Giáo trình Kỹ thuật thông tin công nghiệp

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật thông tin công nghiệp

1. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Bộ môn Công nghệ điều khiển tự động ĐỖ VĂN TOÀN Giáo trình KỸ THUẬT THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN, NĂM 2007
2. MỤC LỤC Chương 1: MỞ ĐẦUU 1 1.1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì? 1 1.2 Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp 2 Chương 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT 6 2.1 Các khái niệm cơ bản 6 2.1.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu 6 2.1.2 Truyền thông, truyền dữ liệu và truyền tín hiệu 7 2.2.2 Truyền đồng bộ và truyền không đồng bộ 11 2.2.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều 11 2.2.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng 12 2.1.3 Tính năng thời gian thực 13 2.2 Chế độ truyền tải 14 2.2.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp 14 2.3 Cấu trúc mạng-Topology 16 2.3.1 Cấu trúc bus 17 2.3.2 Cấu trúc mạch vòng (tích cực) 18 2.3.3 Cấu trúc hình sao 20 2.3.4 Cấu trúc cây 21 2.4 Kiến trúc giao thúc 21 2.4.1. Dịch vụ truyền thông 22 2.4.2 Giao thức 23 2.4.3 Mô hình lớp 25 2.4.4 Kiến trúc giao thức OSI 27 2.4.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP 33 2.5 Truy nhập bus 36 2.5.1 Đặt vấn đề 36 2.5.2 Chủ/tớ (Master/slaver) 38 2.5.3 TDMA 40 2.5.4 Token Passing 41 2.5.5 CSMA/CD 43 2.5.6 CSMA/CA 44 2.6 Bảo toàn dữ liệu 46 2.6.1 Đặt vấn đề 46 2.6.2 Bit chẵn lẻ (Parìty bit) 49 2.6.3 Bit chẵn lẻ hai chiều 49 2.6.4 CRC 51 2.6.5 Nhồi bit (Bit Stuffing) 53 2.7 Mã hóa bit 53 2.7.1 Các tiêu chuẩn trong mã hóa bit 54 2.7.2 NRZ, RZ 55 2.7.3 Mã Manchester 56
3. 2.7.4 AFP 56 2.7.5 FSK 57 2.8 Chuẩn truyền tin 57 2.8. Phương thức truyền dẫn tín hiệu 58 2.8.3 RS-232 61 2.8.3 S-422 64 2.8.4 RS-485 65 2.8.5 MBP (IEC 1158- 2) 70 2.9 Môi trường truyền dẫn 72 2.9.1 Đôi dây xoắn 73 2.9.2 Cáp đồng trục 75 2.9.3 Cáp quang 76 2.9.4 Vô tuyến 78 2.10 Thiết bị liên kết mạng 78 2.10.1 Bộ lặp 79 2.10.2 Cầu nối 80 2.10.3 Router 80 2.10.4 Gateway 81 Chương 3: CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂUU 83 3.1 PROFIBUS 83 3.1.1 Kiến thức giao thức 83 3.1.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 84 3.1.3 Truy nhập bus 86 3.1.4 Dịch vụ truyền dữ liệu 87 3.1.5 Cấu trúc bức điện 89 3.1.6 PROFIB US-FMS 91 3.1.7 PROFIB US-DP 97 3.1.8 PROFIBUS - PA 102 3.2 CAN 104 3.2.1 Kiến trúc giao thức 104 3.2.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 105 3.2.3 Cơ chế giao tiếp 106 3.2.4 Cấu trúc bức điện 106 3.2.5 truy nhập bus 109 3.2.6 Bảo toàn dữ liệu 110 3.2.7 Mã hoá bit 111 3.2.8 Các hệ thống tiêu biểu dựa trên CAN 111 3.3 DeviceNet 113 3.3.1 Cơ chế giao tiếp 113 3.3.2 Mô hình đối tượng 114 3.3.3 Mô hình địa chỉ 115 3.3.4 Cấu trúc bức điện 116 3.3.5 Dịch vụ thông báo 116 3.4 Modbus 119
4. 3.4.1 Cơ chế giao tiếp 120 3.4.2 Chế độ truyền 121 3.4.3 Cấu trúc bức điện 122 3.4.4 Bảo toàn dữ liệu 125 3.4.5 Modbus Plus 126 3.5 Interbus 128 3.5.1 Kiến trúc giao thức 128 3.5.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn: 129 3.5.3 Cơ chế giao tiếp: 131 3.5.4 Cấu trúc bức điện 132 3.5.5 Dịch vụ giao tiếp: 134 3.6 AS - i 135 3.6.1 Kiến trúc giao thức 136 3.6.2 Cấu trúc mạng và cáp truyền: 136 3.6.3 Cơ chế giao tiếp 137 3.6.4 Cấu trúc bức điện 138 3.6.5 Mã hoá bit 139 3.6.6 Bảo toàn dữ liệu: 141 3.7 Foundation Fieldbus 141 3.7.1. Kiến thức giao thức: 142 3.7.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn: 142 3.7.3 Cơ chế giao tiếp: 144 3.7.4 Cấu trúc bức điện: 145 3.7.5 Dịch vụ giao tiếp 146 3.7.6 Khối chức năng ứng dụng: 148 3.8 Ethernet 149 3.8.1 Kiến trúc giao thức: 150 3.8.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn: 150 3.8.3 Cơ chế giao tiếp: 153 3.8.4 Cấu trúc bức điện: 153 3.8.5 Truy nhập bus: 154 3.8.6 Hiệu suất đường truyền và tính năng thời gian thực: 155 3.8.7 Mạng LAN 802.3 chuyển mạch: 156 3.8.8 Fast Ethernet: 157 3.8.9 High speed Ethernet: 158 3.8.10 Industrial Ethernet: 160 Chương IV: CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG MẠNG 161 4.1 Phần cứng 161 4.1.1 Cấu trúc chung các phần cứng giao diện mạng: 161 4.1.2 Ghép nối PLC: 163 4.1.3 Ghép nối PC: 164 4.1.4 Ghép nối vào/ra phân tán 166 4.1.5 Ghép nối các thiết bị trường: 166
5. Chương 5: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG TÍCH HỢP HỆ THỐNG 167 5.1 Thiết kế hệ thống mạng 167 5.1.1 Phân tích yêu cầu: 167 5.1.2 Các bước tiến hành: 168 5.2. Đánh giá và lựa chọn giải pháp mạng 169 5.2.1. Đặc thù của cấp ứng dụng: 169 5.2.2. Đặc thù của lĩnh vực ứng dụng: 170 5.2.3. Yêu cầu thiết kế chi tiết: 172 5.2.4. Yêu cầu kinh tế: 173 5.3. Một số chuẩn phần mềm tích hợp hệ thống 173 5.3.1. Chuẩn IEC 61131-5: 173 5.3.2. OPC (OLE for Process Control) 176
6. Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì? Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp, đòi hỏi phải có sự cải tiến và áp dụng công nghệ mới vào trong quá trình sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất. Một trong những giải pháp tốt nhất, đó là áp dụng quy trình tự động hóa vào sản xuất. Các dây chuyền sản xuất không thể hoạt động độc lập mà cần phải có sự liên kết với nhau tạo nên một mô hình thống nhất. Sự kết nối các thiết bị công nghiệp đó với nhau tạo thành một hệ thống mạng và được gọi là mạng công nghiệp. Mạng công nghiệp hay mạng truyền thông công nghiệp là một khái niệm chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp. Để phân biệt rõ mạng công nghiệp và các hệ thống mạng khác ta có thể đưa ra bảng so sánh sau Bảng 1.1. So sánh mạng công nghiệp và các hệ thống mạng khác Mạng công nghiệp Các hệ thống mạng viễn thông - Phạm vi địa địa lý hẹp - Phạm vi địa lý rộng, số lượng thành viên - Đối tượng là các thiết bị công nghiệp tham gia lớn - Dạng thông tin là số liệu - Đối tượng là cả con người và thiết bị trong đó con người là chủ yếu - Kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp - Dạng thông tin bao gồm tiếng nói, hình ảnh, văn bản - Đơn giản - Công nghệ phong phú Từ đó ta có thể kết luận mạng công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính, có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở những điểm giống nhau và khác nhau như sau: Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của cả hai hệ thống mạng. Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính được sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp. Yêu cầu tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp của mạng công nghiệp cao hơn so với mạng máy tính thông thường, mạng máy tính thường đòi hỏi chế độ bảo mật cao hơn. Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau, có thể chỉ nhỏ như mạng LAN cho một nhóm các máy tính hoặc rất lớn như mạng Internet. 1
7. Mạng máy tính có thể sử dụng gián tiếp mạng truyền thông để truyền dữ liệu còn mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp. Sự khác nhau trong phạm vi và mục đích sử dụng giữa các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp với các hệ thống mạng viễn thông và mạng máy tính dẫn đến sự khác nhau trong các yêu cầu kỹ thuật cũng như kinh tế. Ví dụ: Do yêu cầu kết nối nhiều mạng máy tính khác nhau cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau nên kiến trúc, giao thức mạng máy tính phổ thông thường phức tạp hơn so với kiến trúc giao thức mạng công nghiệp. Đối với các hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là ở cấp dưới thì các yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản, giá thành hạ luôn được đặt lên hàng đầu. 1.2 Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp Để sắp xếp phân loại và phân tích đặc trưng của các hệ thống mạng công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp cho các công ty, xí nghiệp sản xuất. Với mô hình này các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau được mô tả trong hình vẽ sau: Hình 1.1 Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhậy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều. Có thể coi đây là mô hình phân cấp chức năng cho cả hệ thống tự động hóa nói chung cũng như cho hệ thống truyền thông nói riêng của một công ty. Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ "bus" thường được dùng thay thế cho "mạng" với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic theo kiểu bus. Mô hình phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một chút so với trình bày, tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc hệ thống cụ thể. Trong những 2
