Экскурс в теорию

Предлагаю выделить три наиболее значимых параметра, по которым можно некоторым образом сравнивать сети и которые послужат основой для дальнейшей классификации, а именно: топология сети, объем информационного сервиса, предоставляемого сетью, и способ доступа к физическому каналу передачи данных.

Топология сети

Наиболее распространенный тип сетевой топологии — это общая шина. Основное преимущество — простота и дешевизна, легкость переконфигурирования. Не боится отключения или подключения устройств во время работы. Хорошо подходит для сильно распределенных объектов. Имеет ряд «генетических» недостатков, а именно: присутствие в каждой точке сети общего трафика, опасность потери связи при одиночном обрыве канала связи или фатальном выходе из строя одного узла. Топология типа «кольцо» очень популярна со времен выхода на рынок сети Token Ring фирмы IBM. Использование протокола с циклической передачей маркера (IEEE-802.5) позволяет сетям с такой топологией обеспечить абсолютную предсказуемость и хорошую пропускную способность. Основными недостатками топологии являются высокая стоимость организации канала связи, нерациональное (в большинстве случаев) использование сетевого трафика и потеря всей синхронизации сети в случае сбоя и отключения хотя бы одного из узлов.

Топология «звезда», являясь логическим продолжением моноканала, обеспечивает дополнительную защиту всей сети от выхода из строя или отключения узлов, позволяет существенно оптимизировать трафик, передавая пакеты только в те «лучи», где находятся их получатели. Последнее особенно существенно для сетей, где допускаются коллизии.

Полнота информационного сервиса

Существует хорошо известная модель Международной организации по стандартизации (ISO/OSI), призванная разграничить и формализовать функции, выполняемые различными уровнями аппаратного и программного обеспечения сетевой структуры. Данная модель определяет семь уровней сервиса, предоставляемого сетью (таблица 1).

Уровни, определяемые моделью ISO-Open System Interconnection Model

На физическом уровне определяются физические характеристики канала связи и параметры сигналов.

Канальный уровень формирует основную единицу передаваемых данных — пакет и отвечает за дисциплину доступа устройства к каналу связи (Medium Access Control) и установление логического соединения (Logical Link Control).

Сетевой уровень отвечает за адресацию и доставку пакета по оптимальному маршруту.

Транспортный уровень разбирается с содержимым пакетов, формирует ответы на запросы или организует запросы, необходимые для уровня сессий.

Уровень сессий оперирует сообщениями и координирует взаимодействие между участниками сети.

Уровень представления занимается преобразованием форматов данных, если это необходимо.

Прикладной уровень — это набор интерфейсов, доступных программе пользователя.

На практике большинство промышленных сетей ограничивается только тремя из них, а именно физическим, канальным и прикладным. Наиболее «продвинутые» сети решают основную часть задач аппаратно, оставляя программную прослойку только на седьмом уровне. Дешевые сети (например ModBus) зачастую используют на физическом уровне RS-232 или RS-485, а все остальные задачи, начиная с канального уровня, решают программным путем.

Тип доступа к физическому каналу

Говоря языком ISO/OSI, это второй, канальный, уровень модели. На самом деле, по большому счету, существует два типа доступа: с коллизиями и без. Доступ к каналу с коллизиями используют Ethernet, CAN и LON. Такой тип доступа позволяет эффективно использовать пропускную способность канала и предоставлять доступ в сеть нескольким активным узлам.

Единственным минусом такого подхода являются собственно коллизии, которые не позволяют указанным сетям на равных конкурировать с детерминированными протоколами в ряде задач. Для разрешения коллизий применяются различные приемы.

Например, в сетях Ethernet применяется технология CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Технология основана на постоянном прослушивании линии всеми узлами и генерации повторной попытки занятия канала через случайный промежуток времени в случае, если обнаружена попытка одновременного доступа к каналу нескольких станций.

Принципиально другую форму разрешения коллизий демонстрирует CAN.

Его протокол относится к классу CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access with Collision Resolution). Разрешение коллизий производится аппаратурой по принципу побитового сравнения сетевых адресов конфликтующих устройств (рис. 2).

Станция, пытающаяся передать очередную «единичку» из своего адреса, видя, что реально в канале передается «ноль», понимает, что конфликтует, и откладывает попытку занять канал до лучших времен. Станция, передающая «нолик», спокойно продолжает свое дело. Таким образом, хотя коллизии и возникают, но разрешаются предсказуемо и в предсказуемое время. Именно это позволило сетям на основе CAN-протокола занять достойное место в различных отраслях, особенно в автомобилестроении, где важны мультимастерные сети с распределенным интеллектом.

Дальнейшее развитие данная технология получила в сетях LON. Только в отличие от CAN аргументами в споре за канал являются не сетевые адреса, а динамически изменяемые приоритетные уровни пакетов, что позволяет, например, пакету, несущему важную информацию и требующему немедленного ответа, легко «пробиться» через поток низкоприоритетных информационных обменов.

Но основная масса промышленных сетевых протоколов использует все-таки детерминированный способ доступа к каналу по принципу «запрос-ответ» или с помощью передачи маркера. Это эффективный путь для организации четкого и ритмичного сетевого взаимодействия. В основе протоколов с передачей маркера лежит принцип постоянного наличия в сети синхронизирующего пакета, называемого маркером (рис. 3)