3 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP. Hà Nội 1.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt quan trọng là bus trường để sửa chữa thay thế cách nối điểm-điểm cổ xưa giữa những thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt những quyền lợi như sau : • Đơn giản hóa cấu trúc link giữa những thiết bị công nghiệp : Một số lượng lớn những thiết bị thuộc những chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau trải qua một đường truyền duy nhất. • Tiết kiệm dây nối và công phong cách thiết kế, lắp ráp mạng lưới hệ thống : Nhờ cấu trúc đơn thuần, việc phong cách thiết kế mạng lưới hệ thống trở nên thuận tiện hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp truyền được thay thế sửa chữa bằng một đường duy nhất, giảm ngân sách đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp ráp. • Nâng cao độ đáng tin cậy và độ đúng chuẩn của thông tin : Khi dùng chiêu thức truyền tín hiệu tương tự như cổ xưa, tác động ảnh hưởng của nhiễu dễ làm đổi khác nội dung thông tin mà những thiết bị không có cách nào nhận ra. Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị xô lệch hơn, mà những thiết bị nối mạng còn có thêm năng lực tự phát hiện lỗi và chẩn đoán lỗi nếu có. Hơn thế nữa, việc bỏ lỡ nhiều lần quy đổi qua lại tương tự-số và số-tương tự nâng cao độ đúng mực của thông tin. • Nâng cao độ linh động, tính năng mở của mạng lưới hệ thống : Một mạng lưới hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện kèm theo cho việc sử dụng những thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Việc thay thế sửa chữa thiết bị, tăng cấp và lan rộng ra khoanh vùng phạm vi công dụng của mạng lưới hệ thống cũng thuận tiện hơn nhiều. Khả năng tương tác giữa những thành phần ( phần cứng và ứng dụng ) được nâng cao nhờ những giao diện chuẩn. • Đơn giản hóa / thuận tiện hóa việc tham số hóa, chẩn đoán, xác định lỗi, sự cố của những thiết bị : Với một đường truyền duy nhất, không những những thiết bị hoàn toàn có thể trao đổi tài liệu quy trình, mà còn hoàn toàn có thể gửi cho nhau những tài liệu tham số, tài liệu trạng thái, tài liệu cảnh báo nhắc nhở và tài liệu chẩn đoán. Các thiết bị hoàn toàn có thể tích hợp năng lực tự chẩn đoán, những trạm trong mạng cũng hoàn toàn có thể có năng lực cảnh giới lẫn nhau. Việc thông số kỹ thuật mạng lưới hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị và đưa vào quản lý và vận hành hoàn toàn có thể thực thi từ xa qua một trạm kỹ thuật TT. • Mở ra nhiều tính năng và năng lực ứng dụng mới của mạng lưới hệ thống : Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp được cho phép vận dụng những kiến trúc điều khiển và tinh chỉnh mới như tinh chỉnh và điều khiển phân tán, tinh chỉnh và điều khiển phân tán với những thiết bị trường, tinh chỉnh và điều khiển giám sát hoặc chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của mạng lưới hệ thống tinh chỉnh và điều khiển và giám sát với thông tin điều hành quản lý sản xuất và quản trị công ty .
Chương1: Mở đầu 4 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN 1.3 Phân loại và đặc trưng những mạng lưới hệ thống MCN Để sắp xếp, phân loại và nghiên cứu và phân tích đặc trưng những mạng lưới hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào quy mô phân cấp quen thuộc cho những công ty, xí nghiệp sản xuất sản xuất, như được minh họa trên Hình 1.1. Qu ¶ n lý c « ng ty § iÒu hµnh s ¶ n xuÊt § iÒu khiÓn gi ¸ m s ¸ t § iÒu khiÓn M¹ng xÝ nghiÖp Bus hÖ thèng Bus qu ¸ tr × nh Bus ® iÒu khiÓn ChÊp hµnh Bus tr − êng Bus thiÕt bÞ Bus c ¶ m biÕn / chÊp hµnh M¹ng c « ng ty Hình 1.1 : Mô hình phân cấp tính năng công ty sản xuất công nghiệp Tương ứng với năm cấp công dụng là bốn cấp của mạng lưới hệ thống truyền thông. Từ cấp tinh chỉnh và điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “ bus ” thường được dùng thay cho “ mạng ”, với nguyên do phần đông những mạng lưới hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus ( xem phần 2.5 ). Bus trường, bus thiết bị Bus trường ( fieldbus ) thực ra là một khái niệm chung được dùng trong những ngành công nghiệp chế biến để chỉ những mạng lưới hệ thống bus tiếp nối đuôi nhau, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để liên kết những thiết bị thuộc cấp điều khiển và tinh chỉnh ( PC, PLC ) với nhau và với những thiết bị ở cấp chấp hành, hay những thiết bị trường. Các tính năng chính của cấp chấp hành là thống kê giám sát, truyền động và quy đổi tín hiệu trong trường hợp thiết yếu. Các thiết bị có năng lực nối mạng là những vào / ra phân tán ( distributed I / O ), những thiết bị thống kê giám sát ( sensor, transducer, transmitter ) hoặc cơ cấu tổ chức chấp hành ( actuator, valve ) có tích hợp năng lực giải quyết và xử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng những thiết bị cảm ứng và cơ cấu tổ chức chấp hành với những bộ tinh chỉnh và điều khiển, cũng được gọi là bus chấp hành / cảm ứng. Trong công nghiệp sản xuất ( tự động hóa dây chuyền sản xuất sản xuất, gia công, lắp ráp ) hoặc ở 1 số ít nghành ứng dụng khác như tự động hóa tòa nhà, sản xuất xe hơi, khái niệm bus thiết bị lại được sử dụng thông dụng. Có thể nói, bus thiết bị và bus trường có tính năng tương tự, nhưng do những đặc trưng riêng không liên quan gì đến nhau của hai ngành công nghiệp, nên 1 số ít tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càng trở nên không rõ ràng, khi mà khoanh vùng phạm vi ứng dụng của cả hai loại đều được lan rộng ra và đan chéo sang nhau. Trong trong thực tiễn, người ta cũng dùng chung một khái niệm là bus trường .
Chương1: Mở đầu 5 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Thành Phố Hà Nội Do trách nhiệm của bus trường là chuyển tài liệu quy trình lên cấp tinh chỉnh và điều khiển để giải quyết và xử lý và chuyển quyết định hành động tinh chỉnh và điều khiển xuống những cơ cấu tổ chức chấp hành, vì thế nhu yếu về tính năng thời hạn thực được đặt lên số 1. Thời gian phản ứng tiêu biểu vượt trội nằm trong khoanh vùng phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây. Trong khi đó, nhu yếu về lượng thông tin trong một bức điện thường chỉ hạn chế trong khoảng chừng một vài byte, thế cho nên vận tốc truyền thông thường chỉ cần ở khoanh vùng phạm vi Mbit / s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thông tin về những biến quy trình hầu hết mang đặc thù định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh những thông tin tham số hóa hoặc cảnh báo nhắc nhở có đặc thù không bình thường. Các mạng lưới hệ thống bus trường được sử dụng thoáng đãng nhất lúc bấy giờ là PROFIBUS, ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đây phải kể tới Foundation Fieldbus. DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài mạng lưới hệ thống bus cảm ứng / chấp hành tiêu biểu vượt trội hoàn toàn có thể nêu ra ở đây. Bus mạng lưới hệ thống, bus tinh chỉnh và điều khiển Các mạng lưới hệ thống mạng công nghiệp được dùng để liên kết những máy tính điều khiển và tinh chỉnh và những máy tính trên cấp tinh chỉnh và điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus mạng lưới hệ thống ( system bus ) hay bus quy trình ( process bus ). Khái niệm sau thường chỉ được dùng trong nghành tinh chỉnh và điều khiển quy trình. Qua bus mạng lưới hệ thống mà những máy tính tinh chỉnh và điều khiển hoàn toàn có thể phối hợp hoạt động giải trí, cung ứng tài liệu quy trình cho những trạm kỹ thuật và trạm quan sát ( hoàn toàn có thể gián tiếp trải qua mạng lưới hệ thống quản trị cơ sở tài liệu trên những trạm chủ ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số tinh chỉnh và điều khiển từ những trạm phía trên. Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc, mà còn theo chiều ngang. Các trạm kỹ thuật, trạm quản lý và vận hành và những trạm chủ cũng trao đổi tài liệu qua bus mạng lưới hệ thống. Ngoài ra những máy in báo cáo giải trình và tàng trữ tài liệu cũng hoàn toàn có thể được liên kết qua mạng này. Đối với bus mạng lưới hệ thống, tùy theo nghành nghề dịch vụ ứng dụng mà yên cầu về tính năng thời hạn thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không. Thời gian phản ứng tiêu biểu vượt trội nằm trong khoảng chừng một vài trăm miligiây, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường. Tốc độ truyền thông tiêu biểu vượt trội của bus mạng lưới hệ thống nằm trong khoanh vùng phạm vi từ vài trăm kbit / s đến vài Mbit / s. Khi bus mạng lưới hệ thống được sử dụng chỉ để ghép nối theo chiều ngang giữa những máy tính điều khiển và tinh chỉnh, người ta thường dùng khái niệm bus tinh chỉnh và điều khiển. Vai trò của bus tinh chỉnh và điều khiển là ship hàng trao đổi tài liệu thời hạn thực giữa những trạm tinh chỉnh và điều khiển trong một mạng lưới hệ thống có cấu trúc phân tán. Bus tinh chỉnh và điều khiển thường thì có vận tốc truyền không cao, nhưng nhu yếu về tính năng thời hạn thực thường rất khắc nghiệt. Do những nhu yếu về vận tốc truyền thông và năng lực liên kết thuận tiện nhiều loại máy tính, hầu hết những kiểu bus mạng lưới hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet ( HSE ), Ethernet / IP. Mạng xí nghiệp Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN thông thường, có công dụng liên kết những máy tính văn phòng thuộc cấp quản lý sản xuất với cấp điều khiển và tinh chỉnh giám sát. Thông tin được đưa lên trên gồm có trạng thái thao tác của những quy trình kỹ thuật, những giàn máy cũng như của mạng lưới hệ thống điều khiển và tinh chỉnh tự động hóa, những số liệu thống kê giám sát, thống kê về diễn biến quy trình sản xuất và chất lượng loại sản phẩm. Thông tin theo chiều ngược lại là những
Chương1: Mở đầu 6 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Thành Phố Hà Nội thông số kỹ thuật phong cách thiết kế, công thức tinh chỉnh và điều khiển và mệnh lệnh điều hành quản lý. Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa những máy tính thuộc cấp quản lý và điều hành sản xuất, ví dụ tương hỗ kiểu thao tác theo nhóm, cộng tác trong dự án Bất Động Sản, sử dụng chung những tài nguyên nối mạng ( máy in, sever, … ). Khác với những mạng lưới hệ thống bus cấp dưới, mạng nhà máy sản xuất không nhu yếu khắt khe về tính năng thời hạn thực. Việc trao đổi tài liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng Mbyte. Hai loại mạng được dùng phổ cập cho mục tiêu này là Ethernet và Token-Ring, trên cơ sở những giao thức chuẩn như TCP / IP và IPX / SPX. Mạng công ty Mạng công ty nằm trên cùng trong quy mô phân cấp mạng lưới hệ thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên những phương diện khoanh vùng phạm vi và hình thức dịch vụ, giải pháp truyền thông và những nhu yếu về kỹ thuật. Chức năng của mạng công ty là liên kết những máy tính văn phòng của những nhà máy sản xuất, cung ứng những dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với những người mua như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo chiến lược từ xa qua điện thoại cảm ứng, hình ảnh, cung ứng dịch vụ truy vấn Internet và thương mại điện tử, v.v… Hình thức tổ chức triển khai ghép nối mạng, cũng như những công nghệ tiên tiến được vận dụng rất phong phú, tùy thuộc vào góp vốn đầu tư của công ty. Trong nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp sản xuất được thực thi bằng một mạng lưới hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều khoanh vùng phạm vi và nhóm mạng thao tác riêng không liên quan gì đến nhau. Mạng công ty có vai trò như một đường cao tốc trong mạng lưới hệ thống hạ tầng cơ sở truyền thông của một công ty, vì thế yên cầu về vận tốc truyền thông và độ bảo đảm an toàn, an toàn và đáng tin cậy đặc biệt quan trọng cao. Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ công nghệ tiên tiến tiên tiến và phát triển được vận dụng ở đây trong hiện tại và tương lai. 1.4 Tài liệu tìm hiểu thêm [ 1 ] Hoàng Minh Sơn : Mạng truyền thông công nghiệp. Tái bản lần 2, Nhà xuất bản KH&KT, Thành Phố Hà Nội, 2004 .
