МОСТЫ и ШЛЮЗЫ
Мосты, шлюзы, преобразователи интерфейсов, повторители, коммутаторы…, если сюда добавить еще наименования этих устройств на английском языке, то запутаться в терминологии будет совсем просто.
Мосты, шлюзы, преобразователи интерфейсов, повторители, коммутаторы…, если сюда добавить еще наименования этих устройств на английском языке, то запутаться в терминологии будет совсем просто. Для того, чтобы лучше разобраться в назначении всех вышеперечисленных устройств, нужно вспомнить модель OSI — модель взаимодействия открытых систем, которая определяет различные уровни сетевого взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.
1. Физический уровень (Physical Link Layer) является низшим в этой модели и определяет физические среды передачи данных и характеристики передаваемых дискретных сигналов.
2. На Канальном уровне (Data Link Layer) проверяется доступность среды передачи и реализуются механизмы обнаружения и коррекции ошибок.
3. Сетевой уровень (Network Layer) обеспечивает обмен данными между различными сетями.
4. Транспортный уровень (Transport Layer) обеспечивает передачу данных с заданной степенью надежности.
5. Сеансовый уровень (Session Layer) управляет «диалогами», определяя активную сторону и предоставляя средства синхронизации.
6. Представительный уровень (Presentation Layer) обеспечивает единство формы передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания.
7. Прикладной уровень (Application Layer) представляет собой набор разнообразных протоколов доступа к разделяемым ресурсам и организации совместной работы.
Для пояснения можно сказать, что интерфейс RS-232 использует только Уровень 1, обеспечивая связь «точка-точка» без электрических конфликтов.
Ethernet и протокол TCP/IP охватывают четыре первых Уровня модели OSI, что обеспечивает более широкие функциональные возможности. Два узла сети Ethernet TCP/IP могут установить соединение, обмениваться данными, корректировать возникающие ошибки, хотя при этом они не будут «понимать» друг друга, т. к. в протоколе TCP/IP не обеспечена поддержка Прикладного уровня 7. Для полноценного обмена данными по сети Ethernet TCP/IP устройства должны поддерживать протоколы Прикладного уровня, такие как HTTP, FTP, SNMP.
В области промышленных коммуникаций есть свои стандартные протоколы Уровня 7, которые обеспечивают обмен данными в реальном времени, предоставляют возможность удаленного конфигурирования устройств и другие специфические возможности. Для примера можно привести протоколы Ethernet/IP (IP = Industrial Protocol) и Modbus-TCP, которые используются поверх протокола TCP/IP.
В заключение этих теоретических рассуждений следует отметить, что многие распространенные протоколы поддерживают модель OSI лишь выборочно, описывая только часть Уровней и неполностью (без четкого их разграничения). Модель OSI не является универсальной и всеохватывающей, но прекрасно выступает в качестве «точки отсчета», в качестве эталона при описании и сравнении разнообразных средств и способов сетевого взаимодействия.
Преобразователи интерфейсов (Media Converters) и повторители (Repeaters)
Преобразователи интерфейсов работают обычно на Уровне 1 модели OSI (некоторые модели могут поддерживать и Уровень 2). Эти устройства только принимают сигналы от одной среды передачи и преобразуют их для другой среды передачи данных, не внося никаких изменений в структуру самих данных. К этой категории относятся конвертеры «RS-232 — RS-485», преобразователи «медь — оптоволокно» сетей Ethernet и множество других подобных устройств.
Так же при передаче данных неизбежно появляются ослабление и искажения сигналов и, если сетевой кабель имеет достаточно большую длину, сигналы могут стать неузнаваемыми. Для того, чтобы этого не происходило, и применяют повторители (репитеры, ретрансляторы), которые позволяют значительно увеличить расстояния между узлами сети. Повторители работают исключительно на Уровне 1, не выполняют никаких преобразований и могут рассматриваться как усилители передаваемого сигнала.
Преобразователи интерфейсов и повторители выпускаются многими производителями и широко применяются для организации промышленных сетей.
