6. Промышленный Ethernet

Ethernet появился более 30 лет назад. В настоящее время под Ethernet понимают семейство продуктов для локальных сетей, которые соответствуют стандарту IEEE 802.3. Промышленному применению стандарта долгое время мешал метод случайного доступа к сети, не гарантировавший доставку сообщения в короткое и заранее известное время. Однако это проблема была решена применением коммутаторов (см. ниже). Доля Ethernet среди установленных промышленных сетей в 2000 году составляла 11%, в 2005 г. - уже 23%. В настоящее время (с 2004 по 2009 год) рынок промышленного Ethernet растет со скоростью 51% в год, он стал промышленным стандартом и имеется большой выбор оборудования, удовлетворяющего промышленным требованиям. Недостатком промышленного Ethernet является относительно высокая цена: Ethernet модули ввода-вывода в среднем в 2 раза дороже аналогичных Modbus-устройств.

Внедрению Ethernet в промышленность способствовали следующие его качества:

· высокая скорость передачи (до 10 Гбит/с) и соответствие требованиям жесткого реального времени при высоком быстродействии (например, при управлении движением);

· простота интеграции с Internet и Intranet, в том числе по протоколам прикладного уровня SNMP (Simple Network Management Protocol), FTP, MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions), HTTP;

· простота интеграции с офисными сетями;

· наличие большого числа специалистов по обслуживанию Ethernet;

· по-настоящему открытые решения;

· возможность организации многомастерных сетей;

· неограниченные возможности по организации сетей самых разнообразных топологий;

· широкое применение в офисных сетях, что обеспечило экономическую эффективность технической поддержки стандарта со стороны международных организаций по стандартизации;

· появление недорогих коммутаторов, решивших проблему недетерминированности Ethernet.

Продвижением и технической поддержкой промышленного Ethernet занимается Industrial Ethernet Association (IEA, www.industrialethernet.com), которая была организована в 1999 году по инициативе шести компаний (Synergetic Micro Systems, Grayhill, HMS Fieldbus Systems, Hilscher, Contemporary Controls и Richard Hirschmann).

Существуют 4 стандартные скорости передачи данных в сетях Ethernet по оптоволоконному кабелю и витой паре проводов: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с и 10 Гбит/с. Ethernet имеет несколько модификаций, структура наименований которых имеет следующий вид: <скорость передачи>Base<дополнительные обозначения>. Скорость указывается цифрой в Мбит/с или в Гбит/с, в последнем случае к цифре добавляется буква G. Буквы после "Base" означают тип кабеля (T - "Twisted pair"- "витая пара", F - "Fiber optic" -"оптоволоконный", S - "Short wavelength optic" - "оптический коротковолновый", L - "Long wavelength" - "длинноволновый", C - "short Copper cable"). Символ "X" означает наличие блока кодирования на физическом уровне. В тексте стандарта IEEE 802.3-2005 [IEEE] приводится 44 варианта таких обозначений. Например, 10Base_T означает спецификацию физического уровня для скорости 10 Мбит/с с методом доступаCSMA/CD и с использованием двух витых пар проводов; 100Base-FX - для скорости 100 Мбит/с, CSMA/CD с применением двух многомодовых оптических кабелей.

Табл. 3. Уровни модели OSI для сети Ethernet

В табл. 3 приведена типовая модель OSI для локальной сети LAN, в которой Ethernet, как стандарт IEEE 802.3, охватывает только физический и канальный уровень. На других уровнях в табл. 2.14 в качестве примера представлены протоколы интернета. Здесь LLC - "Logical Link Control" ("управление логическими связями") - клиент подуровня MAC; MAC ("Medium Access Control") - подуровень управления доступом к линии передачи; PHY (от "PHYsical") - физический уровень (линия передачи).

Уровни 1 и 2 Ethernet-протокола обычно воплощаются аппаратно, остальные - программно.

При использовании стандартного Ethernet время реакции сети часто превышает 100 мс. В локальных сегментах сети с малым количеством устройств оно снижается до 20 мс при использовании протокола TCP и до 10 мс - для UDP. Использование прямой MAC - адресации в локальных сегментах сети может уменьшить время реакции до 1 мс. Однако это время в Ethernet является случайной величиной. Поэтому основным отличием промышленного Ethernet от офисного является наличие коммутаторов, которые превращают Ethernet в сеть с детерминированным поведением.

Для промышленных применений не годятся кабели и разъемы, используемые в офисных сетях. Поэтому ряд производителей представляют на рынке разъемы RJ-45 со степенью защиты IP67 от воздействий окружающей среды.

Надежность промышленного Ethernet обеспечивается резервированием кабельных линий и сетевых карт, а также специальным программным обеспечением для резервирования.

Для повышения степени защиты системы управления от несанкционированного доступа магистральную сеть Industrial Ethernet отделяют от офисной брандмауэром.

Отличительными признаками промышленного Ethernet являются:

· отсутствие коллизий и детерминированность поведения благодаря применению коммутаторов;

· индустриальные климатические условия;

· устойчивость к вибрациям;

· отсутствие вентиляторов в оборудовании;

· повышенные требования к электромагнитной совместимости;

· компактность, крепление на ДИН-рейку;

· удобное подключение кабелей;

· диагностическая индикация на панели прибора;

· электропитание от источника напряжения в диапазоне от 10 до 30 В;

· возможность резервирования;

· разъемы и оборудование со степенью защиты до IP67;

· защита от электростатических зарядов, электромагнитных импульсов, от превышения напряжения питания;

· полнодуплексная передача.

Недостатком Ethernet является значительный уровень "накладных расходов" в протоколах TCP/IP, которые рассчитаны на пересылку данных больших объемов. Если же устройство пересылает всего 8 байт, что типично для АСУ ТП, то полезная информация в протоколе составляет всего 11%, поскольку каждый пакет TCP/IP содержится 68 байт служебной информации. Однако это часто можно скомпенсировать большой пропускной способностью сети.