Da bi se objasnio pojam industrijskog Eterneta [17], potrebno je poći od “tradicionalnog” Eterneta ili možda čak i dalje, od pojma lokalne mreže LAN (Local Area Network). Lokalna mreža je skup računara i pridruženih uređaja lociranih na relativno malom prostoru (na primer, unutar jedne poslovne zgrade) koji dele zajedničku komunikacionu liniju ili bežičnu vezu (wireless link), kao i zajedničke resurse jednog procesora ili servera.
Najčešće tehnike realizacije LAN su:
- Eternet
- Token Ring
- FDDI (Fiber Distributed Data Interface)
FDDI se isključivo koristi kao spona između LAN baziranih na Eternet i Token Ring tehnikama.
Token Ring mreža je LAN u kojoj se za povezivanje računara koristi topologija zvezde ili prstena, i u kojoj se kao mehanizam za sprečavanje “sudara” podataka pri pokušaju istovremenog slanja od strane dva ili više čvorova koristi specijalni bit koji se naziva token. Ovaj tip mreže u osnovi podrazumeva da neprekidno jedna “prazna” poruka cirkuliše između čvorova. Čvor koji želi da pošalje podatke umeće token u praznu poruku (to se najčešće postiže prostom promenom odgovarajućeg bita u poruci), dok u ostatak poruke unosi bajtove podataka i identifikator prijemnog čvora. Čvorovi koji nakon toga detektuju token na taj način saznaju da je neko već aktivan na liniji za prenos. Složenost protokola (što se inače manifestuje i kroz relativno malu brzinu prenosa – tipično ispod 10Mb/s), kao i smanjena pouzdanost cele LAN bazirane na Token Ring tehnici su glavni razlozi njene sve ređe primene.
Eternet je daleko najčešće korišćena LAN tehnika. Ovaj sistem je još 1972. godine za svoje potrebe razvila firma Xerox PARC. U neznatno izmenjenoj verziji u odnosu na prvobitnu, Eternet je i svetski ozvaničen 1985. godine od strane IEEE organizacije kroz standard IEEE 802.3, i do danas je postigao toliku popularnost da pokriva oko 85% LAN struktura u svetu.
Kao fizički medijum za prenos poruka (a što odgovara prvom nivou OSI referentnog modela) Eternet primenjuje optička vlakna, kablove sa upredenim provodnicima ili koaksijalne kablove.
Za formiranje paketa podataka za slanje (Frame of Data) Eternet koristi MAC (Medium Access Control) protokol, koji u potpunosti definiše drugi nivo OSI referentnog modela. MAC protokol enkapsulira korisne informacije sa 14-bajtnim zaglavljem (tzv. Protocol Control Information – PCI) i 4-bajtnim CRC (Cycle Redundancy Check) poljem, kojim se poruka i završava. Poruke su međusobno razdvojene kratkim periodom neaktivnosti na liniji (idle period) u trajanju od 9.6 μs, i uvodnom porukom dužine 8 bajtova. Period neaktivnosti na liniji je neophodan da bi se elektronskim sklopovima prijemnog čvora omogućio dodatni vremenski interval za kompletiranje obrade prethodno primljene poruke. Uvodna poruka se sastoji od 62 naizmenične logičke jedinice i nule, uz dve logičke jedinice na samom kraju.
Zadatak ove poruke je da omogući sinhonizaciju digitalne fazno kontrolisane petlje (Digital Phase Lock Loop) prijemnika na takt predajnika. Zaglavlje poruke ima tri funkcije:
- da definiše adresu prijemnika; pri tome se može specificirati jedinstven prijemni čvor (unicast mode), grupa prijemnih čvorova (multicast mode) ili pak specificirati da su mogući prijemnici svi dostupni čvorovi (broadcast mode);
- da definiše adresu predajnog čvora;
- da specificira tip protokola (najčešće korišćen je IP mrežni protokol);
Na kraju poruke se dodaje 32-bitni CRC, koji treba da obezbedi detekciju eventualne greške u primljenoj poruci. Interesantno je da MAC ne obezbeđuje predajniku nikakvu povratnu informaciju ukoliko je analizom CRC polja detektovana greška u primljenoj poruci.
Eternet mreža može biti korišćena da obezbedi deljeni pristup grupi čvorova povezanih na isti fizički medijum. Za te čvorove se često kaže sa formiraju oblast sudara (Collision Domain). Koji od posmatranih čvorova treba da prihvati poruku sa fizičkog medijuma se rešava preko adresa prijemnika u zaglavlju poruke. Problemi prosleđivanja informacija u suprotonom smeru i mogući “sudari” na liniji za prenos se rešavaju pomoću ranije pomenutog CSMA/CD protokola. Naime, kako Eternet koristi Mančester kod za kodovanje pojedinačnih bitova na mreži, to se prenos bilo logičke jedinice, bilo logičke nule može detektovati “slušanjem” linije za prenos. Osnovu ovog protokola predstavlja činjenica da čvor pre slanja paketa podataka najpre preko svog predajnika “sluša” fizički medijum za prenos ne bi li otkrio da li je na njemu prisutan signal nosioca. To se najčešće vrši merenjem struje koja postoji u kablu (tipična njena vrednost je između 18 i 20mA). Ako se signal nosioca ne detektuje, započinje se sa slanjem poruke.