2.2 Chế độ truyền tải 7 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP. Hà Nội Chương 2 : Cơ sở kỹ thuật 2.1 Các khái niệm cơ bản 2.1.1 tin tức, tài liệu và tín hiệu tin tức tin tức là một trong những khái niệm cơ sở quan trọng nhất trong khoa học kỹ thuật, cũng giống như vật chất và nguồn năng lượng. Các nguồn vào cũng như những đầu ra của một mạng lưới hệ thống kỹ thuật chỉ hoàn toàn có thể là vật chất, nguồn năng lượng hoặc thông tin, như miêu tả trên Hình 2.1. Một mạng lưới hệ thống giải quyết và xử lý thông tin hoặc một mạng lưới hệ thống truyền thông là một mạng lưới hệ thống kỹ thuật chỉ chăm sóc tới những nguồn vào và đầu ra là thông tin. Tuy nhiên, đa phần những mạng lưới hệ thống kỹ thuật khác thường có những nguồn vào và đầu ra hỗn hợp ( vật chất, nguồn năng lượng và thông tin ). Hình 2.1 : Vai trò của thông tin trong những mạng lưới hệ thống kỹ thuật tin tức là thước đo mức nhận thức, sự hiểu biết về một yếu tố, một sự kiện hoặc một mạng lưới hệ thống. Ví dụ, một thông tin cho tất cả chúng ta biết một cách đúng chuẩn hay tương đối về nhiệt độ ngoài trời hay mực nước trong bể chứa. Thông tin giúp tất cả chúng ta phân biệt giữa những mặt của một yếu tố, giữa những trạng thái của một sự vật. Nói một cách khác, thông tin chính là sự loại trừ tính bất định. Trong khi vật chất và nguồn năng lượng là nền tảng của vật lý và hóa học, thì thông tin chính là chủ thể của tin học và công nghệ thông tin. Dữ liệu tin tức là một đại lượng khá trừu tượng, thế cho nên cần được màn biểu diễn dưới một hình thức khác. Khả năng trình diễn thông tin rất phong phú, ví dụ qua chữ viết, hình ảnh, cử chỉ, v.v… Dạng màn biểu diễn thông tin nhờ vào vào mục tiêu, đặc thù của ứng dụng. Đặc biệt, thông tin hoàn toàn có thể được miêu tả, hay nói cách khác là được “ số lượng hóa ” bằng tài liệu để hoàn toàn có thể tàng trữ và giải quyết và xử lý trong máy tính. Trong trường hợp đó, ta cũng nói rằng thông tin được số hóa sử dụng hệ đếm nhị phân, hay mã hóa nhị phân. Nói trong ngữ cảnh cấu trúc một bức điện, tài liệu chính là phần thông tin hữu dụng được màn biểu diễn bằng dãy những bit { 1,0 }. HỆ THỐNG KỸ THUẬT vật chất nguồn năng lượng thông tin vật chất nguồn năng lượng thông tin
2.2 Chế độ truyền tải 8 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN Tín hiệu Việc trao đổi thông tin ( giữa người và người, giữa người và máy ) hay tài liệu ( giữa máy và máy ) chỉ hoàn toàn có thể thực thi được nhờ tín hiệu. Có thể định nghĩa, tín hiệu là diễn biến của một đại lượng vật lý tiềm ẩn tham số thông tin / tài liệu và hoàn toàn có thể truyền dẫn được. Theo quan điểm toán học thì tín hiệu được coi là một hàm của thời hạn. Trong những nghành kỹ thuật, những loại tín hiệu thường dùng là điện, quang, khí nén, thủy lực và âm thanh. Các tham số sau đây thường được dùng trực tiếp, gián tiếp hay tích hợp để biểu lộ nội dung thông tin : • Biên độ ( điện áp, dòng, … ) • Tần số, nhịp xung, độ rộng của xung, sườn xung • Pha, vị trí xung Không phân biệt đặc thù vật lý của tín hiệu ( điện, quang, khí nén, … ), ta hoàn toàn có thể phân loại tín hiệu dựa theo tập hợp giá trị của tham số thông tin hoặc dựa theo diễn biến thời hạn thành những dạng sau : • Tương tự : Tham số thông tin hoàn toàn có thể có một giá trị bất kể trong một khoảng chừng nào đó • Rời rạc : Tham số thông tin chỉ hoàn toàn có thể có một số ít giá trị ( rời rạc ) nhất định. • Liên tục : Tín hiệu có ý nghĩa tại bất kể thời gian nào trong một khoảng chừng thời hạn chăm sóc. Nói theo ngôn từ toán học, một tín hiệu liên tục là một hàm liên tục của biến thời hạn trong một khoảng chừng xác lập. • Gián đoạn : Tín hiệu chỉ có ý nghĩa tại những thời gian nhất định. y t D¹ng tÝn hiÖu : t − ¬ ng tù, liªn tôc Tham sè th « ng tin : Biªn ® é D¹ng tÝn hiÖu : t − ¬ ng tù, gi ¸ n ® o¹n Tham sè th « ng tin : Biªn ® é xung D¹ng tÝn hiÖu : rêi r¹c, liªn tôc Tham sè th « ng tin : Biªn ® é D¹ng tÝn hiÖu : rêi r¹c ( sè ), gi ¸ n ® o¹n Tham sè th « ng tin : TÇn sè xung y t y y t t a ) b ) c ) d ) Hình 2.2 : Một số dạng tín hiệu thông dụng
2.2 Chế độ truyền tải 9 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Thành Phố Hà Nội Khi những giá trị tham số thông tin của một tín hiệu được trình diễn bằng mã nhị phân, thì dạng tín hiệu đặc biệt quan trọng này được gọi là tín hiệu số. Nói một cách khác, tín hiệu số dùng để truyền tải thông tin đã được tài liệu hóa. Với tín hiệu số, ta chỉ cần phân biệt giữa hai trạng thái của tín hiệu ứng với những bit 0 và 1, thế cho nên sẽ hạn chế được một cách hiệu suất cao sự xô lệch thông tin bởi sự ảnh hưởng tác động của nhiễu. 2.1.2 Truyền thông, truyền tài liệu và truyền tín hiệu Mã hóa / Giải mã Hình 2.3 minh họa nguyên tắc cơ bản của truyền thông. Thông tin cần trao đổi giữa những đối tác chiến lược được mã hóa trước khi được một mạng lưới hệ thống truyền dẫn tín hiệu chuyển tới phía bên kia. Trong thuật ngữ truyền thông, mã hóa chỉ quy trình biến hóa nguồn thông tin ( tài liệu ) cần trao đổi sang một chuỗi tín hiệu thích hợp để truyền dẫn. Quá trình này tối thiểu thường gồm có hai bước : mã hóa nguồn và mã hóa đường truyền. Trong quy trình mã hóa nguồn, tài liệu mang thông tin thực dụng hay tài liệu nguồn được bổ trợ những thông tin phụ trợ thiết yếu cho việc truyền dẫn, ví dụ địa chỉ bên gửi và bên nhận, kiểu tài liệu, thông tin kiểm lỗi, v.v… Dữ liệu trước khi gửi đi cũng hoàn toàn có thể được phân loại thành nhiều gói tài liệu bức điện để tương thích với giải pháp truyền, nén lại để tăng hiệu suất đường truyền, hoặc mã hóa bảo mật thông tin. Như vậy, lượng thông tin tiềm ẩn trong một tín hiệu sẽ nhiều hơn lượng thông tin thực dụng cần truyền tải. Sau khi đã được mã hóa nguồn, mã hóa đường truyền là quy trình tạo tín hiệu tương ứng với những bit trong gói tài liệu hay bức điện theo một giải pháp nhất định để tương thích với đường truyền và kỹ thuật truyền. Hình 2.4 minh họa một ví dụ mã hóa đường truyền đơn giản, những bit 0 được biểu lộ bằng mức điện áp cao và những bit 1 bằng mức điện áp thấp. M · hãa / Gi ¶ i m · HÖ thèng truyÒn dÉn tÝn hiÖu § èi t ¸ c truyÒn th « ng § èi t ¸ c truyÒn th « ng M · hãa / Gi ¶ i m · Hình 2.3 : Nguyên tắc cơ bản của truyền thông Trong truyền thông công nghiệp, mã hóa đường truyền đồng nghĩa tương quan với mã hóa bit, bởi tín hiệu do khâu mã hóa từng bit tạo ra cũng chính là tín hiệu được truyền dẫn. Đối với những mạng lưới hệ thống truyền thông khác, quy trình mã hóa đường truyền hoàn toàn có thể bao hàm việc điều biến tín hiệu và dồn kênh, được cho phép truyền cùng một lúc nhiều nguồn thông tin và truyền vận tốc cao. Việc dồn kênh hoàn toàn có thể triển khai theo chiêu thức phân loại tần số, phân loại thời hạn hoặc phân loại mã .