Ethernet-Коммутаторы (Switches)
Ethernet становится все более популярным в промышленности в качестве дополнения к стандартным полевым шинам, предоставляя широкую полосу пропускания и дополнительные сервисы типа web и e-mail. Большую роль играет и довольно низкая стоимость Ethernet-устройств в силу их повсеместной распространенности. Однако технология CSMA/CD дает непредсказуемую производительность сети и не может обеспечить детерминированность передачи данных в системах реального времени.
Использование коммутаторов позволяет улучшить эту ситуацию, избавиться от коллизий в сети и сделать Ethernet хорошим выбором для большинства промышленных применений.
Ethernet-коммутаторы можно рассматривать в качестве интеллектуальных многопортовых повторителей — кроме усиления сигналов выполняется еще и логический анализ получаемых пакетов информации. Все входящие данные автоматически проверяются на целостность и соответствие контрольной сумме (CRC) и при положительном результате перенаправляются только на тот порт, к которому подключен приемник данных.
Ethernet-коммутаторы в настоящее время широко распространены и так же, как и преобразователи, выпускаются многими производителями. Однако, если рассматривать модели коммутаторов именно для промышленного применения, круг производителей значительно сужается.
Мосты (Bridges) и шлюзы (Gateways)
Мостом называется устройство, соединяющее две отдельные сети или два сегмента одной сети, использующих одинаковые протоколы. В терминологии OSI мост является системой максимум четвертого Транспортного уровня передачи данных. Мосты могут устанавливать соединение, передавать данные и фильтровать пакеты, т. е. передавать в другие сегменты или сети только часть трафика на основе информации канального уровня. Но всю информацию мост передает «вслепую», т. к. поддерживаемые им Уровни модели OSI не имеют механизмов самостоятельной обработки данных. В целом, по принципу обработки данных мост ничем не отличается от рассмотренного выше коммутатора. Основное их отличие состоит в том, что коммутатор является многопортовым устройством и, в основном, ассоциируется с сетями Ethernet, а мост — чаще всего одноканальный, и как термин ближе пользователям, работающим с полевыми шинами.
Шлюз — это более сложное устройство, которое позволяет объединять различные сети, одновременно решая проблемы несовместимости физических сред передачи, различия протоколов и систем адресации. Шлюз извлекает из посылки нужную информацию и повторно упаковывает ее в формат, действующий на стороне получателя. Возвращаясь к рассмотренной выше модели OSI, можно сказать, что шлюзы поддерживают данную модель в полном объеме — от Уровня 1 до Уровня 7. Это позволяет обеспечить полную свободу обмена данными между различными сетями и исключить проблемы несовместимости. Используя шлюзы, можно достаточно быстро и просто соединить две различных сети, например, Ethernet/IP и CANopen или Modbus и Profibus.
Как уже было сказано, полноценный шлюз — это достаточно сложное устройство как с аппаратной, так и с программной стороны. По этой причине производителей подобных устройств во всем мире не так много — их можно пересчитать по пальцам.
Коммуникационные технологии Anybus
Одним из признанных мировых лидеров в области промышленных коммуникаций является шведская компания HMS Industrial Networks AB (торговая марка Anybus). Компания HMS уже почти 20 лет специализируется на разработке и производстве устройств для сетей Fieldbus & Industrial Ethernet, и за этот период ее продукция под маркой Anybus постоянно показывает высокое качество и надежность.
В настоящее время производится более 170 моделей межсетевых устройств (Bridges/Gateways), работающих практически с любыми промышленными шинами:
PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, ControlNet, Ethernet Modbus-TCP, EtherNet/IP, Powerlink, EtherCAT, Modbus RTU, Modbus Plus, LonWorks, Interbus, CC-Link, FIPIO.
В России марки Anybus и HMS еще не слишком широко известны, но их престиж подтверждают партнерские отношения компании со многими ведущими мировыми производителями приборной продукции и систем автоматики.