8. trường hợp ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, tủ lạnh, điều hòa ), sự phân chia nhiều cấp có thể hoàn toàn không cần thiết. Ngược lại trong tự động hóa một nhà máy hiện đại như điện nguyên tử, xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện theo dõi. Bus trường, bus thiết bị Bus trường (feldbus) là một khái niệm chung được dùng trong các ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong các trường hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các vào/ra phân tán (distributed I/O) các thiết bị đo lường (senser, tranducer, transmitter) hoặc các cấp chấp hành (actuator, value) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng được gọi là bus chấp hành/cảm biến. Trong công nghiệp chế tạo (tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp) hoặc một số lĩnh vực ứng dụng khác như tự động hóa tòa nhà, sản xuất xe hơi, khái niệm bus thiết bị lại được sử dụng phổ biến. Có thể nói, bus thiết bị và bus trường có chức năng tương đương, nhưng do những đặc trưng riêng biệt của hai ngành công nghiệp, nên một số tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càng trở nên không rõ rệt, khi mà phạm vi ứng dụng của cả hai loại đều được mở rộng và đan chéo sang nhau. Trong thực tế, người ta cũng dùng chung một khái niệm là bus trường. Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ, liệu lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây. Trong khi đó, yêu cầu về lượng thông tin trong một bức điện thường chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vì vậy tốc độ truyền thông thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thông tin về các biến quá trình chủ yếu mạng tính chất định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh các thông tin tham số hóa hoặc cảnh báo có tính chất bất thường. Các hệ thống bus trường được sử dựng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS, ControlNet, INTERBUS, CAN, WordFIP, P-NET, Modbus và gần đây phải kể tới Foundation Fielfbus, DeviceNet, As-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu có thể nêu ra ở đây. Bus hệ thống, bus điều khiển Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (system bus) hay bus quá trình (process bus). Khái niệm sau thường được dùng trong lĩnh vực điều khiển quá trình. Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển có thể phối hợp 3
9. hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát (có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các trạm chủ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc, mà còn theo chiều ngang. Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống. Ngoài ra các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu cũng có thể được kết nối qua mạng này. Chú ý phân biệt giữa các khái niệm bus trường và bus hệ thống không bắt buộc nằm ở sự khác nhau về kiểu bus được sử dụng, mà ở mục đích sử dụng hay nói cách khác là ở thiết bị được ghép nối. Trong một số giải pháp, một kiểu bus duy nhất được dùng cho cả ở hai cấp này. Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm miligiây, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường. Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm Kbit/s đến vài Mbit/s. Khi bus hệ thống chỉ được sử dụng để ghép nối theo chiều ngang giữa các máy tính điều khiển, người ta dùng khái niệm bus điều khiển. Vai trò của bus điều khiển là phục vụ trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm điều khiển trong một hệ thống có cấu trúc phân tán. Bus điều khiển thông thường có tốc độ truyền không cao, nhưng yêu cầu về tính năng thời gian thực thường rất khắt khe. Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, hầu hết các bus hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation's High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP, bên cạnh đó phải kể đến PROFIBUS- FMS, ControlNet và Modbus Plus. Mạng xí nghiệp Mạng xí nghiệp thực chất là một mạng LAN bình thường có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê và diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều khiển. Ngoài ra thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án, sử dụng chung các tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ ). Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu không diễn ra định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn đến hàng Mbyte. Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring. Trên cơ sở giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX. 4
10. Mạng công ty Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần với mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính của các văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử Hình thức tổ chức ghép nối mạng cũng như các công nghệ được áp dụng rất đa dạng tùy thuộc vào đầu tư của công ty. Trong nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt. Mạng công ty có vai trò như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở truyền thông của một công ty, vì vậy đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao, Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ công nghệ tiên tiến được áp dụng ở đây trong hiện tại và tương lai. 5
11. Chương 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT 2.1 Các khái niệm cơ bản 2.1.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu Thông tin: Thông tin là một khái niệm trừu tượng, nó phản ánh thực tại khách quan, cho chúng ta hiểu biết, nhận thức được thế giới khách quan. Thông tin là một trong những khái niệm quan trọng nhất trong khoa học kỹ thuật, cũng giống như vật chất và năng lượng. Các đầu vào và đầu ra của một hệ thống kỹ thuật chỉ có thể là vật chất, năng lượng hoặc thông tin. Một hệ thống xử lý thông tin hoặc là một hệ thống truyền thông, hoặc là một hệ thống kỹ thuật chỉ quan tâm tới đầu vào và đầu ra là thông tin. Tuy nhiên đa số các hệ thống kỹ thuật thường có các đầu vào và đầu ra hỗn hợp (vật chất, năng lượng và thông tin). Thông tin là cơ sở cho sự giao tiếp.Thông qua việc giao tiếp và các đối tác có thêm hiểu biết lẫn nhau hoặc về cùng một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống. Dữ liệu Thông tin là một đại lượng trừu tượng, vì vậy cần được biểu diễn dưới một hình thức khác. Khả năng biểu diễn thông tin rất đa dạng. Dạng biểu diễn thông tin phụ thuộc vào mục đích, tính chất của ứng dụng. Đặc biệt, thông tin có thể đọc mô tả, hay nói cách khác là được "số lượng hóa" bằng dữ liệu để có thể lưu trữ và xử lý bằng máy tính. Trong trường hợp đó ta nói rằng thông tin được số hóa sử dụng hệ đếm nhị phân. Khi đó dữ liệu chính là phần thông tin hữu ích được biểu diễn bằng các dãy bit {0,1}. Trong thực tế, các khái niệm xử lý thông tin và xử lý dữ liệu, truyền tải thông tin và truyền tải dữ liệu hay được dùng với các ý nghĩa tương tự, ta cần phân biệt rõ ràng giữa thông tin và dữ liệu. Ví dụ, hai tập dữ liệu khác nhau có thể mô tả cùng một nội dung thông tin. Ngược lại, hai tập dữ liệu giống nhau có thể mang những thông tin khác nhau, tùy theo cách mô tả. Ta có thể so sánh quan hệ giữa dữ liệu và thông tin với quan hệ trong toán học, giữa số và ý nghĩa sử dụng nó. Theo nghĩa thứ hai, dữ liệu được hiểu là phần biểu diễn thông tin hữu dụng (thông tin nguồn) trong một bức điện. Tuy nhiên, căn cứ vào ngữ cảnh cụ thể mà ta không sợ nhầm lẫn giữa hai cách sử dụng thuật ngữ này. Lượng thông tin Thông tin chính là sự xóa bỏ tính bất định, ví dụ một sự khẳng định về một sự kiện có xảy ra hay không, một câu trả lời đúng hay sai. Mức độ của sự xóa bỏ tính bất định này-hay nói cách khác, giá trị về sự hiểu biết một nguồn thông tin mang lại-được gọi là lượng thông tin. Chính vì dữ liệu là một dạng biểu diễn thông tin có thể xử lý được trong máy tính, nên lượng thông tin cũng được đo bằng đơn vị dữ liệu. 6