2.2 Chế độ truyền tải 10 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP. Hà Nội 0 1 1 0 01 0 1 Hình 2.4 : Ví dụ mã hóa bít Quá trình ngược lại với mã hóa là giải thuật, tức là quy đổi những tín hiệu nhận được thành dãy bit tương ứng và sau đó giải quyết và xử lý, vô hiệu những thông tin bổ trợ để tái tạo thông tin nguồn. Tốc độ truyền và vận tốc bit Tốc độ truyền hay vận tốc bit được tính bằng số bit tài liệu được truyền đi trong một giây, tính bằng bit / s hoặc bps ( bit per second ). Nếu tần số nhịp được ký hiệu là f và số bit truyền đi trong một nhịp là n, số bit được truyền đi trong một giây sẽ là v = f * n. Như vậy, có hai cách để tăng vận tốc truyền tải là tăng tần số nhịp hoặc tăng số bit truyền đi trong một nhịp. Nếu mỗi nhịp chỉ có một bit duy nhất được chuyển đi thì v = f. Như vậy, chỉ so với những giải pháp mã hóa bit sử dụng hai trạng tín hiệu, và trạng thái tín hiệu đổi khác luân phiên sau mỗi nhịp thì vận tốc bit mới tương tự với vận tốc baud, hay 1B aud tương tự với 1 bit / s. Thời gian bit / Chu kỳ bit Trong việc nghiên cứu và phân tích, nhìn nhận tính năng thời hạn của một mạng lưới hệ thống truyền thông thì thời hạn bit là một giá trị hay được dùng. Thời gian bit hay chu kỳ luân hồi bit được định nghĩa là thời hạn trung bình thiết yếu để chuyển một bit, hay chính bằng giá trị nghịch đảo của vận tốc truyền tải : TB = 1 / v TB = 1 / f, trường hợp n = 1 Thời gian Viral tín hiệu Thời gian Viral tín hiệu là thời hạn cần để một tín hiệu phát ra từ một đầu dây Viral tới đầu dây khác, phụ thuộc vào vào chiều dài và cấu trúc dây dẫn. Tốc độ Viral tín hiệu chính là vận tốc truyền sóng điện từ. Tuy nhiên, trong môi trường tự nhiên sắt kẽm kim loại hoặc sợi quang học, giá trị này sẽ nhỏ hơn vận tốc truyền sóng điện từ hay vận tốc ánh sáng trong thiên nhiên và môi trường chân không. Ta có : tiến sỹ = l / ( k * c ), với tiến sỹ là thời hạn Viral tín hiệu, l là chiều dài dây dẫn, c là vận tốc ánh sáng trong chân không ( 300.000.000 m / s ) và k biểu lộ thông số giảm vận tốc truyền, được tính theo công thức : 1 k ε =, với ε là hằng số điện môi của lớp cách ly
2.2 Chế độ truyền tải 11 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN Đối với những loại cáp có lớp bọc cách ly là Polyethylen với hằng số điện môi ε = 2.3, ta có thông số k ≈ 0.67. Hệ số này cũng đúng với môi trường tự nhiên truyền là cáp quang và thường được dùng một cách tổng quát để đo lường và thống kê giá trị tương đối của thời hạn Viral tín hiệu trong nhiều phép nhìn nhận. Như vậy tiến sỹ sẽ chỉ còn phụ thuộc vào vào chiều dài dây dẫn : tiến sỹ ( giây ) = l ( mét ) / 200.000.000
2.2 Chế độ truyền tải 12 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN 2.2 Chế độ truyền tải Chế độ truyền tải được hiểu là phương pháp những bit dữ liệu được chuyển giữa những đối tác chiến lược truyền thông. Nhìn nhận từ những góc nhìn khác nhau ta hoàn toàn có thể phân biệt những chính sách truyền tải như sau : • Truyền bit song song hoặc truyền bit tiếp nối đuôi nhau • Truyền đồng nhất hoặc không đồng nhất • Truyền một chiều hay đơn công ( simplex ), hai chiều toàn phần, hai chiều đồng thời hay song công ( duplex, full-duplex ) hoặc hai chiều gián đoạn hay bán song công ( half-duplex ) • Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng. 2.2.1 Truyền bit song song và truyền bit tiếp nối đuôi nhau Phương pháp truyền bit song song ( Hình 2.5 a ) được dùng thông dụng trong những bus nội bộ của máy tính như bus địa chỉ, bus tài liệu và bus điều khiển và tinh chỉnh. Tốc độ truyền tải nhờ vào vào số những kênh dẫn, hay cũng chính là độ rộng của một bus song song, ví dụ 8 bit, 16 bit, 32 bit hay 64 bit. Chính vì nhiều bit được truyền đi đồng thời, yếu tố đồng điệu hóa tại nơi phát và nơi nhận tín hiệu phải được xử lý. Điều này gây trở ngại lớn khi khoảng cách giữa những đối tác chiến lược truyền thông tăng lên. Ngoài ra, giá tiền cho những bus song song cũng là một yếu tố dẫn đến khoanh vùng phạm vi ứng dụng của chiêu thức truyền này chỉ hạn chế ở khoảng cách nhỏ, có nhu yếu rất cao về thời hạn và vận tốc truyền. 1 10010101 0 0 1 0 1 0 1 ( a ) TruyÒn bit song song ( b ) TruyÒn bit nèi tiÕp Hình 2.5 : Truyền bit song song ( a ) và truyền bit tiếp nối đuôi nhau ( b ) Với chiêu thức truyền bi tiếp nối đuôi nhau, từng bit được chuyển đi một cách tuần tự qua một đường truyền duy nhất ( Hình 2.5 b ). Tuy vận tốc bit do đó bị hạn chế, nhưng cách triển khai lại đơn thuần, độ an toàn và đáng tin cậy của tài liệu cao. Tất cả những mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụng giải pháp truyền này. 2.2.2 Truyền đồng nhất và không đồng điệu Sự phân biệt giữa chính sách truyền đồng nhất và không đồng nhất chỉ tương quan tới phương pháp truyền bit tiếp nối đuôi nhau. Vấn đề đặt ra ở đây là việc đồng điệu hóa giữa bên gửi và bên
2.2 Chế độ truyền tải 13 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP. Hà Nội nhận tài liệu, tức là yếu tố làm thế nào để bên phân biệt khi nào một tín hiệu trên đường truyền mang tài liệu gửi và khi nào không. Trong chính sách truyền đồng điệu, những đối tác chiến lược truyền thông thao tác theo cùng một nhịp, tức với cùng tần số và độ lệch pha cố định và thắt chặt. Có thể pháp luật một trạm có vai trò tạo nhịp và dùng một đường dây riêng mang nhịp đồng nhất cho những trạm khác. Biện pháp kinh tế tài chính hơn là dùng một chiêu thức mã hóa bit thích hợp để bên nhận hoàn toàn có thể tái tạo nhịp đồng điệu từ chính tín hiệu mang tài liệu. Nếu giải pháp mã hóa bit không được cho phép như vậy, thì hoàn toàn có thể dùng kỹ thuật đóng gói tài liệu và bổ trợ một dãy bit mang thông tin đồng điệu hóa vào phần đầu mỗi gói tài liệu. Lưu ý rằng, bên gửi và bên nhận chỉ cần hoạt động giải trí đồng điệu trong khi trao đổi tài liệu. Với chính sách truyền không đồng nhất, bên gửi và bên nhận không thao tác theo một nhịp chung. Dữ liệu trao đổi thường được chia thành từng nhóm 7 hoặc 8 bit, gọi là ký tự. Các ký tự được chuyển đi vào những thời gian không đồng đều, vì thế cần thêm hai bit để lưu lại khởi đầu và kết thúc cho mỗi ký tự. Việc đồng nhất hóa được thực thi với từng ký tự. Ví dụ, những mạch UART ( Universal Asynchronous Receiver / Transmiter ) thông dụng dùng bức điện 11 bit, gồm có 8 bit ký tự, 2 bit khởi đầu cũng như kết thúc và 1 bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ. 2.2.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều Tương tự như những đường giao thông vận tải, một đường truyền dữ liệu có năng lực hoặc thao tác dưới chính sách một chiều, hai chiều toàn phần hoặc hai chiều gián đoạn, như Hình 2.6 minh họa. Chế độ truyền này ít nhờ vào vào đặc thù vật lý của môi trường tự nhiên truyền dẫn, mà nhờ vào vào chiêu thức truyền dẫn tín hiệu, chuẩn truyền dẫn ( RS-232, RS-422, RS-485, … ) và vào thông số kỹ thuật của mạng lưới hệ thống truyền dẫn. Trong chính sách truyền một chiều, thông tin chỉ được chuyển đi theo một chiều, một trạm chỉ hoàn toàn có thể đóng vai trò hoặc bên phát ( transmitter ) hoặc bên nhận thông tin ( receiver ) trong suốt quy trình tiếp xúc. Có thể nêu một vài ví dụ trong kỹ thuật máy tính sử dụng chính sách truyền này như giao diện giữa bàn phím, chuột hoặc màn hình hiển thị với máy tính. Các mạng lưới hệ thống phát thanh và truyền hình cũng là những ví dụ tiêu biểu vượt trội. Hiển nhiên, chính sách truyền một chiều phần đông không có vai trò so với mạng công nghiệp. Chế độ truyền hai chiều gián đoạn được cho phép mỗi trạm hoàn toàn có thể tham gia gửi hoặc nhận thông tin, nhưng không cùng một lúc. Nhờ vậy thông tin được trao đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý. Một ưu điểm của chính sách này là không yên cầu thông số kỹ thuật mạng lưới hệ thống phức tạp lắm, trong khi hoàn toàn có thể đạt được vận tốc truyền tương đối cao. Chế độ truyền này được sử dụng thông dụng trong mạng công nghiệp, ví dụ với chuẩn RS-485 .
2.2 Chế độ truyền tải 14 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN Bé ph ¸ t Bé thu10110101 Bé thu ph ¸ t Bé thu ph ¸ t 10110101 Bé thu ph ¸ t Bé thu ph ¸ t 10110101 10101010 a ) Simplex b ) Half-duplex c ) Duplex Hình 2.6 : Truyền simplex, half-duplex và duplex Với chính sách truyền hai chiều toàn phần mỗi trạm đều hoàn toàn có thể gửi và nhận thông tin cùng một lúc. Thực chất, chính sách này chỉ khác với chính sách hai chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai đường truyền riêng không liên quan gì đến nhau cho thu và phát, tức là khác ở thông số kỹ thuật mạng lưới hệ thống truyền thông. Dễ dàng nhận thấy, chính sách truyền hai chiều toàn phần chỉ thích hợp với kiểu link điểm-điểm, hay nói cách khác là tương thích với cấu trúc mạch vòng và cấu trúc hình sao. 2.2.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng Truyền tải dải cơ sở Một tín hiệu mang một nguồn thông tin hoàn toàn có thể màn biểu diễn bằng tổng của nhiều giao động có tần số khác nhau nằm trong một khoanh vùng phạm vi hẹp, được gọi là dải tần cơ sở hay dải hẹp. Tín hiệu được truyền đi cũng chính là tín hiệu được tạo ra sau khi mã hóa bit, nên có tần số cố định và thắt chặt hoặc nằm trong một khoảng chừng hẹp nào đó, tùy thuộc vào chiêu thức mã hóa bit. Ví dụ hoàn toàn có thể pháp luật mức tín hiệu cao ứng với bit 0 và mức tín hiệu thấp ứng với bit 1. Tần số của tín hiệu thường nhỏ hơn, hoặc cùng lắm là tương tự với tần số nhịp bus. Tuy nhiên, trong một nhịp ( hoàn toàn có thể tương tự hoặc không tương tự với chu kỳ luân hồi của tín hiệu ), chỉ hoàn toàn có thể truyền đi một bit duy nhất. Có nghĩa là, đường truyền chỉ hoàn toàn có thể mang một kênh thông tin duy nhất, mọi thành viên trong mạng phải phân loại thời hạn để sử dụng đường truyền. Tốc độ truyền tải do đó tuy có bị hạn chế, nhưng chiêu thức này dễ triển khai và đáng tin cậy, được dùng đa phần trong những mạng lưới hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Truyền tải dải mang Trong một số ít trường hợp, dải tần cơ sở không thích hợp trong thiên nhiên và môi trường thao tác. Ví dụ, tín hiệu có những tần số này hoàn toàn có thể bức xạ nhiễu ảnh hưởng tác động tới hoạt động giải trí của những thiết bị điện tử khác, hoặc ngược lại, bị những thiết bị khác gây nhiễu. Để khắc phục thực trạng này, người ta sử một tín hiệu khác – gọi là tín hiệu mang, có tần số nằm trong một dải tần thích hợp – gọi là dải mang. Dải tần này thường lớn hơn nhiều so với tần số nhịp. Dữ liệu cần truyền tải sẽ dùng để điều chế tần số, biên độ hoặc pha của tín hiệu
2.2 Chế độ truyền tải 15 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP. Hà Nội mang. Bên nhận sẽ triển khai quy trình giải điều chế để hồi sinh thông tin nguồn. Khác với truyền tải dải rộng nêu dưới đây, phương pháp truyền tải dải mang chỉ vận dụng cho một kênh truyền tin duy nhất, giốn như truyền tải dải cơ sở. Truyền tải dải rộng Một tín hiệu hoàn toàn có thể tiềm ẩn nhiều nguồn thông tin khác nhau bằng cách sử dụng tích hợp một cách mưu trí nhiều thông số kỹ thuật thông tin. Ví dụ một tín hiệu phức tạp hoàn toàn có thể là tổng hợp bằng chiêu thức xếp chồng từ nhiều tín hiệu thành phần có tần số khác nhau mang những nguồn thông tin khác nhau. Sau khi nhiều nguồn thông tin khác nhau đã được mã hóa bit, mỗi tín hiệu được tạo ra sẽ dùng để điều biến một tín hiệu khác, thường có tần số lớn hơn nhiều, gọi là tín hiệu mang. Các tín hiệu mang đã được điều biến có tần số khác nhau, nên hoàn toàn có thể trộn lẫn, xếp chồng thành một tín hiệu duy nhất có phổ tần trải rộng. Tín hiệu này sau cuối lại được dùng để điều biến một tín hiệu mang khác. Tín hiệu thu được từ khâu này mới được truyền đi. Đây chính là kỹ thuật dồn kênh phân tần trong truyền tải thông tin, nhằm mục đích mục tiêu sử dụng hiệu suất cao hơn đường truyền. Phía bên nhận sẽ triển khai việc giải điều biến và phân kênh, phục sinh những tín hiệu mang những nguồn thông tin khác nhau. Phương thức truyền tải dải rộng và kỹ thuật dồn kênh được dùng thoáng đãng trong những mạng viễn thông bởi vận tốc cao và năng lực truyền song song nhiều nguồn thông tin. Tuy nhiên, vì đặc thù khoanh vùng phạm vi mạng, nguyên do giá tiền thực thi và tính năng thời hạn, truyền tải băng rộng cũng như kỹ thuật dồn kênh phần đông không đóng vai trò gì trong những mạng lưới hệ thống truyền thông công nghiệp .
