СТА 3/2010

ные станции, подразумевает сеть пере дачи данных, гарантирующую доставку каждого пакета данных от отправителя к получателю строго в заданный период времени. Пакет для передачи от локаль ного к удалённому компьютеру по сети можно также рассматривать в качестве задачи. Ответственным за исполнение такой задачи в данном случае будет про токол передачи данных, реализованный в сети. По аналогии с общим примером в сетях реального времени можно выде лить сети жёсткого реального времени. Привлекательность Ethernet для сетей реального времени связана с его основ ными преимуществами. В техническом плане это прежде всего скорость: стан дарты Fast иGigabit Ethernet (100Мбит/с и 1 Гбит/с) многократно обгоняют са мую быструю полевую шину PPOFIBUS (12 Мбит/с), функционирующую в ре альном времени. Другая причина в са мом протоколе: он сертифицирован по IEEE и ISO, использует стек протоколов TCP/IP, имеющий широкую аппарат ную и программную поддержку. Однако Ethernet, определённый в стандарте IEEE 802.3, не может обеспе чить функционирование системы в ре альном времени. Причина находится внутри протокола IEEE 802.3. На ка нальном уровне в нём заложен меха низм доступа CSMA/CD (множествен ный доступ с контролем несущей и об наружением коллизий), описывающий поведение участника сети при отправке и приёме данных. Начать передачу дан ных конкретная станция может, только когда дождётся окончания передачи данных другими участниками. Интер вал ожидания зависит от целого ряда причин и является величиной произ вольной. Соответственно, рассчитать гарантированную длительность цикла передачи данных практически не представляется возможным. Схематич но этот процесс показан на рисунке 2. Основное достоинство CSMA/CD – регулировка загруженности канала. При возрастании загруженности число кол лизий увеличивается, также увеличива ется и интервал задержки. Последний, собственно, и является той самой не определённостью, недопустимой для функционирования в реальном времени. Таким образом, чтобы Ethernet функ ционировал в реальном времени, необ ходимо ввести дополнительный меха низм, позволяющий избежать коллизий. Такие механизмы есть в Ethernet сов местимых протоколах реального време ни EtherNet/IP, PROFINET, EtherCAT, Powerlink. Отдельного упоминания так же заслуживает стандарт IEEE1588, поз воляющий синхронизировать таймеры абонентов сети с высокой точностью. Ч ТО ТАКОЕ E THER N ET /IP? EtherNet/IP (Ethernet Industrial Proto col) – это открытый протокол уровня приложений, разработанный совместно международными ассоциациями Cont rolNet International, Open DeviceNet Vendors Association, Industrial Ethernet Association. Если обращаться к 7 уровне вой модели OSI/ISO, на первых четырёх уровнях (физическом, канальном, сете вом и транспортном) изменений в струк туре нет. Используется та же физическая среда 802.3, MAC адреса, протокол IP, протоколы TCP и UDP. На прикладном уровне (с 5 го по 7 й) используется уже специальный объектно ориентирован ный протокол CIP (Common Industrial Protocol), применяемый также в сетях ControlNet и DeviceNet. Функциониро вание в режиме реального времени обес печивается специальным расширением протокола CIP – CIPSync, основанным на протоколе временной синхронизации IEEE 1588. Для передачи трафика EtherNet/IP использует протоколы TCP/UDP/IP. Для установления соединения и пере дачи некритичного по времени трафи ка используется TCP, преимуществом которого является гарантированность доставки данных. Для критичных ко времени доставки данных необходим UDP, работающий в режиме адресной или многоадресной посылки данных от отправителя к получателю. Для реализации протокола EtherNet/IP можно сформулировать ряд рекоменда ций, позволяющих повысить детермини рованность сети: ● каждый сегмент (группа участников, обменивающихся данными в реаль ном времени) сети EtherNet/IP дол жен находиться в собственной вир туальной сети VLAN; ● функции резервирования линий связи (RSTP – Rapid Spaning Tree Protokol – и прочие) должны быть отключены; ● каждый сегмент должен иметь топо логию «звезда» с управляемым ком мутатором 2 го уровня OSI. На ком мутаторе нужно задействовать режим IGMP Snooping, отфильтровываю щий паразитные широковещатель ные сообщения в сети; ● в ряде случаев для функционирова ния сегментов EtherNet/IP в реаль ном времени необходимо примене ние коммутаторов 3 го уровня, реали зующих функцию TTL (Time to Live). Данная функция позволяет отфиль тровывать нежелательные многоад ресные пакеты данных, например, при трансляции IP видеосигнала. Все эти меры направлены на макси мальное устранение любого посторон него трафика в сети. При несоблю дении данных мер в сети могут возни кать дополнительные неопределённые задержки передачи данных. Использование в EtherNet/IP прото кола UDP для передачи критичного ко времени доставки трафика вносит оп ределённую погрешность и непредска зуемость в режим передачи. Несмотря на это EtherNet/IP условно можно на звать протоколом реального времени для тех случаев, где максимальная по грешность для времени доставки дан ных удовлетворяет условиям техноло гического процесса. Например, для сегмента сети с топологией «звезда», где данные от 8 источников собирают ся одним клиентом, гарантировано время доставки 7 мс. Для множества «нежёстких» времен ны? х процессов (HMI и пр.), сетей, cо пряжённых с DeviceNet, EtherNet/IP является оптимальным решением. Ис пользовать Ethernet/IP для сетей жёст кого реального времени, например, от вечающих за контроль вращения приво дов, можно в случае применения сете вого оборудования с поддержкой син хронизации часов по протоколу РТР ОБ ЗОР / П РОМЫШЛ Е ННЫЕ С Е Т И 9 СТА 3/2010 www.cta.ru Время CSMA/CD Ожидание Ожидание Задержка1 Задержка2 Ожидание Устройство 1 Устройство 2 Устройство 3 Передача Передача Передача Передача Коллизия Коллизия Передача Рис. 2. Передача данных по методу CSMA/CD © СТА-ПРЕСС