12. - Trong trường hợp thông tin về sự khẳng định đúng/sai, rõ ràng chỉ cần 1 bit để biểu diễn, hay nói cách khác lượng tin bằng 1 bit. Để biểu diễn các ký tự trong bảng gồm có 256 ký tự ta cần 8 bit cho mỗi chữ cái Tín hiệu Việc trao đổi thông tin hay dữ liệu chỉ có thể thực hiện được nhờ tín hiệu. Có thể định nghĩa, tín hiệu là diễn biến của một đại lượng vật lý chứa đựng tham số thông tin/dữ liệu và có thể truyền dẫn được. Theo quan điểm toán học thì tín hiệu được coi là một hàm của thời gian. Trong các lĩnh vực kỹ thuật, các loại tín hiệu thường dùng là: quang, điện, khí nén, thủy lực và âm thanh. Các tham số sau đây thường được dùng trực tiếp, gián tiếp hay kết hợp để biểu thị nội dung thông tin: • Biên độ (điện áp, dòng ) • Tần số, nhịp xung, độ rộng xung, sườn xung • Pha, vị trí xung Ta có thể phân loại tín hiệu dựa theo tập hợp giá trị của tham số thông tin hoặc dựa theo diễn biến thời gian thành những dạng sau: • Tương tự: Tham số thông tin có thể có một giá trị bất kỳ trong một khoảng nào đó • Rời rạc: Tham số thông tin chỉ có thể có một số giá trị (rời rạc) nhất định. • Liên tục: Tín hiệu có ý nghĩa tại bất kỳ thời điểm nào trong một khoảng thời gian quan tâm. Nói theo nghĩa toán học, một tín hiệu liên tục là một hàm liên tục của biến thời gian trong một khoảng xác định. 2.1.2 Truyền thông, truyền dữ liệu và truyền tín hiệu Giao tiếp và truyền thông Giao tiếp hay truyền thông là một quá trình trao đổi thông tin giữa hai chủ thể với nhau, được gọi là các đối tác giao tiếp, theo một phương pháp được quy định trước. Đối tác này có thể điều khiển đối tác kia, hoặc quan sát trạng thái của đối tác. Các đối tác giao tiếp có thể là người hoặc hệ thống kỹ thuật-tức là các thiết bị phần cứng (đối tác vật lý) hoặc các đối tác phần mềm (đối tác logic). Trong trường hợp sau, khái niệm truyền thông thường được sử dụng thay cho khái niệm giao tiếp. Tuy nhiên khái niệm giao tiếp có ý nghĩa bao trùm hơn. Trong phạm vi tài liệu này chỉ đề cập tới hệ thống truyền thông công nghiệp, nên các đối tác thuần túy là các thiết bị, hệ thống kỹ thuật, nên hai thuật ngữ giao tiếp và truyền thông được sử dụng với nghĩa tương đương. Để thực hiện việc giao tiếp hay truyền thông ta cần các tín hiệu thích hợp, có thể là tín hiệu tương tự hay tín hiệu số. Sự phân biệt giữa tín hiệu và thông tin dẫn tới sự phân 7
13. biệt giữa xử lý tín hiệu và xử lý thông tin, giữa truyền tín hiệu và truyền thông. Có thể sử dụng các dạng tín hiệu rất khác nhau để truyền tải một nguồn thông tin, cũng như một tín hiệu có thể mang nhiều nguồn thông tin khác nhau. Trên cơ sở các dạng tín hiệu khác nhau, người ta có thể phân biệt các kiểu giao tiếp như sau: • Giao tiếp tiếng nói • Giao tiếp hình ảnh • Giao tiếp văn bản • Giao tiếp dữ liệu Chính vì dữ liệu là một dạng biểu diễn thông tin sử dụng mã nhị phân, truyền tải thông tin sử dụng tín, hiệu số cũng được gọi là truyền dữ liệu. Có thể nói truyền dữ liệu là phương pháp truyền thông duy nhất giữa các máy tính trong mạng máy tính. Ngày nay kỹ thuật số cũng được áp dụng rộng rãi trong việc truyền.tải tiếng nói, hình ảnh và văn bản, vì vậy truyền dữ liệu đóng vai trò quan trọng hàng đầu. Sự phân biệt giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự phụ thuộc vào ý nghĩa của tham số thông tin mà tín hiệu đó mang. Sự phân biệt giữa phương pháp truyền tín hiệu sử dụng kỹ thuật số (gọi tắt là truyền tín hiệu số) với các phương pháp truyền tín hiệu truyền thống cũng tương tự như vậy. Trong các hệ thống truyền thông công nghiệp hiện đại ta chỉ quan tâm tới truyền tín hiệu số, hay nói cách khác là truyền dữ liệu. Các chuẩn giao tiếp trong các hệ thống này cũng là các chuẩn giao tiếp số. Mã hóa/giải mã Thông tin cần trao đổi giữa các đối tác cần được mã hóa trước khi được một hệ thống truyền dẫn tín hiệu chuyển tới phía bên kia. Trong thuật ngữ truyền thông, mã hóa chỉ quá trình biến đổi nguồn thông tin (dữ liệu) cần trao đổi sang một chuỗi tín hiệu thích hợp để truyền dẫn. Quá trình này ít nhất gồm hai bước: mã hóa nguồn và mã hóa đường truyền. Trong quá trình mã hóa nguồn, dữ liệu mang thông tin thực dụng hay dữ liệu nguồn được bổ xung các thông tin phụ trợ cần thiết cho việc truyền dẫn, ví dụ địa chỉ bên nhận và bên gửi, kiểu dữ liệu, thông tin tìm kiếm lỗi Dữ liệu trước khi gửi đi cũng có thể phân chia thành nhiều gói dữ liệu bức điện phù hợp với phương pháp truyền, nén lại để tăng hiệu suất đường truyền, hoặc mã hóa bảo mật. Như vậy lượng thông tin chứa đựng trong một tín hiệu sẽ nhiều hơn lượng thông tin thực dụng cần truyền tải 8
14. Hình 2.1. Nguyên tắc cơ bản của truyền thông Sau khi đã được mã hóa nguồn, mã hóa đường truyền là quá trình tạo tín hiệu tương ứng với các bit trong gói dữ liệu hay bức điện theo một phương pháp nhất định để phù hợp với đường truyền và kỹ thuật truyền. Trong truyền thông công nghiệp, mã hóa đường truyền đồng nghĩa với mã hóa bit, bởi tín hiệu do khâu mã hóa từng bit tạo ra cũng chính là tín hiệu được truyền dẫn. Đối với các hệ thống truyền thông khác, quá trình mã hóa đường truyền có thể bao hàm việc điều biến tín hiệu và dồn kênh, cho phép truyền cùng một lúc nhiều nguồn thông tin và truyền tốc độ cao. Việc dồn kênh có thể thực hiện theo phương pháp phân chia tần số, phân chia thời gian hoặc phân chia mã. Trong một tín hiệu được truyền tải đi, cần có một phương pháp để bên nhận phân biệt giới hạn giữa các bit dữ liệu nối tiếp nhau, quá trình đó gọi là phương pháp đồng bộ hóa. Để thực hiện được công việc này một cách đơn giản, tín hiệu thường được phát theo một nhịp đều đặn, mỗi nhịp ứng với 1 bit. Trong quá trình ngược lại với mã hóa là giải mã, đó là quá trình chuyển đổi các tín hiệu nhận được thành dãy bit tương ứng và sau đó xử lý, loại bỏ thông tin bổ xung để tái tạo thông tin nguồn. Điều chế và điều biến tín hiệu Điều chế và điều biến là hai khái niệm được dùng với nghĩa rất gần nhau. Điều chế được hiểu là quá trình tạo một tín hiệu trực tiếp mang tham số thông tin, thể hiện qua biên độ, tần số hoặc pha, trong đó tham số thông tin có thể lấy một giá trị bất kỳ. Một trường hợp đặc biệt của điều chế là khi nó được dùng vào mục đích truyền dữ liệu và tham số thông tin chỉ có thể lấy hai giá tự logic 1 và 0, người ta dùng khái niệm mã hóa bit như đã giới thiệu ở trên. Điều chế còn tìm thấy ứng dụng trong các bộ chuyển đổi TA, các bộ tạo xung (điều chế đô rộng xung, điều chế mã xung). Khác một chút, điều biến chỉ quá trình dùng tín hiệu mang thông tin để điều khiển, biến đổi các tham số thích hợp của một tín hiệu thứ hai (tín hiệu mạng). Mục đích cơ bản của điều biến là sử dụng một tín hiệu mạng có một dải tần khác để thực hiện phương pháp dồn kênh phân chia tần số, hoặc để tránh truyền dẫn ở dải tần cơ sở dễ bị nhiễu. Đôi khi ranh giới để phân biệt giữa điều chế và điều biến cũng không hoàn toàn rõ ràng, vì vậy trong thực tế khái niệm thứ nhất thường được sử dụng chung cho 9
15. cả hai trường hợp. Trong tiếng anh người ta sử đụng thột thuật ngữ chung là Modulaltion, tuy nhiên tùy theo ngữ cảnh mà được hiểu theo hai nghĩa khác nhau. Tốc độ truyền và tốc độ bus Thời gian cần để truyền một tập dữ liệu, ví dụ một ký tự, phụ thuộc vào 2 yếu tố là tốc độ bauld và phương pháp mã hóa bit. Tốc độ bauld được định nghĩa là số lần tín hiệu thay đổi giá trị tham số thông tin (ví dụ biên độ) trong một giây và có đơn vị là baud. Do hầu hết các hệ thống truyền dữ liệu hoạt động theo nhịp tuần hoàn, tốc độ bauld tương đương với tần số nhịp của hệ thống thu phát. Cũng cần lưu ý rằng, đối với nhiều phương pháp mã hóa bit, tín hiệu không bắt buộc phải thay đổi trạng thái trong mỗi nhịp, vì thế khái niệm tốc độ bauld không hoàn toàn chính xác. Thay vào đó, người ta sử dụng các khái niệm tốc độ truyền hay tốc độ bit. Tốc độ truyền hay tốc độ bit được tính bằng số bit dữ liệu được truyền đi trong một giây, tính bằng bit/s hoặc bps (bit fer second). Nếu tần số nhịp được ký hiệu là f là số bit được truyền đi trong một nhịp là n, số bit được truyền đi trong một giây sẽ là v=f*n. Như vậy, có hai cách để tăng tốc độ truyền tải là tăng tần số nhịp hoặc tăng số bit truyền đi trong một nhịp. Nếu mỗi nhịp chỉ có duy nhất một bit được truyền đi thì v=f. Như vậy, chỉ đối với các phương pháp mã hóa bit sử dụng hai trạng thái tín hiệu, và trạng thái tín hiệu thay đổi luân phiên sau mỗi nhịp thì tốc độ bit mới tương đương tốc độ baud, hay 1 baud tương đương 1 bit/s. Cần phân biệt giữa tốc độ truyền thông tin hữu ích và tốc độ truyền thông tin tổng thể. Một thông tin cần truyền đi (thông tin hữu ích) sẽ mã hóa nguồn, tức được đóng gói và bổ xung các thông tin phụ trợ cần thiết cho việc truyền tải (overhead). Vì vậy tốc độ truyền thông tin tổng thể có thể lớn hơn rất nhiều so với tốc độ truyền thông hữu ích, phụ thuộc vào hệ thống truyền thông. Thực tế, tốc độ truyền thông hữu ích rất khó xác định được một cách chính xác. Thời gian bit/Chu kỳ bit Trong việc phân tích đánh giá tính năng thời gian của một hệ thống truyền thông thì thời gian bit là một giá trị hay được dùng. Thời gian bit hay chu kỳ bit được định nghĩa là thời gian trung bình cần thiết để chuyền một bit, hay chính bằng giá trị nghịch đảo của tốc độ truyền tải: TB = 1/v Một mạng truyền thông công nghiệp có nhiệm vụ kết nối các thiết bị kỹ thuật có khả năng xử lý thông tin hay nói cách khác là xử lý dữ liệu. Những thiết bị đó dù tồn tại dưới dạng này hay dạng khác cũng đều là những máy tính, có bộ vi xử lý và hệ thống bus nội bộ song song. Vì vậy, để có thể dùng phương pháp truyền nối tiếp, ta cần các bộ chuyển đổi giữa bus song song và nối tiếp được minh họa trong hình dưới đây: 10