2.3 Cấu trúc
mạng 16
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
2.3 Cấu trúc mạng – Topology
Cấu trúc mạng liên quan tới tổ chức và phương thức phối hợp hoạt động giữa các
thành phần trong một hệ thống mạng. Cấu trúc mạng ảnh hưởng tới nhiều tính năng kỹ
thuật, trong đó có độ tin cậy của hệ thống. Có thể phân biệt các dạng cấu trúc cơ bản là
bus, mạch vòng (tích cực) và hình sao. Một số cấu trúc phức tạp hơn, ví dụ cấu trúc cây,
đều có thể xây dựng trên cơ sở phối hợp ba cấu trúc cơ bản này.
2.3.1 Cấu trúc bus
Trong cấu trúc đơn giản này, tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp
với một đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một
đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm, vì thế tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt.
Có thể phân biệt ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: daisy-chain và trunk-line/drop-
line và mạch vòng không tích cực (Hình 2.7). Hai cấu hình đầu cũng được xếp vào kiểu
cấu trúc đường thẳng, bởi hai đầu đường truyền không khép kín.
Với daisy-chain, mỗi trạm được nối mạng trực tiếp tại giao lộ của hai đoạn dây dẫn,
không qua một đoạn dây nối phụ nào. Ngược lại, trong cấu hình trunk-line/drop-line,
mỗi trạm được nối qua một đường nhánh (drop-line) để đến đường trục (trunk-line).
Còn mạch vòng không tích cực thực chất chỉ khác với trunk-line/drop-line ở chỗ đường
truyền được khép kín.
Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn thì tính đơn giản, dễ thực hiện là những ưu điểm
chính của cấu trúc bus, nhờ vậy mà cấu trúc này phổ biến nhất trong các hệ thống mạng
truyền thông công nghiệp. Trường hợp một trạm không làm việc (do hỏng hóc, do cắt
nguồn,…) không ảnh hưởng tới phần mạng còn lại. Một số hệ thống còn cho việc tách
một trạm ra khỏi mạng hoặc thay thế một trạm trong khi cả hệ thống vẫn hoạt động bình
thường.
Tuy nhiên việc dùng chung một đường dẫn đòi hỏi một phương pháp phân chia thời
gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tín hiệu – gọi là phương pháp truy nhập môi
trường hay truy nhập bus. Nguyên tắc truyền thông được thực hiện như sau: tại một thời
điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi tín hiệu, còn các thành viên
khác chỉ có quyền nhận. Ngoài việc cần phải kiểm soát truy nhập môi trường, cấu trúc
bus có những nhược điểm sau:
• Một tín hiệu gửi đi có thể tới tất cả các trạm và theo một trình tự không kiểm soát
được, vì vậy phải thực hiện phương pháp gán địa chỉ (logic) theo kiểu thủ công
cho từng trạm. Trong thực tế, công việc gán địa chỉ này gây ra không ít khó
khăn.
• Tất cả các trạm đều có khả năng phát và phải luôn luôn “nghe” đường dẫn để
phát hiện ra một thông tin có phải gửi cho mình hay không, nên phải được thiết
kế sao cho đủ tải với số trạm tối đa. Đây chính là lý do phải hạn chế số trạm
trong một đoạn mạng. Khi cần mở rộng mạng, phải dùng thêm các bộ lặp.

Xem thêm: 5 Giai đoạn vàng phát triển trí não của trẻ mẹ đừng bỏ lỡ
2.3 Cấu trúc mạng 17 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN Hình 2.7 : Các cấu trúc dạng bus • Chiều dài dây dẫn thường tương đối dài, vì thế so với cấu trúc đường thẳng xảy ra hiện tượng kỳ lạ phản xạ tại mỗi đầu dây làm giảm chất lượng của tín hiệu. Để khắc phục yếu tố này người ta chặn hai đầu dây bằng hai trở đầu cuối. Việc sử dụng những trở đầu cuối cũng làm tăng tải của mạng lưới hệ thống. • Trường hợp đường dẫn bị đứt, hoặc do ngắn mạch trong phần liên kết bus của một trạm bị hỏng đều dẫn đến ngừng hoạt động giải trí của cả mạng lưới hệ thống. Việc xác định lỗi ở đây cũng gặp rất nhiều khó khăn vất vả. • Cấu trúc đường thẳng, link đa điểm gây khó khăn vất vả trong việc vận dụng những công nghệ tiên tiến truyền tín hiệu mới như sử dụng cáp quang. Một số ví dụ mạng công nghiệp tiêu biểu vượt trội có cấu trúc bus là PROFIBUS, CAN, WorldFIP, Foundation Fieldbus, LonWorks, AS-i và Ethernet. 2.3.2 Cấu trúc mạch vòng ( tích cực ) Cấu trúc mạch vòng được phong cách thiết kế sao cho những thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào việc trấn áp dòng tín hiệu. Khác với cấu trúc đường thẳng, ở đây tín hiệu được truyền đi theo một chiều pháp luật. Mỗi trạm nhận được tài liệu từ trạm đứng trước và chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau. Quá trình này được lặp lại tới khi tài liệu quay trở về trạm đã gửi, nó sẽ được hủy bỏ. Ưu điểm cơ bản của mạng cấu trúc theo kiểu này là mỗi một nút đồng thời hoàn toàn có thể là một bộ khuếch đại, do vậy khi phong cách thiết kế mạng theo kiểu cấu trúc vòng hoàn toàn có thể triển khai với khoảng cách và số trạm rất lớn. Mỗi trạm có năng lực vừa nhận vừa phát tín hiệu drop-line b ) trunk-line / drop-line Các đoạn dây dẫn a ) daisy-chain drop-line drop-line trunk-line c ) mạch vòng không tích cực
2.3 Cấu trúc mạng 18 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Thành Phố Hà Nội cùng một lúc. Bởi mỗi thành viên ngăn cách mạch vòng ra làm hai phần, và tín hiệu chỉ được truyền theo một chiều, nên giải pháp tránh xung đột tín hiệu thực thi đơn thuần hơn. a ) Kh « ng cã ® iÒu khiÓn trung t © m Master b ) Cã ® iÒu khiÓn trung t © m Hình 2.8 : Cấu trúc mạch vòng Trên Hình 2.8 có hai kiểu mạch vòng được minh họa : • Với kiểu mạch vòng không có điều khiển và tinh chỉnh TT, những trạm đều bình đẳng như nhau trong quyền nhận và phát tín hiệu. Như vậy việc trấn áp đường dẫn sẽ do những trạm tự phân loại. • Với kiểu có tinh chỉnh và điều khiển TT, một trạm chủ sẽ đảm nhiệm vai trò trấn áp việc truy nhập đường dẫn. Cấu trúc mạch vòng thực ra dựa trên cơ sở link điểm-điểm, vì thế thích hợp cho việc sử dụng những phương tiện đi lại truyền tín hiệu văn minh như cáp quang, tia hồng ngoại, v.v. Việc gán địa chỉ cho những thành viên trong mạng cũng hoàn toàn có thể do một trạm chủ thực thi một cách trọn vẹn tự động hóa, địa thế căn cứ vào thứ tự sẵp xếp vật lý của những trạm trong mạch vòng. Một ưu điểm tiếp theo của cấu trúc mạch vòng là năng lực xác lập vị trí xảy ra sự cố, ví dụ đứt dây hay một trạm ngừng thao tác. Tuy nhiên, sự hoạt động giải trí thông thường của mạng còn trong trường hợp này chỉ hoàn toàn có thể liên tục với một đường dây dự trữ như ở FDDI. Hình 2.9 miêu tả cách xử lý trong trường hợp sự cố do đường dây ( a ) và sự cố tại một trạm ( b ). Trong trường hợp thứ nhất, những trạm lân cận với điểm xảy ra sự cố sẽ tự phát hiện lỗi đường dây và tự động hóa chuyển mạch sang đường dây phụ, đi vòng qua vị trí bị lỗi ( by – pass ). Đường cong in nét đậm màn biểu diễn mạch kín sau khi dùng giải pháp by-pass. Trong trường hợp thứ hai, khi một trạm bị hỏng, hai trạm lân cận sẽ tự đấu tắt, chuyển sang thông số kỹ thuật giống như daisy-chain. Một kỹ thuật khác được vận dụng giải quyết và xử lý sự cố tại một trạm là dùng những bộ chuyển mạch by-pass tự động hóa, như minh họa trên Hình 2.10. Mỗi trạm thiết bị sẽ được đấu với mạch vòng nhờ bộ chuyển mạch này. Trong trường hợp sự cố xảy ra, bộ chuyển mạch sẽ tự động hóa phát hiện và ngắn mạch, bỏ lỡ thiết bị được nối mạng qua nó. Cấu trúc mạch vòng được sử dụng trong một số ít mạng lưới hệ thống có độ an toàn và đáng tin cậy cao như INTERBUS, Token-Ring ( IBM ) và đặc biệt quan trọng là FDDI.