Godinama, Eternet se razvijao i dobijao nove karakteristike mrežne inteligencije. Danas, Eternet omogućava četiri brzine prenosa podataka:
- 10BASE-T Eternet omogućava performanse od 10Mb/s kroz kabl sa upredenim parom bakarnih provodnika;
- FAST Ethernet omogućava deset puta brzi prenos (oko 100Mb/s) uz zadržavanje kompatibilnosti sa 10BASE-T realizacijom;
- Gigabit Ethernet, kao što mu samo ime kaže, omogućava brzinu protoka podataka i do 1 Gb/s i tipično se implementira kao veza između dve skretnice (Ethernet Switch);
- 10 Gigabite Ethernet predstavlja danas najbržu standardizovanu verziju Ethernet tehnologije. On uključuje mnoge napredne mrežne usluge i zbog svog veoma širokog propusanog opsega predstavlja odličnu osnovu za razvoj računarskih mreža na širem geografskom području, kao što su MAN (Metropoliten Area Network) koje se tipično primenjuju na nivou jednog grada ili jedne manje oblasti i WAN (Wide Area Network) koji se primenjuje za mnogo veća geografska rastojanja.
Uočavajući da Ethernet postaje dominantno rešenje u realizaciji LAN, mnoge industrijske kompanije su poželele da ga primene u cilju zamene tradicionalnih fieldbus arhitektura kao što su Modebus, ProfiBus i sl. Tako nastaje takozvani industrijski Ethernet koji primenjuje modifikovanu verziju klasičnog Ethernet-a, a predstavlja osnovu za realizaciju fabričkih upravljačkih mreža. Mada je industrijski Ethernet baziran na istom standardu kao i tradicionalna verzija, implementacija ova dva rešenja nije identična. Svaki komunikacioni protokol koji pretenduje na širu primenu u industriji mora da zadovolji tri osnovna zahteva: bezbednost poruka, pouzdanost rada i maksimalni nivo determinističkog ponašanja.
Osnovna razlika izme|u industrijskog i tradicionalnog Etherneta je u tipu hardvera koji koriste. Oprema za industrijski Ethernet je dizajnirana tako da radi i u grubim industrijskim uslovima. To uključuje primenu industrijskih komponenti, specifične metode hlađenja, izlaznu relejnu signalizaciju i sl. Napajanje je prilagođeno industrijskom okruženju, a to podrazumeva primenu 24-voltnog DC napajanja uz obaveznu primenu i redundantnog izvora za napajanje u cilju povećane pouzdanosti.
Analizirajući strukturu koju nudi OSI referentni model, može se konstatovati da je tradicionalni Ethernet dominantno lociran na njegovom drugom nivou (data link layer). Specijalizacija koja je učinjena kod industrijskog Ethernet-a omogućila je da se za ovaj detaljnije definišu i treći nivo (network layer) i četvrti nivo (transport layer) OSI referentnog modela. Na nivou 3 OSI referentnog modela se vodi računa o logičkom adresiranju i rutiranju poruka. Na tom nivou industrijski Ethernet dominantno koristi Internet Protocol (IP) koji je jezgro Word Wide Web adresiranja i rutiranja. Na nivou 4 se vodi račina o tačnosti sekvence podataka i imunosti na greške u prenosu. Industrijski Ethernet na tom nivou uobičajeno koristi dva protokola: poznatiji Transmission Control Protocol (TCP), te manje poznat i ređe korišćen User Datagram Protocol (UDP).
Industrijski Ethernet se odlikuje i u specifičnoj realizaciji multicast tipa prenosa. Naime, kod njega se često primenjuje tzv “proizvođač – korisnik” (producer – consumer) komunikacija, u kojoj jedan uređaj predstavlja izvor informacija koje prosleđuje tako da ih više uređaja može koristiti. Iako je osnovna ideja identična, zahtevi koji se postavljaju pred takve realizacije u tradicionalnom i industrijskom Ethernetu su različite. Dok se tradicionalni Ethernet dominantno fokusira na što bolje iskorišćenje raspoloživog propusnog opsega, industrijski Ethernet prioritet stavlja na specifičan zahtev za sinhronizovanim pristupom podacima od strane svih prijemnh čvorova, tj. garantovanju da će svi prijemnici podatke dobiti u isto vreme. To je u skladu sa zahtevom za što većim determinizmom u prenosu upravljačkih signala u industrijskom okruženju. Ovaj specifičan zahtev je ispunjen uključivanjem u industrijski Ethernet nekih naprednih funkcija za organizaciju i prioritiranje multicast prenosa.
Industrijski Ethernet se često susreće i pod nazivom Switched Ethernet. Ime potiče od činjenice da ovakva Ethernet arhitektura isključivo koristi skretnice (switches), a ne i hub-ove u implementaciji LAN. Time se postiže da svaki čvor poseduje sopstveni segment mreže i komunicira isključivo sa skretnicom, a nikada direktno sa drugim čvorom. Zbog toga od nekog čvora najpre prihvata skretnica, a zatim prosleđuje do ciljnog čvora kroz samo jedan segment mreže. Tako se postiže da više korisnika može istovremeno slati podatke bez usporavanja prenosa.
Specifičnost industrijskog Etherneta je skoro isključiva primena full-duplex veza, tj. dva odvojena provodna kanala za prijem i predaju podatak između čvora i skretnice. Implementacijom specifične mrežne inteligencije na industrijski Ethernet moguće je realizovati fabričku komunikacionu infrastrukturu koja poseduje fleksibilnost i zaštitu poruka karakterističnih za tradicionalne fieldbus protokole, uz istovremeno daleko širi propusni opseg, otvorenu arhitekturu (open connectivity) i standardizaciju koju nudi Ethernet platforma.
Sva dalja objašnjenja možete pronaći u sledećim materijalima: Implementacija CAN protokola na pogonskom kontroleru baziranom na TMS320LF2407 digitalnom signal procesoru