16. Hình 2.3: Nguyên tắc truyền bit nối tiếp 2.2.2 Truyền đồng bộ và truyền không đồng bộ Sự phân biệt giữa truyền đồng bộ và không đồng bộ chỉ liên quan tới phương thức truyền bit nối tiếp. Vấn đề đặt ra ở đây là việc đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận dữ liệu, tức là vấn đề làm thế nào để bên nhận biết khi nào một tín hiệu trên đường truyền mang dữ liệu gửi và khi nào không. Trong chế độ truyền đồng bộ, các đối tác truyền thông làm việc theo cùng một nhịp, tức là cùng tần số và độ lệch pha cố định. Có thể quy định một trạm có vai trò tạo nhịp và dùng một đường dây riêng mang nhịp đồng bộ cho các trạm khác. Biện pháp kinh tế hơn là dùng một phương pháp mã hóa bit thích hợp để bên nhận có thể tái tạo nhịp đồng bộ từ chính tín hiệu mang dữ liệu. Nếu phương pháp mã hóa bit không cho phép như vậy, thì có thể dùng kỹ thuật đóng gói dữ liệu và bổ xung một dãy bit mang thông tin đồng bộ hóa vào phần đầu mỗi gói dữ liệu. Lưu ý rằng, bên gửi và bên nhận chỉ cần hoạt động đồng bộ trong khi trao đổi dữ liệu. Với chế độ truyền không đồng bộ, bên gửi và bên nhận không làm việc theo một nhịp chung. Dữ liệu trao đổi thường được chia thành từng nhóm 7 bit hoặc 8 bit, gọi là ký tự. Các ký tự cần được chuyển đi vào những thời điểm không đồng đều, vì vậy cần thêm hai bit để đánh dấu khởi đầu và kết thúc cho mỗi kí tự. Việc đồng bộ hóa được thực hiện với từng ký tự. Ví dụ, các mạch UART (Universal Asynchronous Reciver/Transmiter) thông dụng dùng bức điện 11 bit bao gồm 8 bit ký tự, hai bit khởi đầu và kết thúc và 1 bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ. 2.2.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều Một đường truyền dữ liệu có thể làm việc dưới chế độ một chiều, hai chiều toàn phần hoặc hai chiều gián đoạn. Chế độ truyền này ít phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi, trường truyền dẫn, mà phụ thuộc vào phương pháp truyền dẫn tín hiệu 2 chuẩn truyền dẫn (RS-232, RS-422, RS-485, ) và vào cấu hình của hệ thống truyền dẫn. Trong chế độ truyền một chiều, thông tin chỉ được chuyển đi theo 1 chiều, một trạm 11
17. chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên nhận thông tin (receiver) tròn suốt quá trình giao tiếp. Có thể nêu một vài ví dụ trong kỹ thuật máy tính sử dụng chế độ truyền này như bàn phím, chuột hoặc màn hình với máy tính. Các hệ thống phát thanh và truyền hình cũng là những ví dụ tiêu biểu. Hiển nhiên, chế độ truyền một chiều hầu như không có vai trò quan trọng đối với mạng công nghiệp. Hình 2.4: Truyền simplex, hafl-duplex và duplex Chế độ truyền hai chiều gián đoạn cho phép mỗi trạm có thể tham gia gửi hoặc nhận thông tin, nhưng không cùng một lúc. Nhờ vậy thông tin được trao đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý, ưu điểm của chế độ này là không đòi hỏi cấu hình hệ thống phức tạp lắm, trong khi có thể đạt được tốc độ truyền tương đối cao. Một trạm có cả bộ phát và bộ thu, thuật ngữ nhân tạo transceiver được ghép từ hai chữ transmitter và receiver. Trong khi bộ phát làm việc thì bộ thu phải nghỉ và ngược lại. Do đặc tính này, chế độ truyền hai chiều gián đoạn chỉ thích hợp với kiểu liên kết điểm-nhiều điểm cũng như kiểu nhiều điểm-điểm, hay nói cách khác là thích hợp với cấu trúc bus. Trong một hệ thống bus, trạm nào cũng có quyền phát nên cần một phương pháp phân chia thời gian-tức phương pháp truy nhập bus-để tránh xung đột tín hiệu. Trong khi một trạm phát thì tất cả các trạm khác phải được giữ ở trạng thái thu nhận tín hiệu. Chế độ truyền ấy được sử dụng phổ biến trong mạng công nghiệp, ví dụ chuẩn RS-485. Với chế độ truyền hai chiều toàn phần mỗi trạm đều có thể gửi và nhận thông tin cùng lúc. Thực chất chế độ này chỉ khác với chế độ hai chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai đường truyền riêng biệt cho thu và phát, tức là khác ở cấu hình truyền thông. Dễ dàng nhận thấy, chế độ truyền hai chiều toàn phần chỉ thích hợp với kiểu liên kết điểm-điểm, hay nói cách khác là thích hợp với cấu trúc mạch vòng và cấu trúc hình sao. 2.2.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng Truyền tải dải cơ sở Một tín hiệu mang một nguồn thông tin có thể biểu diễn bằng tổng của nhiều giao động có tần số khác nhau nằm trong một phạm vi hẹp, được gọi là dải tần cơ sở hay dải hẹp. Tín hiệu được truyền đi cũng chính là tín hiệu được tạo ra sau khi mã hóa bit, 12
18. TB = 1/f trường hợp n = 1 Thời gian lan truyền tín hiệu Thời gian lan truyền tín hiệu là thời gian cần để một tín hiệu phát ra từ một đầu dây lan truyền tới đầu dây khác, phụ thuộc vào chiều dài dây và cấu tạo dây dẫn. Tốc độ lan truyền tín hiệu chính là tốc độ truyền sóng điện từ. Tuy nhiên, trong môi trường kim loại hoặc sợi quang học, giá trị này sẽ nhỏ hơn tốc độ truyền sóng điện từ hay tốc độ ánh sáng trong môi trường chân không. Ta có: TS = l/(k*c), với TS là thời gian lan truyền tín hiệu; l là chiều dài dây dẫn, c là tốc độ ánh sáng trong chân không (300.000.000m/s) và k biểu thị hệ số giảm tốc độ, được tính theo công thức l K= , với ε là hằng số điện môi của lớp cách ly ε Đối với các loại cáp có lớp bọc cách ly là Polyethylen với hằng số điện môi ε =2.3, ta có hệ số k≈ 0.67. Hệ số cũng đúng với môi trường truyền là cáp quang học và thường được dùng một cách tổng quát để tính toán giá trị tương đối của thời gian lan truyền tín hiệu trong nhiều phép đánh giá. Như vậy TS sẽ chỉ phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn: TS (giây) = l (mét)/300.000.000 Lưu ý rằng, thời gian lan truyền tín hiệu không có quan hệ trực tiếp với tốc độ truyền thông. Tuy nhiên, tính năng thời gian của một hệ thống truyền không phụ thuộc vào hai tham số này, trong khi một số phương pháp truyền thông đòi hỏi sự trao đổi ràng buộc giữa chúng. Ví dụ, ta không thể đồng thời tăng chiều dài dây dẫn và tốc độ truyền thông một cách tùy ý. 2.1.3 Tính năng thời gian thực Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trưng quan trọng nhất đối với các hệ thống tự động hóa nói chung và các hệ thống bus trường nói riêng. Sự hoạt động bình thường của một hệ thống kỹ thuật làm việc trong thời gian thực không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắn của các kết quả đầu ra, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả. Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh, mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài. Như vậy, một hệ thống truyền thông có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với các yêu cầu của đối tác truyền thông. Tính năng thời gian thực của một hệ thống điều khiển phân tán phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống bus trường được dùng. Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống bus phải có những đặc 13
19. điểm sau: • Độ nhanh nhạy: Tốc độ truyền thông hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể. • Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm. • Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định. • Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây hại thêm cho hệ thống. Rõ ràng, khả năng thỏa mãn yêu cầu về thời gian thực phụ thuộc vào bài toán ứng dụng cụ thể. Một mạng công nghiệp có tính năng thời gian thực không có nghĩa là sẽ thích ứng với mọi ứng dụng đòi hỏi yêu cầu về thời gian thực. Nhiệm vụ của người tích hợp hệ thống là phải lựa chọn và thiết kế một giải pháp thích hợp để thỏa mãn yêu cầu này trên cơ sở phân tích các tính năng kỹ thuật liên quan, dưới điều kiện ràng buộc là giá thành chi phí. 2.2 Chế độ truyền tải Chế độ truyền tải được hiểu là phương thức các bit dữ liệu được chuyển giữa các đối tác truyền thông. Nhìn nhận từ các góc độ khác nhau ta có thể phân biệt các chế độ truyền tải như sau: • Truyền bit song song hoặc truyền bit nối tiếp • Truyền đồng bộ hoặc truyền không đồng bộ • Truyền một chiều hay đơn công (simplex), hai chiều toàn phần, hai chiều đồng thời hay song công (duplex, full-duplex) hoặc hai chiều gián đoạn hay bán song công (half duplex) • Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng. 2.2.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp Truyền bit song song Phương pháp truyền bit song song được dùng phổ biến trong các bus nội bộ của máy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số các kênh dẫn, hay cũng chính là độ rộng của một bus song song, ví dụ 8 bit, 16 bit, 32 bit hay 64 bit. Chính vì nhiều bit được truyền đi đồng thời, vấn đề đồng bộ hóa tại nơi phát và nơi nhận tín hiệu phải được giải quyết. Điều này gây trở ngại lớn khi khoảng cách giữa các đối tác truyền thông tăng lên. Ngoài ra, giá thành cho các bus song song cũng là một yếu tố dẫn đến phạm,vi ứng dụng của phương pháp truyền này chỉ hạn chế ở khoảng cách nhỏ, có yêu cầu rất cao về thời gian và tốc độ truyền. 14