2.3 Cấu trúc mạng 19 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN a ) By-pass sù cè ® − êng d © y gi ÷ a 1 vµ 2 b ) § Êu t¾t do sù cè t¹i tr¹m 3 1 2 3 4 56 7 8 1 2 56 3 47 8 Hình 2.9 : Xử lý sự cố trong mạch vòng đúp ThiÕt bÞ Bé chuyÓn m¹ch by-pass a ) Tr − íc khi x ¶ y ra sù cè b ) Sau khi x ¶ y ra sù cè ThiÕt bÞ Hình 2.10 : Sử dụng bộ chuyển mạch by-pass trong mạch vòng 2.3.3 Cấu trúc hình sao Cấu trúc hình sao là một cấu trúc mạng có một trạm TT quan trọng hơn toàn bộ những nút khác, nút này sẽ tinh chỉnh và điều khiển hoạt động giải trí truyền thông của toàn mạng. Các thành viên khác được liên kết gián tiếp với nhau qua trạm TT. Tương tự như cấu trúc mạch vòng, hoàn toàn có thể nhận thấy ở đây kiểu link về mặt vật lý là điểm-điểm. Tuy nhiên, link về mặt logic vẫn hoàn toàn có thể là nhiều điểm. Nếu trạm TT đóng vai trò tích cực, nó hoàn toàn có thể đảm đương trách nhiệm trấn áp hàng loạt việc truyền thông của mạng, còn nếu không sẽ chỉ như một bộ chuyển mạch. Một điểm yếu kém của cấu trúc hình sao là sự cố ở trạm TT sẽ làm tê liệt hàng loạt những hoạt động giải trí truyền thông trong mạng. Vì vậy, trạm TT thường phải có độ đáng tin cậy rất cao. Người ta phân biệt giữa hai loại trạm TT : trạm tích cực và trạm thụ động. Một trạm thụ động chỉ có vai trò trung chuyển thông tin, trong khi một trạm tích cực trấn áp hàng loạt những hoạt động giải trí tiếp xúc trong mạng. Một điểm yếu kém tiếp theo của cấu trúc hình sao là tốn dây dẫn, nếu như khoảng chừng trung bình giữa những trạm nhỏ hơn khoảng cách từ chúng tới trạm TT. Đương nhiên, trong những mạng lưới hệ thống viễn thông không hề tránh khỏi phải dùng cấu trúc này. Đối với mạng truyền thông công nghiệp, cấu trúc hình sao tìm thấy trong những khoanh vùng phạm vi nhỏ, ví dụ những bộ chia, thường dùng vào mục tiêu lan rộng ra những cấu trúc khác. Lưu ý rằng, trong nhiều trường hợp một mạng cấu trúc hình sao về mặt vật lý lại có cấu trúc logic như một hệ bus, bởi những trạm vẫn hoàn toàn có thể tự do liên lạc như không có sự sống sót của trạm
2.3 Cấu trúc mạng 20 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Thành Phố Hà Nội TT. Chính những mạng lưới hệ thống mạng Ethernet công nghiệp ngày này sử dụng phổ cập cấu trúc này tích hợp với kỹ thuật chuyển mạch và chiêu thức truyền dẫn vận tốc cao. * Hình 2.11 : Cấu trúc hình sao 2.3.4 Cấu trúc cây Cấu trúc cây thực ra không phải là một cấu trúc cơ bản. Một mạng có cấu trúc cây chính là sự link của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng hoặc hình sao như Hình 2.12 minh họa. Đặc trưng của cấu trúc cây là sự phân cấp đường dẫn. Để chia từ đường trục ra những đường nhánh, hoàn toàn có thể dùng những bộ nối tích cực ( active coupler ), hoặc nếu muốn tăng số trạm cũng như khoanh vùng phạm vi của một mạng giống hệt hoàn toàn có thể dùng những bộ lặp ( repeater ). Trong trường hợp những mạng con này trọn vẹn khác loại thì phải dùng tới những bộ link mạng khác như bridge, router và gateway. Một số mạng lưới hệ thống được cho phép kiến thiết xây dựng cấu trúc cây cho một mạng giống hệt là LonWorks, DeviceNet và AS-i. bé nèi bé lÆp bé nèi vßng bé nèi sao Hình 2.12 : Cấu trúc cây
2.4 Truy nhập bus 21 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN 2.4 Truy nhập bus 2.4.1 Đặt yếu tố Trong những mạng lưới hệ thống mạng truyền thông công nghiệp thì những mạng lưới hệ thống có cấu trúc dạng bus, hay những mạng lưới hệ thống bus đóng vai trò quan trọng nhất vì những nguyên do sau : • Ngân sách chi tiêu ít cho dây dẫn • Dễ triển khai lắp ráp • Linh hoạt • Thích hợp cho việc truyền dẫn trong khoanh vùng phạm vi khoảng cách vừa và nhỏ. Trong một mạng có cấu trúc bus, những thành viên phải chia nhau thời hạn sử dụng đường dẫn. Để tránh sự xung đột về tín hiệu gây ra sai lệnh về thông tin, ở mỗi thời gian trên một đường dẫn chỉ duy nhất một điện tín được phép truyền đi. Chính thế cho nên mạng phải được điều khiển và tinh chỉnh sao cho tại một thời gian nhất định thì chỉ một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi. Còn số lượng thành viên trong mạng muốn nhận thông tin thì không hạn chế. Một trong những yếu tố quan trọng số 1 tác động ảnh hưởng tới chất lượng của mỗi mạng lưới hệ thống bus là giải pháp phân loại thời hạn gửi thông tin trên đường dẫn hay chiêu thức truy nhập bus. Lưu ý rằng, ở 1 số ít cấu trúc khác không phải dạng bus, yếu tố xung đột tín hiệu cũng hoàn toàn có thể xảy ra, tuy không hiển nhiên như ở cấu trúc bus. Ví dụ so với cấu trúc mạch vòng, mỗi trạm không phải khi nào cũng có năng lực khống chế trọn vẹn tín hiệu đi qua nó. Hay ở cấu trúc hình sao, hoàn toàn có thể trạm TT không có vai trò dữ thế chủ động, mà chỉ là bộ chia tín hiệu nên năng lực gây xung đột không hề tránh khỏi. Trong những cấu trúc này ta vẫn cần một giải pháp phân loại quyền truy nhập, tuy hoàn toàn có thể đơn thuần hơn so với ở cấu trúc bus. Chính do đó, khái niệm truy nhập môi trường tự nhiên cũng được dùng thay cho truy nhập bus. Tuy nhiên, giống như cách dùng khái niệm chung “ bus trường ” không chỉ dừng lại ở những mạng lưới hệ thống có cấu trúc bus, “ truy nhập bus ” cũng thường được dùng như một khái niệm chung. Phương pháp truy nhập bus là một trong những yếu tố cơ bản so với những mạng lưới hệ thống bus, bởi mỗi giải pháp có những ảnh hưởng tác động khác nhau tới những tính năng kỹ thuật của mạng lưới hệ thống. Cụ thể, ta phải chăm sóc tới tối thiểu ba góc nhìn : độ đáng tin cậy, tính năng thời hạn thực và hiệu suất sử dụng đường truyền. Tính năng thời hạn thực ở đây là năng lực cung ứng nhu yếu trao đổi thông tin một cách kịp thời và an toàn và đáng tin cậy. Còn hiệu suất sử dụng đường truyền là mức độ khai thác, sử dụng đường truyền. Ba yếu tố tương quan tới việc nhìn nhận tính năng thời hạn thực là thời hạn phân phối tối đa, chu kỳ luân hồi bus và độ rung ( jitter ). Thời gian cung ứng tối đa so với một trạm là thời hạn tối đa mà mạng lưới hệ thống truyền thông cần để phân phối một nhu yếu trao đổi tài liệu của trạm đó với một trạm bất kể khác. Rõ ràng, thời hạn cung ứng tối đa không phải là một thông số kỹ thuật cố định và thắt chặt, mà là một hàm của độ dài tài liệu cần trao đổi. Tuy vậy, trong một ứng dụng đơn cử ta thường biết trước độ dài tài liệu tối đa cũng như độ dài tài liệu tiêu
2.4 Truy nhập bus 22 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN biểu mà những trạm cần trao đổi. Do vậy, bên cạnh thời hạn cung ứng tối đa người ta cũng chăm sóc tới thời hạn cung ứng tiêu biểu vượt trội. Do đặc trưng trong kỹ thuật tự động hóa, đa phần những mạng lưới hệ thống bus được sử dụng ở nghành này thao tác theo chu kỳ luân hồi. Chỉ 1 số ít những hoạt động giải trí truyền thông xảy ra không bình thường ( ví dụ thông tin cảnh báo nhắc nhở, tài liệu tham số, … ), còn phần nhiều những tài liệu được trao đổi định kỳ theo chu kỳ luân hồi tuần hoàn của bus. Chu kỳ bus là khoảng chừng thời hạn tối thiểu mà sau đó những hoạt động giải trí truyền thông chính lặp lại như cũ. Trong điều khiển và tinh chỉnh tự động hóa, chu kỳ luân hồi bus tác động ảnh hưởng tới sự đúng mực của chu kỳ luân hồi lấy mẫu tín hiệu. Lưu ý sự khác nhau giữa chu kỳ luân hồi bus và nhịp bus ( xem phần 2.1 ). Có thể dễ thấy, thời hạn cung ứng và chu kỳ luân hồi bus có tương quan với nhau, nhưng không ở mức độ ràng buộc. Chu kỳ bus lớn thường sẽ làm tăng thời hạn cung ứng. Tuy nhiên, thời hạn cung ứng tối đa hoàn toàn có thể nhỏ hoặc lớn hơn một chu kỳ luân hồi bus, nhờ vào vào chiêu thức truy nhập bus. Có thể phân loại cách truy nhập bus thành nhóm những giải pháp tiền định và nhóm những giải pháp ngẫu nhiên ( Hình 2.13 ). Với những giải pháp tiền định, trình tự truy nhập bus được xác lập rõ ràng. Việc truy nhập bus được trấn áp ngặt nghèo theo cách tập trung chuyên sâu ở một trạm chủ ( giải pháp Master / Slave hay chủ / tớ ), theo sự pháp luật trước về thời hạn ( chiêu thức TDMA ) hoặc phân tán bởi những thành viên ( chiêu thức Token Passing ). Nếu mỗi hoạt động giải trí truyền thông được hạn chế bởi một khoảng chừng thời hạn hoặc một độ dài tài liệu nhất định, thì thời hạn phân phối tối đa cũng như chu kỳ luân hồi bus hoàn toàn có thể thống kê giám sát được. Các mạng lưới hệ thống này do đó được gọi có tính năng thời hạn thực. Truy nhËp tiÒn ® Þnh KiÓmso ¸ t tËp trung Master / Slave TDMA Ph − ¬ ng ph ¸ p truy nhËp bus Truy nhËp ngÉu nhiªn KiÓmso ¸ t ph © n t ¸ n Token Passing NhËn biÕt xung ® ét CSMA / CD CSMA / CA Tr ¸ nh xung ® ét Hình 2.13 : Phân loại những chiêu thức truy nhập bus trái lại, trong những giải pháp ngẫu nhiên trình tự truy nhập bus không được lao lý ngặt nghèo trước, mà để xảy ra trọn vẹn theo nhu yếu của những trạm. Mỗi thành viên trong mạng hoàn toàn có thể thử truy nhập bus để gửi thông tin đi bất kỳ khi nào. Để loại trừ mối đe dọa của việc xung đột gây nên, có những giải pháp thông dụng như nhận ra xung đột ( CSMA / CD ) hoặc tránh xung đột ( CSMA / CA ). Nguyên tắc hoạt động giải trí của những chiêu thức này là khi có xung đột tín hiệu xảy ra, thì tối thiểu một trạm phải ngừng gửi và chờ một khoảng chừng thời hạn nào đó trước khi thử lại, mặc dầu năng lực thành công xuất sắc kể cả lúc này cũng không được bảo vệ. Người ta thường coi những hệ thông sử dụng những phương