Anybus X-Gateway. Это высоконадежное устройство в металлическом корпусе с монтажом на DIN-рейку предназначено специально для работы в области промышленной автоматизации. Среди преобразователей серии Anybus X-Gateway есть модели работающие и как Bridge (мост), и как Gateway (шлюз).
Функционально преобразователь состоит из двух коммуникационных плат Anybus-S, обеспечивающих аппаратную поддержку сопрягаемых сетей, и объединяющего их встроенного микрокомпьютера с ОС реального времени.
Шлюзы серии Anybus X-Gateway можно условно разделить на две группы:
Fieldbus- Fieldbus: соединение двух полевых шин, причем шлюз может работать в режимах и Master и Slave;
Fieldbus- Ethernet: подключение полевой шины к сетям Ethernet, при этом обеспечивается поддержка большинства IT-функций(встроенный web-сервер, FTP, email клиент, доступ к данным через ОРС технологии и пр.);
Anybus-Communicator. Множество разнообразных устройств автоматизации имеют последовательные порты RS-232/422/485 для передачи данных, в том числе и с использованием собственных специфических протоколов. Тот факт, что подобные устройства в принципе не поддерживают коммуникационные протоколы Уровня 7, значительно осложняет решение задачи подключения их к системам автоматики через используемые сети какого-либостандартного типа.
Специально для решения подобных задач предназначены шлюзы серии Anybus-Communicator, которые позволяют преобразовать передаваемые через последовательный порт данные в соответствии со стандартом выбранной сети и обеспечить поддержку Уровня 7 модели OSI (т. е. поддержку сетей типа Fieldbus & Industrial Ethernet).
Для выполнения этого преобразования все принимаемые через последовательный порт посылки разделяются на собственно данные, служебную информацию и команды, которые сохраняются в различных областях внутренней памяти шлюза. Затем необходимая информация преобразуется в формат выбранной сети и уже может быть получена любым другим устройством в этой сети. Аналогично выполняется и обратное преобразование данных. Естественно, чтобы шлюз Anybus-Com правильно «вырезал» из посылок нужную информацию, его нужно предварительно настроить при помощи прилагаемого ПО ABC Config Tools.
Преобразователь Anybus-Com со стороны последовательного порта может работать в трех режимах: Generic, Master и Modbus RTU Master. В режиме Modbus RTU Master преобразователь работает как типичный шлюз «Fieldbus Slave — Modbus RTU Master». Режим Master позволяет подключать к полевым шинам устройства со специфическими протоколами передачи данных на основе структуры Master-Slaves. Режим Generic обеспечивает работу с протоколами на принципах Consumer-Producer (Издатель-Подписчик).
Anybus-X Serial Server. Serial Server представляет собой сетевой мост «RS232/RS485 — Ethernet», т. е. позволяет подключать устройства с портом RS-232 или RS-485 к сети Ethernet. Передаваемые по последовательному порту данные принимаются мостом Anybus Serial Server, формируются в пакеты TCP/IP и передаются в сеть Ethernet. Естественно, возможна и передача данных в обратном направлении.
Если на другом конце линии связи предполагается использовать PC-совместимый компьютер, рекомендуется использовать специальный программный драйвер Serial-IP, который позволит воспринимать Serial Server в качестве обычного дополнительного COM-порта. Всего таким образом на одном компьютере можно организовать до 255 дополнительных COM портов.
ПО пользователя, разработанное для работы с последовательными портами, без всяких доработок получает доступ к удаленному оборудованию через сеть Ethernet или Internet. Т. е. для передачи данных будет использована сеть Ethernet и стандартная сетевая карта, но при этом будет обеспечиваться полная имитация работы с обычными COM портами. Поэтому мост Anybus Serial Server иногда еще называют «Ethernet удлинитель» или «виртуальный COM порт».
В заключение хочется отметить, что номенклатура выпускаемых компанией HMS коммуникационных устройств Anybus намного шире рассмотренных в этой статье и охватывает еще PCI-карты, программные симуляторы полевых шин и разнообразные встраиваемые интерфейсные модули и микросхемы. Но эти направления заслуживают отдельного описания.