20. Truyền bit nối tiếp Với phương pháp truyền bit nối tiếp, từng bit được chuyển đi một cách tuần tự qua một đường truyền duy nhất. Tuy tốc độ bit vì thế mà bị hạn chế, nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữ liệu cao. Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụng phương pháp truyền này. Hình 2.2: Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp Nên có tần số cố định hoặc nằm trong một khoảng hẹp nào đó, tùy thuộc vào phương pháp mã hóa bit. Ví dụ có thể quy định mức tín hiệu cao ứng với bit 0 và mức tín hiệu thấp ứng với bit 1. Tần số của tín hiệu thường nhỏ hơn, hoặc cùng lắm là tương đương với tần số của nhịp bus. Tuy nhiên, trong một nhịp (có thể tương đương hoặc không tương đương với chu kỳ của tín hiệu), chỉ có thể truyền đi một bit duy nhất. Có nghĩa là, đường truyền chỉ có thể mang một kênh thông tin duy nhất, mọi thành viên trong mạng phải phân chia thời gian để sử dụng đường truyền. Tốc độ truyền tải tuy có bị hạn chế, nhưng phương pháp này dễ thực hiện và tin cậy, được dùng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Truyền tải dải mang Trong một số trường hợp, dải tần cơ sở không tương thích trong môi trường làm việc, ví dụ tín hiệu có các tần số này có thể bức xạ nhiễu ảnh hưởng tới hoạt động của các thiết bị điện tử khác, hoặc ngược lại bị các thiết bị khác gây nhiễu. Để khắc phục tình trạng này, người ta sử dụng một tín hiệu khác-gọi là tín hiệu mang, có tần số nằm trong một dải tần thích hợp-gọi là dải mang. Dải tần này thường lớn hơn nhiều so với tần số nhịp. Dữ liệu cần truyền tải sẽ dùng để điều chế tần số, biên độ hoặc pha của tín hiệu mang. Bên nhận sẽ thực hiện quá trình giải điều chế để hồi phục thông tin nguồn. Khác với truyền tải dải rộng nêu dưới đây, truyền tải dải mang chỉ áp dụng cho một kênh truyền tin duy nhất, giống như truyền tải dải cơ sở. Truyền tải dải rộng Một tín hiệu có thể chứa đựng nhiều nguồn thông tin khác nhau bằng cách sử dụng kết hợp một cách thông minh nhiều thông số thông tin. Ví dụ một tín hiệu phức tạp có thể tổng hợp bằng phương pháp xếp chồng từ nhiều tín hiệu thành phần có tần số khác nhau mang các nguồn thông tin khác nhau. Sau khi nhiều nguồn thông tin khác nhau đã được mã hóa bit, mỗi tín hiệu được 15
21. tạo ra sẽ dùng để điều biến một tín hiệu khác, thường có tần số lớn hơn nhiều, gọi là tín hiệu mạng. Các tín hiệu mang đã được điều biến có tần số khác nhau, nên có thể pha trộn, xếp chồng thành một tín hiệu duy nhất có phổ tấn trải rộng. Tín hiệu này cuối cùng lại được dùng để điều biến một tín hiệu mang khác. Tín hiệu thu được từ khâu này mới được truyền đi. Đây chính là kỹ thuật dồn kênh phân tần trong truyền tải thông tin, nhằm mục đích sử dụng đường truyền hiệu quả hơn. Phía bên nhận sẽ thực hiện việc giải điều biến và phân kênh, hồi phục các tín hiệu mang các nguồn thông tin khác nhau. Phương thức truyền tải dải rộng và kỹ thuật dồn kênh được dùng rộng rãi trong các mạng viễn thông bởi tốc độ cao và khả năng truyền song song nhiều nguồn tin. Tuy nhiên, vì đặc điểm phạm vi mạng, lý do giá thành thực hiện và tính năng thời gian, truyền tải băng rộng cũng như kỹ thuật dồn kênh hầu như không đóng vai trò gì trong các hệ thống truyền thông công nghiệp. 2.3 Cấu trúc mạng-Topology Cấu trúc mạng liên quan tới tổ chức và phương thức phối hợp hoạt động giữa các thành phần trong một hệ thống mạng. Cấu trúc mạng ảnh hưởng tới nhiều tính năng kỹ thuật, trong đó có độ tin cậy của hệ thống. Trước khi tìm hiểu về các cấu trúc thông dụng trong mạng truyền thông công nghiệp, ta đưa ra một số định nghĩa sau: Liên kết Liên kết (link) là mối quan hệ vật lý hay logic giữa hai hoặc nhiều đối tác truyền thông. Đối với liên kết vật lý, các đối tác chính là các trạm truyền thông được liên kết với nhau qua một môi trường vật lý. Ví dụ các thẻ nối mạng trong máy tính điều khiển, các bộ xử lý truyền thông các PLC hoặc các bộ lặp đều là các đối tác vật lý. Trong trường hợp này, tương ứng với mỗi nút mạng chỉ có một đối tác duy nhất. Khái niệm liên kết logic có thể được hiểu theo hai nghĩa. Thứ nhất, một đối tác truyền thông không nhất thiết bị phần cứng, mà có thể là một chương trình hệ thống hay một chương trình ứng dụng trên một trạm, nên quan hệ giữa các đối tác này chỉ mang tính chất logic. Như vậy, tương ứng với một đối tác vật lý thường có nhiều đối tác logic, cũng như nhiều mối liên kết logic được xây dựng trên cơ sở một mối liên kết vật lý. Theo nghĩa thứ hai, mặc dù bản thân các đối tác vẫn là các thiết bị phần cứng, nhưng quan hệ của chúng về mặt logic hoàn toàn khác với quan hệ về mặt vật lý. Có thể phân biệt các kiểu liên kết sau đây: • Liên kết điểm-điểm (poit-to-poit) Một số mối liên kết chỉ có hai đối tượng tham gia. Nếu xét về mặt vật lý thì với mỗi đường truyền chỉ nối được hai trạm với nhau. Để xây dựng một mạng truyền thông trên cơ sở này sẽ cần nhiều đường truyền riêng biệt. • Liên kết điểm-nhiều điểm (multi-drop) Trong một mối liên kết có nhiều đối tác tham gia, tuy nhiên chỉ một đối tác cố định duy nhất (trạm chủ) có khả năng phát trong khi 16
22. nhiều đối tác còn lại (các trạm tớ) thu nhận thông tin cùng một lúc. Việc giao tiếp theo chiều ngược lại từ trạm tớ tới trạm chủ được chỉ được thực hiện theo kiểu điểm-điểm. Xét về mặt vật lý, nhiều đối tác có thể được nối với nhau qua một cáp chung duy nhất. • Liên kết nhiều điểm (multi-point) Trong một mối liên kết có nhiều đối tác tham gia và có thể trao đổi thông tin qua lại tự do theo bất kỳ hướng nào. Bất cứ một đối tác nào cũng có quyền phát và bất cứ trạm nào cũng nghe được. Cũng như kiểu liên kết điểm-nhiều điểm, có thể sử dụng một cáp duy nhất để nối mạng giữa các đối tác. Một hệ thống truyền thông không nhất thiết phải hỗ trợ tất cả các kiểu liên kết như trên. Đương nhiên, khả năng liên kết điểm-nhiều điểm bao hàm khả năng liên kết điểm-điểm cũng như liên kết nhiều điểm bao hàm hai khả năng còn lại. Khả năng liên kết nhiều điểm là đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp. Topology Topology là cấu trúc liên kết của một mạng, hay nói cách khác chính là tổng hợp của các liên kết. Topology có thể hiểu là cách xắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng, nhưng cũng có thể là cách xắp xếp logic của các nút mạng, cách định nghiã về tổ chức logic các mối liên kết giữa các nút mạng. Tuy hai khái niệm topology và cấu trúc mạng không hoàn toàn giống nhau, trong thực tế chúng được dùng với nghiã tương đương. Trong phạm vi tài liệu này chúng ta sẽ sử dụng thuật ngắn cấu trúc mạng. 2.3.1 Cấu trúc bus Trong cấu trúc đơn giản này, tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung đường truyền duy nhất cho tất cả các trạm, vì thế tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt. Có thể phân biệt ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: daisy-chain, truckline- dropline và mạch vòng không tích cực. Hai cấu hình đầu cũng được xếp vào kiểu cấu trúc đường thẳng, bởi hai đầu đường truyền không khép kín. Với daisy-chain, mỗi trạm được nối mạng trực tiếp tại giao lộ của hai đoạn dây dẫn, không qua một đoạn dây nối phụ nào, ngược lại, trong cấu hình truck-line/drop line, mỗi trạm được nối qua một đường nhánh (drop-line) để đến đường trục (truck- line), còn mạch vòng không tích cực thực chất chỉ khác với truck-line/dropline ở chỗ đường truyền được khép kín. Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn thì tính đơn giản, dễ thực hiện là những ưu điểm chính của cấu trúc bus, nhờ vậy mà cấu trúc này phổ biến nhất trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Trường hợp một trạm không làm việc (do hỏng hóc, do cắt nguồn ) không ảnh hưởng tới phần còn lại của mạng. Một số hệ thống còn cho phép tách một trạm ra khỏi mạng hoặc thay thế một trạm trong khi cả hệ thống vẫn hoạt động bình thường. 17