2.4 Truy nhập bus 23 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN pháp này không có năng lực thời hạn thực. Tuy nhiên, tùy theo nghành nghề dịch vụ ứng dụng đơn cử mà nhu yếu về tính năng thời hạn thực cũng khác nhau. 2.4.2 Chủ / tớ ( Master / Slave ) Trong phương pháp chủ / tớ, một trạm chủ ( master ) có nghĩa vụ và trách nhiệm dữ thế chủ động phân loại quyền truy nhập bus cho những trạm tớ ( slave ). Các trạm tớ đóng vai trò bị động, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi có nhu yếu. Trạm chủ hoàn toàn có thể dùng chiêu thức hỏi tuần tự ( polling ) theo chu kỳ luân hồi để trấn áp hàng loạt hoạt động giải trí tiếp xúc của cả mạng lưới hệ thống. Nhờ vậy, những trạm tớ hoàn toàn có thể gửi những tài liệu tích lũy từ quy trình kỹ thuật tới trạm chủ ( hoàn toàn có thể là một PLC, một PC, v.v… ) cũng như nhận những thông tin tinh chỉnh và điều khiển từ trạm chủ. Master Slave Slave Slave Slave Hình 2.14 : Phương pháp chủ / tớ Trong một số ít mạng lưới hệ thống, thậm chí còn những trạm tớ không có quyền tiếp xúc trực tiếp với nhau, mà bất kể tài liệu cần trao đổi nào cũng phải qua trạm chủ. Nếu hoạt động giải trí tiếp xúc diễn ra theo chu kỳ luân hồi, trạm chủ sẽ có nghĩa vụ và trách nhiệm dữ thế chủ động nhu yếu tài liệu từ trạm tớ cần gửi và sau đó sẽ chuyển tới trạm tớ cần nhận. Trong trường hợp một trạm tớ cần trao đổi tài liệu không bình thường với một trạm khác phải thông tin nhu yếu của mình khi được trạm chủ hỏi đến và sau đó chờ được ship hàng. Trình tự được tham gia tiếp xúc, hay trình tự được hỏi của những trạm tớ hoàn toàn có thể do người sử dụng lao lý trước ( tiền định ) bằng những công cụ tạo lập thông số kỹ thuật. Trong trường hợp chỉ có một trạm chủ duy nhất, thời hạn cần cho trạm chủ triển khai xong việc hỏi tuần tự một vòng cũng chính là thời hạn tối thiểu của chu kỳ luân hồi bus. Do vậy, chu kỳ luân hồi bus hoàn toàn có thể giám sát trước được một cách tương đối chắc như đinh. Đây chính là một trong những yếu tố bộc lộ tính năng thời hạn thực của mạng lưới hệ thống. Phương pháp chủ / tớ có một ưu điểm là việc liên kết mạng những trạm tớ đơn thuần, đỡ tốn kém bởi gần như hàng loạt “ trí tuệ ” tập trung chuyên sâu tại trạm chủ. Một trạm chủ thường lại là một thiết bị điều khiển và tinh chỉnh, vì thế việc tích hợp thêm tính năng giải quyết và xử lý truyền thông là điều không khó khăn vất vả. Một điểm yếu kém của chiêu thức trấn áp tập trung chuyên sâu chủ / tớ là hiệu suất trao đổi thông tin giữa những trạm tớ bị giảm do phải tài liệu phải đi qua khâu trung gian là trạm chủ, dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng đường truyền. Nếu hai trạm tớ cần trao đổi một biến tài liệu đơn thuần với nhau ( một PLC hoàn toàn có thể là trạm tớ ), thì trong trường hợp xấu
2.4 Truy nhập bus 24 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN nhất thời hạn phân phối vẫn hoàn toàn có thể lê dài tới hơn một chu kỳ luân hồi bus. Một giải pháp để cải tổ trường hợp này là được cho phép những trạm tớ trao đổi tài liệu trực tiếp trong một chừng mực được trấn áp, như Hình 2.15 minh họa. Tình huống ở đây là trạm tớ 2 muốn gửi tài liệu cho trạm tớ 1, trong khi trạm tớ 2 lại được trạm chủ hỏi tới sau trạm tớ 1. Sau khi trạm chủ nhu yếu trạm tớ 1 nhận tài liệu ( receive_request ) và trạm tớ 2 gửi tài liệu ( send_request ), trạm tớ 2 hoàn toàn có thể gửi trực tiếp tới trạm tớ 1 ( send_data ). Nhận được lệnh kết thúc từ trạm tớ 2 ( send_completed ), trạm tớ 1 sẽ có nghĩa vụ và trách nhiệm thông tin ngược trở lại trạm chủ ( receive_completed ). Như vậy, việc truy nhập đường truyền cũng không bị chồng chéo lên nhau, mà hai trạm tớ vẫn trao đổi được tài liệu nội trong một chu kỳ luân hồi bus. Master Slave 1 Slave 2 1 : receive_request 2 : send_request 3 : send_data 4 : send_completed 5 : receive_completed Hình 2.15 : Cải thiện trao đổi tài liệu giữa hai trạm tớ Một hạn chế nữa của giải pháp này là độ đáng tin cậy của mạng lưới hệ thống truyền thông phụ thuộc vào trọn vẹn vào một trạm chủ duy nhất. Trong trường hợp có xảy ra sự cố trên trạm chủ thì hàng loạt mạng lưới hệ thống truyền thông ngừng thao tác. Một cách khắc phục là sử dụng một trạm tớ đóng vai trò giám sát trạm chủ và có năng lực thay thế sửa chữa trạm chủ khi thiết yếu. Chính vì hai nguyên do nêu trên, phương pháp chủ / tớ chỉ được dùng phổ cập trong những mạng lưới hệ thống bus cấp thấp, tức bus trường hay bus thiết bị, khi việc trao đổi thông tin hầu hết chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị tinh chỉnh và điều khiển và những trạm tớ là thiết bị trường hoặc những module vào / ra phân tán. Trong trường hợp giữa những thiết bị tớ có nhu yếu trao đổi tài liệu trực tiếp, trạm chủ chỉ có vai trò phân loại quyền truy nhập bus chứ không trấn áp trọn vẹn hoạt động giải trí tiếp xúc trong mạng lưới hệ thống. 2.4.3 TDMA Trong chiêu thức trấn áp truy nhập phân loại thời hạn TDMA ( Time Division Multiple Access ), mỗi trạm được phân một thời hạn truy nhập bus nhất định. Các trạm hoàn toàn có thể lần lượt thay nhau gửi thông tin trong khoảng chừng thời hạn được cho phép – gọi là khe thời hạn hay lát thời hạn ( time slot, time slice ) – theo một tuần tự lao lý sẵn. Việc phân loại này được triển khai trước khi mạng lưới hệ thống đi vào hoạt động giải trí ( tiền định ). Khác với phương pháp chủ / tớ, ở đây hoàn toàn có thể có hoặc không có một trạm chủ. Trong trường hợp có
2.4 Truy nhập bus 25 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN một trạm chủ thì vai trò của nó chỉ hạn chế ở mức độ trấn áp việc tuân thủ bảo vệ giữ đúng lát thời hạn của những trạm khác. Mỗi trạm đều có năng lực đảm nhiệm vai trò dữ thế chủ động trong tiếp xúc trực tiếp với những trạm khác. 1 2 N Theo yªu cÇu Chu kú bus ( chu kú TDMA ). .. Hình 2.16 : Phương pháp TDMA Hình 2.16 minh họa cách phân loại thời hạn cho những trạm trong một chu kỳ luân hồi bus. Ngoài những lát thời hạn phân loại cố định và thắt chặt cho những trạm dùng để trao đổi tài liệu định kỳ ( đánh số từ 1 tới N ), thường còn có một khoảng chừng dự trữ dành cho việc trao đổi tài liệu không bình thường theo nhu yếu, ví dụ gửi thông tin cảnh báo nhắc nhở, mệnh lệnh đặt thông số kỹ thuật, tài liệu tham số, setpoint, … Về nguyên tắc, TDMA hoàn toàn có thể thực thi theo nhiều cách khác nhau. Có thể phân loại thứ tự truy nhập bus theo vị trí sắp xếp của những trạm trong mạng, theo thứ tự địa chỉ, hoặc theo đặc thù của những hoạt động giải trí truyền thông. Cũng hoàn toàn có thể tích hợp TDMA với phương pháp chủ / tớ nhưng được cho phép những trạm tớ tiếp xúc trực tiếp. Có mạng lưới hệ thống lại sử dụng một bức điện tổng hợp có cấu trúc giống như sơ đồ phân loại thời hạn trên Hình 2.16 để những trạm hoàn toàn có thể đọc và ghi tài liệu vào phần tương ứng. 2.4.4 Token Passing Token là một bức điện ngắn không mang tài liệu, có cấu trúc đặc biệt quan trọng để phân biệt với những bức điện mang thông tin nguồn, được dùng tương tự như như một chìa khóa. Một trạm được quyền truy nhập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thời hạn nó được giữ token. Sau khi không có nhu yếu gửi thông tin, trạm đang có token sẽ phải gửi tiếp tới một trạm khác theo một trình tự nhất định. Nếu trình tự này đúng với trình tự sắp xếp vật lý trong một mạch vòng ( tích cực hoặc không tích cực ), ta dùng khái niệm Token Ring ( chuẩn IEEE 802.4 ). Còn nếu trình tự được pháp luật chỉ có đặc thù logic như ở cấu trúc bus ( ví dụ theo thứ tự địa chỉ ), ta nói tới Token Bus ( chuẩn IEEE 802.5 ). Trong mỗi trường hợp đều hình thành một mạch vòng logic. Tr¹m 1 Tr¹m 4 Tr¹m 5 Tr¹m 6 Tr¹m 2 Tr¹m 3 Token Ring Token Tr¹m 3 Tr¹m 4 Tr¹m 5 Tr¹m 6 Tr¹m 1 Tr¹m 2 Token Token Bus Hình 2.17 : Hai dạng của chiêu thức Token Passing
2.4 Truy nhập bus 26 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP. Hà Nội Một trạm đang giữ token không những được quyền gửi thông tin đi, mà còn hoàn toàn có thể có vai trò trấn áp sự hoạt động giải trí một số ít trạm khác, ví dụ kiểm tra xem có trạm nào xảy ra sự cố hay không. Các trạm không có token cũng có năng lực tham gia trấn áp, ví dụ như sau một thời hạn nhất định mà token không được đưa tiếp, hoàn toàn có thể do trạm đang giữ token có yếu tố. Trong trường hợp đó, một trạm sẽ có công dụng tạo một token mới. Chính thế cho nên, Token Passing được xếp vào giải pháp trấn áp phân tán. Trình tự cũng như thời hạn được quyền giữ token, thời hạn phản ứng và chu kỳ luân hồi bus tối đa hoàn toàn có thể giám sát trước, do vậy giải pháp truy nhập này cũng được coi là có tính tiền định. Token Passing cũng hoàn toàn có thể sử dụng tích hợp với phương pháp chủ / tớ, trong đó mỗi trạm có quyền giữ token là một trạm chủ, hay còn được gọi là trạm tích cực. Phương pháp tích hợp này còn được gọi là nhiều chủ ( Multi-Master ), tiêu biểu vượt trội trong hệ PROFIBUS. Các trạm chủ này hoàn toàn có thể là những bộ điều khiển và tinh chỉnh hoặc những máy tính lập trình, còn những trạm tớ ( trạm không tích cực ) là những thiết bị vào / ra phân tán, những thiết bị trường mưu trí. Mỗi trạm chủ quản lý quyền truy nhập của 1 số ít trạm tớ thường trực, trong khi giữa những trạm chủ thì quyền truy nhập bus được phân loại theo cách chuyển token. Tuy nhiên, một trạm đóng vai trò là chủ ở đây không bắt buộc phải có những trạm tớ thường trực. Master ( 1 ) Slave ( 2 ) ( 1 ) Token passing gi ÷ a c ¸ c tr¹m tÝch cùc ( 2 ) Master / slave gi ÷ a mét tr¹m tÝch cùc vµ mét sè tr¹m kh « ng tÝch cùc Master Master Master Master Slave Slave Slave Hình 2.18 : Truy nhập bus phối hợp nhiều chủ ( Multi-Master ) 2.4.5 CSMA / CD CSMA / CD ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ) là một giải pháp nổi tiếng cùng với mạng Ethernet ( IEEE 802.3 ) .
2.4 Truy nhập bus 27 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Thành Phố Hà Nội Nguyên tắc thao tác Theo giải pháp CSMA / CD, mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự trấn áp nào. Phương pháp được thực thi như sau : • Mỗi trạm đều phải tự nghe đường dẫn ( carrier sense ), nếu đường dẫn rỗi ( không có tín hiệu ) thì mới được phát. • Do việc Viral tín hiệu cần một thời hạn nào đó, nên vẫn có năng lực hai trạm cùng phát tín hiệu lên đường dẫn. Chính vì thế, trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không ( collision detection ). • Trong trường hợp xảy ra xung đột, mỗi trạm đều phải hủy bỏ bức điện của mình, chờ một thời hạn ngẫu nhiên và thử gửi lại. 1. carrier sense A ph ¸ t hiÖn xung ® ét, hñy bá bøc ® IÖn Chê mét thêi gian ngÉu nhiªn vµ lÆp l¹i A B C A B C A B C 2. multiple access 3. collision … A B C 4. detection C ph ¸ t hiÖn xung ® ét, hñy bá bøc ® IÖn Chê mét thêi gian ngÉu nhiªn vµ lÆp l¹i Hình 2.19 : Minh họa chiêu thức CSMA / CD Một trường hợp xảy ra xung đột tiêu biểu vượt trội và cách khắc phục được minh họa trên Hình 2.19. Trạm A và C cùng nghe đường dẫn. Đường dẫn rỗi nên A hoàn toàn có thể gửi trước. Trong khi tín hiệu từ trạm A gửi đi chưa kịp tới nên trạm C không hay biết và cũng gửi, gây ra xung đột tại một điểm gần C. A và C sẽ lần lượt nhận được tín hiệu phản hồi, so sánh với tín hiệu gửi đi và phát hiện xung đột. Cả hai trạm sẽ cùng phải hủy bức điện đã gửi đi bằng cách không phát tiếp, những trạm muốn nhận sẽ không nhận được cờ hiệu kết thúc bức điện và sẽ coi như bức điện không hợp lệ. A và C cũng hoàn toàn có thể gửi đi một tín hiệu “ jam ” đặc biệt quan trọng để báo cho những trạm cần nhận ra. Sau đó mỗi trạm sẽ chờ một thời hạn chờ ngẫu nhiên, trước khi thử phát lại. Thời gian chờ ngẫu nhiên ở đây tuy nhiên phải được tính theo một thuật toán nào đó để sao cho thời hạn chờ ngắn một cách hài hòa và hợp lý và không giống nhau giữa những trạm cùng chờ. Thông thường thời hạn chờ này là một bội số của hai lần thời hạn Viral tín hiệu TS.