23. Tuy nhiên việc dùng chung đường truyền dẫn đòi hỏi một phương pháp phân chia thời gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tín hiệu-gọi là phương pháp truy nhập môi trường hay truy nhập bus. Nguyên tắc truyền thông được thực hiện như sau: tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi tín hiệu, còn các thành viên khác chỉ có quyền nhận. Hình 2.5: Các cấu trúc dạng bus Ngoài việc cần kiểm soát truy nhập môi trường, cấu trúc bus có những nhược điểm sau: Một tín hiệu gửi đi có thể đến tất cả các trạm và theo một trình tự không kiểm soát được, vì vậy phải thực hiện phương pháp gán địa chỉ (logic) theo kiểu thủ công cho từng trạm. Trong thực tế, công việc gán địa chỉ này gây ra không ít khó khăn. Tất cả các trạm có khả năng phát và luôn luôn "nghe" đường dẫn để phát hiện một thông tin có phải gửi cho mình hay không, nên phải được thiết kế sao cho đủ tải với số trạm tối đa. Đây chính là lý do phải hạn chế số trạm trong một đoạn mạng. Khi cần mở rộng mạng, phải dùng thêm các bộ lặp. Chiều dài dây dẫn thường tương đối dài vì vậy đối với cấu trúc đường thẳng xẩy ra hiện tượng phản xạ tại mỗi đầu dây làm giảm chất lượng tín hiệu. Để khắc phục vấn đề này, người ta chặn hai đầu dây bằng hai trở đầu cuối. Việc sử dụng hai trở đầu cuối cũng làm tăng tải của hệ thống. Trong trường hợp dây dẫn bị đứt, hoặc do ngắn mạch trong phần kết nối bus của một trạm bị hỏng đều dẫn đến ngừng hoạt động của cả hệ thống. Việc định vị lỗi ở đây cũng gặp rất nhiều khó khăn. Cấu trúc đường thẳng, liên kết đa điểm gây khí khăn trong việc áp dụng các công nghệ truyền tín hiệu mới như sử dụng cáp quang. Một số ví dụ mạng công nghiệp tiêu biểu có sử dụng cấu trúc bus là PROFIBUS, CAN, WorldFIP, Foundation Fieldbus, Lonworks, AS-i và Ethernet. 2.3.2 Cấu trúc mạch vòng (tích cực) 18
24. Cấu trúc mạng vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từ điểm này tới điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu. Khác với cấu trúc đường thẳng, ở đây tín hiệu được truyền đi theo một chiều quy định. Một trạm nhận được dữ liệu từ trạm đứng trước và chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau. Quá trình này được lặp lại tới khi dữ liệu quay trở về trạm đã gửi, nó sẽ được hủy bỏ. Ưu điểm cơ bản của mạng cấu trúc theo kiểu này là mỗi một nút đồng thời có thể là một bộ khuyếch đại, do vậy khi thiết kế mạng theo kiểu cấu trúc vòng có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn. Mỗi trạm có khả năng vừa nhận vừa phát tín hiệu cùng một lúc. Bởi mỗi thành viên ngăn cách mạch vòng ra làm hai phần và tín hiệu chỉ được truyền theo một chiều, nên biện pháp tránh xung đột tín hiệu thực hiện đơn giản: Hình 2.6: Cấu trúc mạch vòng • Với kiểu mạch vòng không có điều khiển trung tâm, các trạm đều bình đẳng như nhau trong quyền nhận và phát tín hiệu. Như vậy việc kiểm soát đường dẫn sẽ do các trạm tự phân chia. • Với kiểu có điều khiển trung tâm, một trạm chủ sẽ đảm nhiệm vai trò kiểm soát việc truy nhập đường dẫn. Cấu trúc mạch vòng thực chất dựa trên cơ sở liên kết điểm-điểm, vì vậy thích hợp cho việc sử dụng các phương tiện truyền tín hiệu hiện đại như cáp quang, tia hồng ngoại, Việc gán địa chỉ cho các thành viên trong mạng cũng có thể do một trạm chủ thực hiện một cách hoàn toàn tụ động căn cứ vào thứ tự sắp xếp vật lý của các trạm trong mạch vòng. 19
25. Hình 2.7: Xử lý sự cố trong mạch vòng đúp Một ưu điểm tiếp theo của cấu trúc mạch vòng là khả năng xác định vị trí xảy ra sự cố, ví dụ đứt dây hay một trạm không làm việc. Tuy nhiên, sự hoạt động bình thường của mạng trong trường hợp này chỉ có thể tiếp tục với một đường dây dự phòng như ở FDDI. Hình 2.8: Sử dụng bộ chuyển mạch by-pass trong mạch vòng Trong trường hợp thứ nhất, các trạm lân cận tại điểm xảy ra sự cố sẽ tự phát hiện lỗi đường dây và tự động chuyển sang đường dây phụ, đi vòng qua vị trí bị lỗi (by-pass). Đường cong in nét đậm biểu diễn mạch kín sau khi dùng biện pháp by- pass. Trong trường hợp thứ hai, khi một trạm bị hỏng, hai trạm lân cận sẽ tự đấu tắt, chuyển sang cấu hình giống như daisy-chain. Một kỹ thuật khác được áp dụng xử lý sự cố tại một trạm là dùng các bộ chuyển mạch by-pass tự động. Mỗi trạm thiết bị sẽ được đấu với mạch vòng nhờ bộ chuyển mạch này. Trong trường hợp sự cố xảy ra, bộ chuyển mạch sẽ tự động phát hiện và ngắn mạch, bỏ qua thiết bị được nối mạng qua nó. Cấu trúc mạch vòng được sử dụng trong một số hệ thống có độ tin cậy cao như INTERBUS, Token-Ring (IBM) và đặc biệt là FDDI. 2.3.3 Cấu trúc hình sao Cấu trúc hình sao là một cấu trúc mạng có một trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển hoạt động truyền thông của toàn mạng. Các thành viên khác được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm. Tương tự như cấu 20
26. trúc mạch vòng, có thể nhận thấy ở đây kiểu liên kết về mặt vật lý là điểm-điểm. Nếu trạm trung tâm đóng vai trò tích cực nó có thể đảm đương nhiệm vụ kiểm soát toàn bộ việc truyền thông của mạng, còn nếu không sẽ chỉ như một bộ chuyển mạch. Một nhược điểm của cấu trúc hình sao là sự cố ở trạm trung tâm sẽ làm tê liệt toàn bộ các hoạt động truyền thông trong mạng. Vì vậy trạm trung tâm thường phải có độ tin cậy rất cao. Người ta phân biệt hai loại trạm trung tâm: trạm tích cực và trạm thụ động. Một trạm thụ động chỉ có vai trò trung chuyển thông tin, trong khi một trạm tích cực kiểm soát toàn bộ các hoạt động giao tiếp trong mạng. Một nhược điểm tiếp theo của cấu trúc hình sao là tốn dây, nếu như khoảng cách trung bình giữa các trạm nhỏ hơn khoảng cách giữa chúng đến trạm trung tâm. Đương nhiên, trong các hệ thống viễn thông không thể tránh khỏi phải dùng cấu trúc này. Đối với mạng truyền thông công nghiệp, cấu trúc hình sao tìm thấy trong các phạm vi nhỏ, ví dụ các bộ chia, thường dùng vào mục đích mở rộng cấu trúc khác. Lưu ý rằng trong nhiều trường hợp một mạng cấu trúc hình sao về mặt vật lý lại có cấu trúc logic như một hệ bus, bởi các trạm vẫn có thể tự do liên lạc như không có sự tồn tại của trạm trung tâm. Chính các hệ thống mạng Ethernet công nghiệp ngày nay sử dụng phổ biến cấu trúc này kết hợp với kỹ thuật chuyển mạch và phương pháp truyền dẫn tốc độ cao. 2.3.4 Cấu trúc cây Cấu trúc cây thực chất không phải là một cấu trúc cơ bản. Một mạng có cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng hoặc hình sao. Đặc trưng của cấu trúc cây là sự phân cấp đường dẫn. Để chia từ đường trục ra các đường nhánh, có thể dùng các bộ nối tích cực (Active couple), hoặc nếu muốn tăng số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất có thể dùng các bộ lặp (repeater). Trong trường hợp các mạng con này hoàn toàn khác loại thì phải dùng tới các bộ liên kết mạng khác như bridge và router và gateway. Một số hệ thống cho phép xây dựng cấu trúc cây cho một mạng đồng nhất là Lonwork, DeviceNet, As-i. 2.4 Kiến trúc giao thúc 21
27. Đối với mỗi hệ thống truyền thông, kiến trúc giao thức là cơ sở cho việc tìm hiểu các dịch vụ cũng như hình thức giao tiếp trong hệ thống. Kiến trúc giao thức là một vấn đề tương đối trừu tượng, vì vậy cần được trình bày kỹ lưỡng dưới đây. 2.4.1. Dịch vụ truyền thông Một hệ thống truyền thông cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thành viên tham gia nối mạng. Các dịch vụ đó được dùng cho việc thực hiện các nhiệm vụ khác nhau như trao đổi dữ liệu, báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số hóa thiết bị trường, giám sát thiết bị và cài đặt chương trình. Các dịch vụ truyền thông do nhà cung cấp hệ thống truyền thông thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềm. Việc khai thác các dịch vụ đó từ phía người sử dụng phải thông qua phần mềm giao diện mạng, để tạo lập các chương trình ứng dụng phần mềm, ví dụ chương trình điều khiển, giao diện người-máy (HMI) và điều khiển giám sát (SCADA) các giao diện mạng này có thể được cài đặt sẵn trên các công cụ phần mềm chuyên dụng (ví dụ phần mềm lập trình PLC, phần mềm SCADA, phần mềm quản lý mạng), hoặc qua các thư viện phần mềm phổ thông khác dưới dạng các hàm dịch vụ (ví dụ với C/C++, VB, Delphi, OLE/DDE). Mỗi hệ thống truyền thông khác nhau có thể quy định một chuẩn riêng về tập hợp các dịch vụ truyền thông của mình. Ví dụ PROFIBUS định nghĩa các hàm dịch vụ khác so với InterBus hay ControlNet. Một phần mềm chuyên dụng không nhất thiết phải hỗ trợ toàn bộ, các dịch vụ truyền thông của một hệ thống nhưng cũng có thể cùng một lúc hỗ trợ nhiều hệ thống truyền thông khác nhau. Ví dụ với một công cụ phần mềm SCADA ta có thể đồng thời khai thác dữ liệu từ các đầu đo hay các PLC liên kết với các bus trường khác nhau, nhưng không cần tới dịch vụ hỗ trợ cài đặt chương trình điều khiển cho các PLC. Có thể phân loại dịch vụ truyền thông dựa theo các cấp khác nhau: Các dịch vụ sơ cấp (ví dụ tạo và ngắt nối), dịch vụ cấp thấp (ví dụ trao đổi dữ liệu) và các dịch vụ cao cấp (tạo lập cấu hình, báo cáo trạng thái). Một dịch vụ ở cấp cao hơn có thể sử dụng các dịch vụ cấp thấp để thực hiện chức năng của nó. Ví dụ dịch vụ tạo lập cấu hình hay báo các trạng thái cuối cùng cũng phải sử dụng dịch vụ trao đổi dữ liệu để thực hiện chức năng của mình. Mặt khác, trao đổi dữ liệu thường đòi hỏi tạo và ngắt nối. Phân cấp dịch vụ truyền thông còn có ý nghĩa là tạo sự linh hoạt cho phía người sử dụng. Tùy theo nhu cầu về độ tiện lợi hay hiệu xuất trao đổi thông tin mà người ta có thể quyết định sử dụng một dịch vụ ở cấp nào. Việc thực hiện tất cả các dịch vụ được dựa trên các nguyên hàm dịch vụ (sevice primittive), gồm có: • Yêu cầu (request) dịch vụ, ký hiệu là.reo, ví dụ là connect.reo • Chỉ thị (indication) nhận lời phục vụ, ký hiệu là.ind, ví dụ connect.ind. • Đáp ứng (response) dịch vụ, ký kiệu là.res, ví dụ connect.res 22
28. • Xác nhận (confrmation) đã nhận được đáp ứng, ký hiệu là.con ví dụ connect.con Dựa trên quan hệ giữa bên cung cấp dịch vụ và bên yêu cầu dịch vụ cũng có thể phân biệt giữa loại dịch vụ có xác nhận và dịch vụ không xác nhận. Dịch vụ có xác nhận đòi hỏi sử dụng cả bốn nguyên hàm, trong khi dịch vụ không xác nhận bỏ qua đáp ứng và xác nhận. Hình 2.10: Dịch vụ có xác nhận và dịch vụ không xác nhận 2.4.2 Giao thức Bất cứ sự giao tiếp nào cũng cần một ngôn ngữ chung cho các đối tác. Trong kỹ thuật truyền thông bên cung cấp dịch vụ cũng như bên sử dụng dịch vụ đều phải tuân thủ theo các quy tắc, thủ tục cho việc giao tiếp gọi là giao thức. Giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền thông. Một quy chuẩn giao thức bao gồm các thành phần sau: • Cú pháp (syntax) quy định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi trao đổi trong đó có phần thông tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ như địa chỉ, thông tin điều khiển, thông tin kiểm lỗi • Ngữ nghĩa (semantic) quy định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong một bức điện như phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục điều khiển dòng thông tin, xử lý lỗi • Định thời (timming) quy định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền (đồng bộ hay không đồng bộ), tốc độ truyền thông Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tương ứng được gọi xử lý giao thức. Nói một cách khác, quá trình xử lý giao thức có thể là mã hóa (xử lý giao thức bên gửi) và giải mã (xử lý giao thức bên nhận). Tương tự như các dịch vụ truyền thông, có thể phân biệt các giao thức cấp thấp và giao thức cao cấp. Các giao thức cao cấp là cơ sở cho cho các dịch vụ cao cấp và các giao thức cấp thấp là cơ sở cho các dịch vụ cấp thấp. Giao thức cao cấp gần với người sử dụng, thường được thực hiện bằng phần mềm. 23
29. Một số ví dụ về dịch vụ cao cấp là FTP (File Transfer Protocol) dùng trong trao đổi file từ xa, HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) dùng để trao đổi các trang HTML trong các ứng dụng Web, MMS (Manufacturing Message Specifcation) dùng trong tự động hóa công nghiệp. Giao thức cấp thấp gần với phần cứng thường được thực hiện trực tiếp bởi các mạch điện tử. Một số ví dụ giao thức cấp thấp quen thược là TCP/1P (transmission Control Protocol/Internet Protocol) được dùng phổ biến trong Inernet, HART (Highway Addressable Remote Transducer) dùng trong điều khiển quá trình, HDLC (Hình lever Data-link Control) làm cơ sở cho nhiều giao thức khác và UART dùng trong đa số các giao diện vật lý của các hệ thống bus trường. Giao thức nói sau HDLC và UART-có vai trò quan trọng trong truyền thông công nghiệp và vì vậy được giới thiệu sơ lược dưới đây. Giao thức HDLC HDLC cho phép chế độ truyền bit nối tiếp đồng bộ hoặc không đồng bộ. Một bức điện hay còn gọi là khung (frame) có cấu trúc như sau: 01111110 8/16 bit 8 bit n bit 16/32 bit 01111110 Cờ Địa chỉ Điều khiểnDữ liệu FCS Cờ Mỗi khung được khởi đầu và kết thúc bằng một cờ hiệu (flag) với dãy bit 01111110. Dãy bit này được đảm bảo không bao giờ xuất hiện trong các phần thông tin khác qua phương pháp nhồi bit (bit stuffing), tức cứ sau mỗi dãy 5 bit có giá trị 1 (11111) thì một bit 0 lại được bổ xung vào. Ô địa chỉ tiếp theo chứa địa chỉ bên gửi và bên nhận. Tùy theo cách gán địa chỉ 4 hoặc 8 bit (tương ứng với 32 hoặc 256 địa chỉ khác nhau), ô này có chiều dài là 8 hoặc 16 bit. Trong HDLC có ba loại bức điện, được phân biệt qua ô thông tin điều khiển (8 bit), đó là: • Infurmation frames: Khung thông tin (I-Format) • Supervisory Frames: Khung giám sát vận chuyển dữ liệu (S-Format) • Unnumbered Frames: Khung bổ trợ kiểm soát các mối liên kết giữa các trạm (U Format). Cấu trúc của ô thông tin điều khiển được quy định như sau: I-Format 0 N(S) P/F N(R) S-Format 1 0 S P/F N(R) U-Format 1 1 M P/F M N(S): Số thứ tự khung đã được gửi chia modulo cho 8 24
30. N(R): Số thứ tự khung chờ nhận được chia modulo cho 8 PA: Bit chỉ định kết thúc quá trình truyền S, M: Các bit có chức năng khác Ô thông tin có độ dài biến thiên, cũng có thể để trống nếu như bức điện không dùng vào mục đích vận chuyển dữ liệu. Sau ô thông tin là đến dãy bit kiểm lỗi (FCS = Frame Check Sequence), dùng vào mục đích bảo toàn dữ liệu. Tốc độ truyền thông tiêu biểu đối với HDLC từ 9,6 Kbit/s đến 2 Mbit/s. Giao thức UART Là một vi mạch điện tử được sử dụng rất rộng rãi trong việc truyền bit nối tiếp cũng như chuyển đổi song song/nối tiếp giữa đường truyền và bus máy tính. UART cho phép lựa chọn chế độ truyền một chiêu, hai chiêu đồng bộ hoặc hai chiều không đồng bộ. Việc truyền tải được thực hiện theo từng ký tự 7 hoặc 8 bit, được bổ sung hai bit đánh dấu đầu cuối và một bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ (Parity bit). Start 0 1 2 3 4 5 6 7 P Stop O LBS MBS 1 Bit khởi đầu (Start bit) bao giờ cũng là 0 và bit kết thúc (Stop bit) bao giờ cũng là 1. Các bit trong một ký tự được truyền theo thứ tự từ bit thấp (LSB) tới bit cao (MSB).Giá trị của bit chẵn lẻ P phụ thuộc vào cách chọn: Nếu chọn Parity chẵn, thì P bằng 0 khi tổng số bit 1 là chẵn. Nếu chọn Parity lẻ, thì P bằng 0 khi tổng số bit 1 là lẻ. Như tên của nó đã thể hiện, chế độ truyền không đồng bộ được sử dụng ở đây, tức không có một tín hiệu riêng phục vụ cho việc đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận. Dựa vào các bộ đầu cuối và tốc độ truyền thông đã được đặt trước cho cả hai bên, bên nhận thông tin phải tự chỉnh nhịp lấy mẫu của mình để đồng bộ với bên gửi. 2.4.3 Mô hình lớp Để trao đổi dữ liệu giữa hai thiết bị, các thủ tục, giao thức cần thiết có thể tương đối phức tạp, Rõ ràng điều cần ở đây là sự cộng tác của hai đối tác truyền thông trên một mức truy tượng cao. Thay vì phải thực hiện tất cả các bước cần thiết trong một module duy nhất, có thể chia nhỏ thành các phần việc có thể thực hiện độc lập. Trong mô hình lớp, các phần việc được xắp xếp theo chiều dọc thành từng lớp, tương ứng với các lớp dịch vụ và lớp giao thức khác nhau. Mỗi lớp giải quyết một nhiệm vụ rõ ràng phục vụ truyền thông. Một dịch vụ ở lớp trên sử dụng dịch vụ của lớp dưới ngay kề nó. Để thực hiện một dịch vụ truyền thông, mỗi bức điện được xử lý qua nhiều lớp trên cơ sở các giao dịch quy định, gọi là xử lý theo mô hình lớp. Mỗi lớp ở đây có thể thuộc 25