2.4 Truy nhập bus 28 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP. Hà Nội Ưu điểm của CSMA / CD là đặc thù đơn thuần, linh động. Khác với những giải pháp tiền định, việc ghép thêm hay bỏ đi một trạm trong mạng không tác động ảnh hưởng gì tới hoạt động giải trí của mạng lưới hệ thống. Chính thế cho nên, chiêu thức này được vận dụng thoáng rộng trong mạng Ethernet. Nhược điểm của CSMA / CD là tính bất định của thời hạn phản ứng. Các trạm đều bình đẳng như nhau nên quy trình chờ ở một trạm hoàn toàn có thể lặp đi lặp lại, không xác lập được tương đối đúng chuẩn thời hạn. Hiệu suất sử dụng đường truyền cho nên vì thế cũng thấp. Rõ ràng, nếu như không tích hợp thêm với những kỹ thuật khác thì chiêu thức này không thích hợp với những cấp thấp, yên cầu trao đổi tài liệu định kỳ, thời hạn thực. Điều kiện ràng buộc Khả năng triển khai giải pháp CSMA / CD bị hạn chế bởi một điều kiện kèm theo ràng buộc giữa chiều dài dây dẫn, vận tốc truyền thông và chiều dài bức điện. Chỉ khi một trạm phát hiện được xung đột xảy ra trong khi bức điện chưa gửi xong mới có năng lực hủy bỏ bức điện ( hoàn toàn có thể chỉ đơn thuần bằng cách không gửi tiếp cờ hiệu kết thúc ). Còn nếu bức điện đã được gửi đi xong rồi mới phát hiện xảy ra xung đột thì đã quá muộn, một trạm khác hoàn toàn có thể đã nhận được và giải quyết và xử lý bức điện với nội dung xô lệch. Trong trường hợp xấu nhất hai trạm cùng gửi thông tin hoàn toàn có thể ở hai đầu của dây dẫn, trạm thứ hai chỉ gửi điện trước khi tín hiệu từ trạm thứ nhất tới một chút ít. Tín hiệu bị xung đột xảy ra ở đây phải mất thêm một khoảng chừng thời hạn nữa đúng bằng thời hạn Viral tín hiệu tiến sỹ mới quay trở lại tới trạm thứ nhất. Như vậy điều kiện kèm theo triển khai giải pháp CSMA / CD là thời hạn gửi một bức điện phải lớn hơn hai lần thời hạn Viral tín hiệu, tức : ( Chiều dài bức điện n / Tốc độ truyền v ) > 2TS < => n / v > 2 l / ( 0,66 * 300.000.000 ), với l là chiều dài dây dẫn và thông số k = 0,67 < => lv < 100.000.000 n Đây chính là điều kiện kèm theo ràng buộc trong việc nâng cao vận tốc và tăng chiều dài dây dẫn. Ví dụ so với một mạng Fast Ethernet ( 100M bit / s ) có chiều dài 100 m thì một bức điện không hề ngắn hơn 100 bit. Hệ quả của điều kiện kèm theo ràng buộc này là hiệu suất truyền thông sẽ rất thấp nếu như tài liệu cần trao đổi không lớn. Một lần nữa, ta thấy rằng giải pháp này không thích hợp lắm cho những mạng lưới hệ thống mạng cấp thấp. 2.4.6 CSMA / CA Nguyên tắc thao tác CSMA / CA là thuật ngữ viết tắt từ Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance. Tương tự như CSMA / CD, mỗi trạm đều phải nghe đường dẫn trước khi gửi cũng như sau khi gửi thông tin. Tuy nhiên, một giải pháp mã hóa bit thích hợp được sử dụng ở đây để trong trường hợp xảy ra xung đột, một tín hiệu sẽ ép chế tín hiệu kia. Ví dụ tương ứng với bit 0 là mức điện áp cao sẽ ép chế mức điện áp thấp của bit 1 .
2.4 Truy nhập bus 29 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Thành Phố Hà Nội T1 0 1 0 * T2 0 1 1 * R1 0 1 0 R2 0 1 0 0 1 0 1 Ph ¸ t hiÖn lçi — > ngõng ph ¸ t Møc tÝn hiÖu lÊn ¸ t — > ph ¸ t tiÕp Hình 2.20 : Minh họa giải pháp CSMA / CA Một trường hợp tiêu biểu vượt trội được minh họa trên Hình 2.20. T1 là thông tin do trạm 1 gửi đi và R1 là thông tin trạm 1 nghe được phản hồi từ đường dẫn, T2 là thông tin do trạm 2 phát đi và R2 là thông tin trạm 2 nghe được. Khi hai bức điện khác nhau ở một bit nào đó, trạm thứ hai sẽ phát hiện ra xung đột và ngừng phát, còn trạm thứ nhất có mức tín hiệu ép chế nên coi như không có chuyện gì xảy ra và liên tục phát. Trạm thứ hai hoàn toàn có thể chờ một thời hạn ngẫu nhiên, hoặc chờ khi nào đường dẫn rỗi trở lại sẽ gửi. Điều kiện ràng buộc Điều kiện để thực thi theo chính sách trên là mỗi trạm đều phải nhận được tín hiệu phản hồi tương ứng với bit vừa gửi, trước khi gửi một bit tiếp theo, như vậy mới có năng lực dừng lại kịp thời khi xảy ra xung đột cũng như để bit tiếp theo không bị tác động ảnh hưởng. Như vậy, thời hạn bit TB phải lớn hơn hai lần thời hạn Viral tín hiệu tiến sỹ, hay là : 1 / v > 2TS, với v là vận tốc truyền < => 1 / v > 2 l / ( 0,67 * 300.000.000 ) < => lv < 100.000.000 với l là chiều dài dây dẫn và thông số k = 0,67. Ví dụ, với vận tốc truyền là 1M bit / s thì chiều dài dây dẫn phải nhỏ hơn 100 m. Rõ ràng, điều kiện kèm theo ràng buộc ở đây tuy ngặt nghèo hơn so với ở giải pháp CSMA / CD, nhưng không tương quan tới chiều dài tối thiểu của một bức điện. Quy định mức ưu tiên Mỗi bức điện đều được mở màn bằng một dãy bit đặc biệt quan trọng được gọi là cờ hiệu, sau đó là tới những phần khác như thông tin trấn áp, địa chỉ, ... Đối với giải pháp CSMA / CA, hoàn toàn có thể sử dụng mức ưu tiên cho mỗi trạm ( hoặc theo loại thông tin ) và gắn mã ưu tiên ( 001, 010, v.v... ) vào phần đằng sau cờ hiệu của mỗi bức điện. Bức điện nào có mức ưu tiên cao hơn ( tức mã số ưu tiên thấp hơn ) sẽ ép chế những bức điện khác. Trong trường hợp sử dụng mức ưu tiên theo trạm, hoàn toàn có thể lấy chính địa chỉ của trạm làm mã số ưu tiên. Cũng hoàn toàn có thể phối hợp phương pháp định mức ưu tiên theo loại thông tin và theo địa chỉ. Một bức điện có mức ưu tiên cao nhất được xét trước hết theo loại thông tin và sau đó theo địa chỉ trạm .
2.4 Truy nhập bus 30 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP. Hà Nội Nhờ có giải pháp sử dụng mức ưu tiên mà tính năng thời hạn thực của mạng lưới hệ thống được cải tổ. Có thể thấy rõ, tuy bị hạn chế về vận tốc truyền và chiều dài dây dẫn, hiệu suất sử dụng đường truyền ở giải pháp này rất cao. Các trạm chỉ gửi thông tin đi khi có nhu yếu và nếu xảy ra xung đột thì một trong hai bức điện vẫn liên tục được gửi đi .
2.5 Bảo toàn tài liệu 31 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Thành Phố Hà Nội 2.5 Bảo toàn tài liệu 2.5.1 Đặt yếu tố Bảo toàn tài liệu là giải pháp sử dụng giải quyết và xử lý giao thức để phát hiện và khắc phục lỗi, trong đó phát hiện lỗi đóng vai trò số 1. Khi đã phát hiện được lỗi, hoàn toàn có thể có cách Phục hồi tài liệu, hay giải pháp đơn thuần hơn là nhu yếu gửi lại tài liệu. Các chiêu thức bảo toàn tài liệu thông dụng là : • Parity bit 1 chiều và 2 chiều • CRC ( Cyclic Redundancy Check ) • Nhồi bit ( Bit stuffing ). Nguyên lý cơ bản Nhiệm vụ bảo toàn tài liệu là một hoàn toàn có thể sắp xếp thuộc lớp 2 ( lớp link tài liệu ) trong quy mô quy chiếu OSI. Trong quy trình mã hóa nguồn, bên gửi bổ trợ một số ít thông tin phụ trợ, được tính theo một thuật toán quy ước vào bức điện cần gửi đi. Dựa vào thông tin hỗ trợ này mà bên nhận hoàn toàn có thể trấn áp và phát hiện ra lỗi trong tài liệu nhận được ( giải thuật ). Chú ý rằng kể cả thông tin nguồn và thông tin phụ trợ đều hoàn toàn có thể bị lỗi, nên phải xem xét quan hệ giữa lượng thông tin nguồn và lượng thông tin phụ trợ, nếu không một chiêu thức bảo toàn tài liệu sẽ không đạt được mong ước về độ an toàn và đáng tin cậy của tài liệu, thậm chí còn hoàn toàn có thể sẽ phản tác dụng. Trước khi nghiên cứu và phân tích, nhìn nhận công dụng của những giải pháp bảo toàn tài liệu, cần đưa ra 1 số ít định nghĩa như dưới đây. Tỉ lệ bit lỗi Tỉ lệ bit lỗi p là thước đo đặc trưng cho độ nhiễu của kênh truyền dẫn, được tính bằng tỉ lệ giữa số bit bị lỗi trên tổng số bit được truyền đi. Nói một cách khác, tỉ lệ bit lỗi chính là Tỷ Lệ một bit truyền đi bị lỗi. Lưu ý rằng, tỉ lệ bit lỗi xấu nhất không phải là 1, mà là 0,5. Trong trường hợp p = 1, tức là bất kỳ bit nào truyền đi cũng bị rơi lệch, ta chỉ việc hòn đảo lại tổng thể những bit để Phục hồi lại tài liệu. Khi p = 0,5 tức Tỷ Lệ cứ hai bit truyền đi lại có một bit bị lỗi thì đường truyền này trọn vẹn không sử dụng được, bởi theo kim chỉ nan thông tin thì không hề có một giải pháp bảo toàn tài liệu nào hoàn toàn có thể vận dụng đáng tin cậy, có hiệu suất cao. Trong kỹ thuật, p = 10-4 là một giá trị thường đồng ý được. Một đường truyền có tỉ lệ bit lỗi như vậy hoàn toàn có thể thực thi được tương đối thuận tiện. Tỉ lệ lỗi còn lại Tỉ lệ lỗi còn lại R là thông số kỹ thuật đặc trưng cho độ an toàn và đáng tin cậy tài liệu của một mạng lưới hệ thống truyền thông, sau khi đã thực thi những giải pháp bảo toàn ( kể cả truyền lại trong trường hợp phát hiện ra lỗi ). Tỉ lệ lỗi còn lại được tính bằng tỉ lệ giữa số bức điện còn bị lỗi không phát hiện được trên tổng số bức điện đã được truyền. Đương nhiên, giá trị này không những nhờ vào vào tỉ lệ bit lỗi và giải pháp bảo toàn tài liệu mà còn phụ
2.5 Bảo toàn
dữ liệu 32
Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
thuộc vào chiều dài trung bình của các bức điện. Một bức điện càng dài thì xác suất lỗi
càng lớn.
Thời gian trung bình giữa hai lần lỗi
Tỉ lệ lỗi còn lại là một thông số tương đối khó hình dung, vì vậy trong thực tế người
ta hay xét tới thời gian trung bình giữa hai lần lỗi TMTBF (MTBF = Mean Time Between
Failures). Thông số này có liên quan chặt chẽ tới giá trị tỉ lệ lỗi còn lại:
TMTBF = n/(v*R),
với n là chiều dài bức điện tính bằng bit và v là tốc độ truyền tính bằng bit/s. Giả sử
một bức điện có chiều dài n = 100 bit được truyền liên tục với tốc độ 1200 bit/s, quan hệ
giữa tỉ lệ bit lỗi và thời gian trung bình giữa hai lần lỗi sẽ được thể hiện như sau:
R TMTBF
10-6 1 ngày
10-10 26 năm
10-14 260 000 năm
Khoảng cách Hamming (Hamming Distance, HD)
Khoảng cách Hamming (gọi theo nhà khoa học Mỹ R.W. Hamming) là thông số đặc
trưng cho độ bền vững của một mã dữ liệu, hay nói cách khác chính là khả năng phát
hiện lỗi của một phương pháp bảo toàn dữ liệu. HD có giá trị bằng số lượng bit lỗi tối
thiểu mà không đảm bảo chắc chắn phát hiện được trong một bức điện. Nếu trong một
bức điện chỉ có thể phát hiện một cách chắc chắn k bit bị lỗi, thì HD = k+1. Ví dụ, nếu
một lỗi duy nhất có thể phát hiện được một cách chắc chắn (như trong phương pháp
dùng parity bit 1 chiều), thì khoảng cách Hamming là 2. Đây là giá trị tối thiểu mà một
phương pháp truyền đòi hỏi. Các hệ thống bus trường thông dụng thường có khoảng
cách Hamming là 4, các hệ thống đạt độ tin cậy rất cao với HD = 6.
Theo lý thuyết thông tin thì số lượng bit lỗi chắc chắn phát hiện được không bao giờ
lớn hơn lượng thông tin phụ trợ dùng để kiểm lỗi. Đương nhiên, muốn đạt được giá trị
HD lớn thì phải tăng lượng thông tin phụ trợ, nhưng ta cũng chú ý khía cạnh phản tác
dụng của thông tin phục trợ đã được nhắc tới – khi mà thông tin phụ trợ cũng có thể bị
lỗi.
Hiệu suất truyền dữ liệu
Hiệu suất truyền dữ liệu E là một thông số đặc trưng cho việc sử dụng hiệu quả các
bức điện phục vụ chức năng bảo toàn dữ liệu, được tính bằng tỉ lệ số bit mang thông tin
nguồn (bit dữ liệu) không bị lỗi trên toàn bộ số bit được truyền. Ta có:
E = m (1-p)n
/n
m – Số lượng bit dữ liệu trong mỗi bức điện
n – Chiều dài bức điện
p – Tỉ lệ bit lỗi
Ví dụ 1:

Xem thêm: Lịch sử Internet – Wikipedia tiếng Việt
2.5 Bảo toàn tài liệu 33 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP.HN m = 8 bit n = 11 bit ( 1 bit đầu + 8 bit tài liệu + 1 bit chẵn lẻ + 1 bit cuối ) p = 10-3 Hiệu suất truyền tài liệu E = 0,72. Ví dụ 2 : m = 8 bit n = 24 bit ( 4 bit đầu + 8 bit tài liệu + 8 bit CRC + 4 bit cuối ) p = 10-3 Hiệu suất truyền tài liệu E = 0,325. Ví dụ 3 : m = 8 bit n = 19 bit ( 4 start bit + 8 bit tài liệu + 3 bit CRC + 4 stop bit ) p = 10-3 Hiệu suất truyền tài liệu E = 0,413. Rõ ràng, việc tăng lượng thông tin phụ trợ ở một chừng mực nào đó hoàn toàn có thể tăng độ đáng tin cậy cho tài liệu, tuy nhiên hiệu suất cao truyền tài liệu do đó cũng giảm đi. Như đã bàn, nếu tỉ lệ bit lỗi p = 0,5 thì bức điện nhận được trọn vẹn không có giá trị. Điều đó có nghĩa là, số lượng bit kiểm lỗi không khi nào thiết yếu phải bằng hoặc lớn hơn 50% số bit tài liệu. So sánh ví dụ 2 và ví dụ 3, ta sẽ thấy sự lựa chọn 3 bit thông tin kiểm lỗi ở ví dụ 3 đúng đắn hơn trên cả phương diện hiệu suất cao truyền tài liệu và độ đáng tin cậy tài liệu. 2.5.2 Bit chẵn lẻ ( Parity bit ) Bit chẵn lẻ là một giải pháp kiểm tra lỗi đơn thuần, được vận dụng rất thoáng rộng. Nguyên tắc thao tác được miêu tả như sau. Tùy theo tổng số những bit 1 trong thông tin nguồn là chẵn hay lẻ mà ta thêm vào một bit thông tin phụ trợ p = 0 hoặc p = 1, gọi là parity bit, hay bit chẵn lẻ. Trong trường hợp này, ta cũng gọi là parity bit một chiều. Phương pháp này rất đơn thuần và hiệu suất cao. Giá trị của bit chẵn lẻ p phụ thuộc vào vào cách chọn : • Nếu chọn parity chẵn, thì p bằng 0 khi tổng số bit 1 là chẵn. • Nếu chọn parity lẻ, thì p bằng 0 khi tổng số bit 1 là lẻ. Giả sử chỉ một hoặc ba bit trong bức điện gửi đi bị hòn đảo, bên nhận sẽ so sánh và phát hiện được. Nhưng chỉ cần hai bit trong một bức điện bị lỗi, thì bên nhận sẽ không phát hiện được nhờ bit chẵn lẻ. Nói một cách khác, số bit lỗi chắc như đinh phát hiện được ở đây là chỉ 1. Vì vậy, khoảng cách Hamming của chiêu thức bit chẵn lẻ một chiều luôn là 2. Điều này nói lên năng lực phát hiện lỗi thấp, thế cho nên bit chẵn lẻ ít khi được dùng độc lập mà thường phải tích hợp với những chiêu thức khác. Như đã nêu, tỉ giữa chiều dài thông tin nguồn và thông tin hỗ trợ ảnh hưởng tác động mạnh tới hiệu suất cao của giải pháp. Ở đây, thông tin hỗ trợ chỉ là 1 bit. Trong thực tiễn, chiều dài thông tin nguồn thường được chọn là 7 hoặc 8 bit. Một ví dụ tiêu biểu vượt trội sử dụng bit chẵn lẻ đã được nêu trong giao thức UART ( xem phần 2.4.2 ) .
2.5 Bảo toàn tài liệu 34 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Thành Phố Hà Nội 2.5.3 Bit chẵn lẻ 2 chiều Phương pháp dùng bit chẵn lẻ hai chiều còn được gọi là giải pháp bảo toàn khối. Dãy bit mang thông tin nguồn được sắp xếp lại thành từng khối vuông ( trong tưởng tượng ), coi như có hai chiều. Trong thực tiễn người ta hay chọn 7 hàng và 7 cột. Việc tính bit chẵn lẻ được thực thi theo cả hai chiều hàng và cột. Dưới đây là ví dụ một bức điện sử dụng bit chẵn lẻ 2 chiều không bị lỗi, với cấu trúc ( 7 + 1 ) x ( 7 + 1 ) và parity chẵn. Một điểm đáng quan tâm là số bit 1 hoặc 0 ở cột p ( tính parity theo hàng ) cũng giống như ở hàng p ( tính parity theo cột ), nên bit sau cuối giao nhau giữa hàng p và cột p hoàn toàn có thể tính parity theo hàng hoặc cột. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. p 1. 0 1 0 0 1 0 1 1 2. 1 0 0 1 0 0 0 0 3. 1 1 1 0 1 1 1 0 4. 0 1 0 1 0 1 0 1 5. 1 1 1 1 0 1 1 0 6. 0 0 0 1 1 1 1 0 7. 1 1 0 0 1 1 0 0 p 0 1 0 0 0 1 0 0 Trong trường hợp chỉ một bít bị hòn đảo, ví dụ ở hàng thứ 3 và cột thứ 4 trong bảng sau đây, thì lỗi đó không những phát hiện được, mà ta còn hoàn toàn có thể cho rằng lỗi xác định được và thế cho nên sửa được .
2.5 Bảo toàn tài liệu 35 Bài giảng : Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK TP. Hà Nội 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. p 1. 0 1 0 0 1 0 1 1 2. 1 0 0 1 0 0 0 0 3. 1 1 1 1 1 1 1 0 4. 0 1 0 1 0 1 0 1 5. 1 1 1 1 0 1 1 0 6. 0 0 0 1 1 1 1 0 7. 1 1 0 0 1 1 0 0 p 0 1 0 0 0 1 0 0 Tương tự như vậy, hai bit bị lỗi nằm khác hàng và khác cột sẽ phát hiện được và sửa được. Tuy nhiên, nếu hai bit bị lỗi lại nằm cùng một cột hay cùng một hàng, thì chúng chỉ hoàn toàn có thể phát hiện nhưng không xác định được. Trong trường hợp 3 bit bị hòn đảo, bên nhận vẫn chắc như đinh phát hiện được có lỗi. Tuy nhiên, một điều rất mê hoặc là ở đây bên nhận không chứng minh và khẳng định được số lỗi là 1 hay là 3. Xác định nhầm số lỗi ở đây là 1 sẽ dẫn đến nhầm lẫn tai hại khi tìm cách sửa bit lỗi. Lật lại yếu tố ở ví dụ một lỗi hoặc hai lỗi ( khác hàng và khác cột ) xét ở trên, rõ ràng bên nhận không có cách gì xác lập được số lỗi một cách đúng mực mà chỉ biết được số lỗi là chẵn hoặc lẻ. Tồi tệ hơn nữa là khi chính những parity bit hoàn toàn có thể bị lỗi. Như vậy hoàn toàn có thể Tóm lại rằng ngay cả với giải pháp parity hai chiều này, bên nhận nếu có phát hiện ra lỗi cũng không có năng lực sửa lỗi một cách đáng tin cậy. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. p 1. 0 1 0 0 1 0 1 1 2. 1 0 0 1 0 0 0 0 3. 1 1 1 1 0 1 1 0 4. 0 1 0 1 0 1 0 1 5. 1 1 1 0 1 1 1 0 6. 0 0 0 1 1 1 1 0 7. 1 1 0 0 1 1 0 0 p 0 1 0 0 0 1 0 0 Ta xét tiếp trường hợp 4 bit bị lỗi cùng nằm ở 2 hàng và 2 cột bất kể. Cách tính chẵn lẻ theo cả hai chiều đều không phát hiện được, tuy Phần Trăm xảy ra trường hợp này rất nhỏ. Vậy khoảng cách Hamming của mã dữ liệu thực thi theo giải pháp này là 4 .

Source: https://thomaygiat.com
Category : Kỹ Thuật Số

mạng truyền thông công nghiệp

Chuyển vùng quốc tế MobiFone và 4 điều cần biết – MobifoneGo

Cách copy dữ liệu từ ổ cứng này sang ổ cứng khác

Hướng dẫn xử lý dữ liệu từ máy chấm công bằng Excel

Cách nhanh nhất để chuyển đổi từ Android sang iPhone 11 | https://thomaygiat.com

Giải pháp bảo mật thông tin trong các hệ cơ sở dữ liệu phổ biến hiện nay

4 điều bạn cần lưu ý khi sao lưu dữ liệu trên máy tính