31. chức năng của phần cứng hoặc phần mềm. Càng ở lớp cao hơn thì phần mềm càng chiếm vai trò quan trọng, trong khi việc xử lý giao thức ở các lớp dưới thường được các vi mạch điện tử trực tiếp thực hiện. Hình sau đây minh họa nguyên tắc xử lý giao thức theo mô hình lớp. Đứng từ bên gửi thông tin, qua mỗi lớp từ trên xuống dưới, một số thông tin bổ trợ lại được gắn thêm vào phần dữ liệu do lớp trên đưa xuống, gọi là đầu giao thức (protocol header). Bên cạnh đó, thông tin cần truyền đi có thể được chia thành nhiều bức điện có đánh số thứ tự, hoặc một bức điện có thể tổng hợp từ nhiều nguồn thông tin khác nhau. Người ta dùng các khái niệm như "đóng gói dữ liệu hoặc tạo khung" để chỉ các thao tác này. Một quá trình ngược lại sẽ diễn ra bên nhận thông tin. Các phần header sẽ được các lớp tương ứng đọc, phân tích và tách ra trước khi gửi tiếp lên lớp trên. Các bức điện mang một nguồn thông tin sẽ được tổng hợp lại, hoặc một bức điện mang nhiều nguồn thông tin khác nhau sẽ được phân chia tương ứng. Đến lớp trên cùng, thông tin nguồn được tái tạo. Với mô hình phân lớp, ý nghĩa của giao thức một lần nữa thể hiện rõ. Đương nhiên, để thực hiện truyền thông cần có hai đối tác tham gia, vậy phải tồn tại cùng một tập hợp các hàm phân lớp cả trong hai thiết bị. Quan hệ giao tiếp ở đây chính là quan hệ giữa các lớp tương đương của hai trạm. Chỉ khi các đối tác truyền thông trong các lớp tương đương sử dụng chung một ngôn ngữ, tức chung một giao thức thì mới có thể trao đổi thông tin. Trong trường hợp khác, cần có một phần tử trung gian hiểu cả hai giao thức, gọi chung là bộ chuyển đổi, có thể là bridge hay gateway-tùy theo lớp giao thức đang quan tâm. Vấn đề mấu chốt ở đây để có thể thực hiện được việc chuyển đổi là sự thống nhất về dịch vụ truyền thông của các lớp tương đương trong hai hệ thống khác nhau. Nếu hai hệ thống lại quy định các chuẩn khác nhau về dịch vụ thì việc chuyển đổi rất bị hạn chế và nhiều khi hoàn toàn không có ý nghĩa. Ví dụ, một bên đòi hỏi cài đặt các dịch vụ cao cấp như cài đặt và kiểm soát chạy chương trình từ xa, trong khi bên đối tác chỉ cung cấp dịch vụ trao đổi dữ liệu thuần túy thì việc chuyển đổi ở đây không có vai trò gì cũng như không thể thực hiện được. Tuy nhiên, càng những dịch vụ ở cấp thấp càng dễ có cơ hội đưa ra một chuẩn thống nhất cho cả hai phía. 26
32. PDU: Protocol Data Unit-Khối dữ liệu giao thức SDU: Service Data Unit-Khối dữ liệu dịch vụ PCI: Protocol Control Information-Thông tin điều khiển giao thức Hình 2.11. Xử lý giao thức theo mô hình lớp 2.4.4 Kiến trúc giao thức OSI Trên thực tế, khó có thể xây dựng được một mô hình chi tiết thống nhất về chuẩn giao thức và dịch vụ cho tất cả các hệ thống truyền thông, nhất là khi các hệ thống rất đa dạng và tồn tại độc lập. Chính vì vậy, năm 1983 tổ chức chuẩn hóa quốc tế đã đưa ra chuẩn ISO 7498 với mô hình quy chiếu OSI (Open System Interconnection-Reference model), nhằm hỗ trợ xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năng tương tác. Lưu ý rằng, ISO/OSI hoàn toàn không phải là chuẩn thống nhất về giao thức, cũng không phải là một chuẩn chi tiết về dịch vụ truyền thông. Có thể thấy, chuẩn này không đưa ra bất kỳ một quy định nào về cấu trúc một bức điện, cũng như không định nghĩa bất cứ một chuẩn dịch vụ cụ thể nào. OSI chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó có cả việc so sánh, đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông, cũng như cơ sở cho việc phát triển các hệ thống mới. Theo mô hình OSI, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống truyền thông được chia thành 7 lớp, tương ứng với mỗi lớp dịch vụ là một lớp giao thức. Các lớp này có thể do phần cứng hoặc phần mềm thực hiện, tuy nhiên chuẩn này không đề cập tới chi tiết một đối tác truyền thông phải thực hiện từng lớp đó như thế nào. Một lớp trên có thể thực hiện dịch vụ của mình trên cơ sở sử dụng các dịch vụ ở một lớp phía dưới và theo đúng giao thức quy định tương ứng. Thông thường, các dịch vụ cấp thấp do phần cứng (các vi mạch điện tử) thực hiện, trong khi các dịch vụ cao cấp do phần mềm (hệ điều hành, phần mềm điều khiển, phần mềm ứng dụng) đảm nhiệm. Việc phân lớp không những có ý nghiã trong việc mô tả, đối chiếu các hệ thống truyền thông, mà còn giúp ích 27
33. cho việc thiết kế các thành phần giao diện mạng. Một lớp bất kỳ trong 7 lớp có thể thay đổi trong cách thực hiện mà không ảnh hưởng tới các lớp khác, chừng nào nó giữ nguyên giao diện với lớp trên và lớp dưới nó. Vì đây là một mô hình quy chiếu có tính chất dùng làm tham khảo. Không phải hệ thống truyền thông nào cũng thực hiện đầy đủ cả 7 lớp đó. Ví dụ, vì lý do hiệu xuất trao đổi thông tin và giá thành thực hiện đối với các hệ thống bus trường thông thường chỉ thực hiện các lớp 1,2 và 7. Trong các trường hợp này, có thể một số lớp không thực sự cần thiết hoặc chức năng của chúng được ghép với một lớp khác (ví dụ với lớp ứng dụng). Một mộ hình quy chiếu tạo ra cơ sở nhưng không đảm bảo khả năng tương tác giữa các hệ thống truyền thông, các thiết bị truyền thông khác nhau. Với việc định nghĩa 7 lớp OSI đưa ra một mô hình trừu tượng cho các quá trình giao tiếp phân cấp. Nếu hai hệ thống thực hiện cũng các dịch vụ và trên cơ sở một giao thức giống nhau ở một lớp, thì có nghĩa là hai hệ thống có khả năng tương tác ở lớp đó. Mô hình OSI có thể coi như một công trình khung, hỗ trợ việc phát triển và đặc tả các chuẩn giao thức. Các lớp trong mô hình quy chiếu OSI và quan hệ giữa chúng với nhau được minh họa trong hình vẽ dưới đây. Tương ứng với mỗi lớp là một (nhóm) chức năng đặc trưng cho các dịch vụ và giao thức. Hình 2.12: Mô hình quy chiếu ISO/OSI Cần phải nhấn mạnh rằng, bản thân môi trường truyền thông và các chương trình ứng dụng không thuộc phạm vi đề cập của chuẩn OSI. Như vậy, các lớp ở đây chính là các lớp chức năng trong các thành phần giao diện mạng của một trạm thiết bị bao gồm cả phần cứng ghép nối và phần mềm cơ sở. Các mũi tên nét gạch chấm biểu hiện quan hệ logic giữa các đối tác thuộc các lớp tương ứng trong khi các mũi tên nét liền chỉ đường đi thực của dữ liệu. 28
34. Chức năng của các lớp được mô tả sơ lược dưới đây. Lưu ý, ở đây tên lớp 5 (Session) được dịch sang "kiểm soát nối " mặc dù không hoàn toàn chính xác về mặt từ ngữ nhưng thể hiện rõ hơn về ý nghĩa của lớp này. Trong một số tài liệu tiếng việt các tác giả chọn từ "Phiên " bởi nó ngắn gọn và sát với từ nguyên bản tiếng anh. Lớp ứng dụng (Application layer) Lớp ứng dụng là lớp trên cùng trong mô hình OSI, có chức năng cung cấp các dịch vụ cao cấp (trên cơ sở các giao thức cao cấp) cho người sử dụng và các chương trình ứng dụng. Ví dụ, có thể sắp xếp các dịch vụ và giao thức theo chuẩn MMS cũng như các dẫn xuất của nó sử dựng trong một số hệ thống bus trường thuộc lớp ứng dụng. Các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần mềm. Thành phần phần mềm này có thể được nhúng sẵn trong các linh kiện giao diện mạng, hoặc dưới dạng phần mềm điều khiển (drivers) có thể nạp khi cần thiết, và/hoặc một thư viện cho ngôn ngữ lập trình chuyên dụng hoặc ngôn ngữ lập trình phổ thông. Để có khả năng sử dụng dễ dàng trong một chương trình ứng dụng (ví dụ điều khiển cơ sở hoặc điều khiển giám sát), nhiều hệ thống cung cấp các dịch vụ này thông qua các khối chức năng (fùnction block). Đối với các thiết bị trường thông minh, các khối chức năng này không chỉ đơn thuần mang tính chất của dịch vụ truyền thông, mà còn tích hợp cả một số chức năng xử lý thông tin, thậm chí cả điều khiển tại chỗ. Đây cũng chính là xu hướng mới trong việc chuẩn hóa lớp ứng dụng cho các hệ thống bus trường, hướng tới cấu trúc điều khiển phân tán triệt để. Lớp biểu diễn dữ liệu (presentation layer) Trong một mạng truyền thông, ví dụ mạng máy tính, các trạm máy tính có thể có kiến trúc rất khác nhau, sử dụng các hệ điều hành khác nhau và vì vậy cách biểu diễn dữ liệu của chúng cũng có thể rất khác nhau. Sự khác nhau trong cách biểu diễn dữ liệu có thể là độ dài khác nhau cho một kiểu dữ liệu hoặc cách sắp xếp các byte khác nhau trong một kiểu nhiều byte hoặc sử dụng nhiều mã ký tự khác nhau. Ví dụ, một số nguyên có kiểu Integer có thề biểu diễn bằng 2 byte, 4 byte hoặc 8 byte tùy theo thế hệ CPU, hệ điều hành và mô hình lập trình. Ngay cả một kiểu Integer có độ dài 2 byte cũng có 2 cách sắp xếp thứ tự byte giá trị cao đứng trước hay đứng sau byte giá trị thấp. Một ví dụ khác là sự khác nhau trong cách sử dụng bảng mã ký tự trong các hệ thống vận chuyển thư điện tử gây ra không ít rắc rối cho người sử dụng thuộc các nước không nói tiếng Anh. Trong khi đa số các hệ thống mới sử dụng 8 bit, thì một số hệ thống cũ chỉ xử lý được 7 bit, vì vậy một số ký tự được mã hóa với giá trị lớn hơn 127 bị hiểu sai. Chức năng của lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau về cú pháp thành một dạng chuẩn, nhằm tạo điều kiện cho đối tác truyền thông có thể hiểu được nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khác nhau. Nói một cách khác, lóp biểu diễn dữ liệu giải phóng sự phụ thuộc của lớp ứng dụng vào các phương pháp biểu diễn dữ liệu khác nhau. Ngoài ra, lớp này có thể cung cấp một số dịch vụ bảo mật dữ liệu, ví dụ phương pháp sử dụng mã hóa. 29
35. Nếu như cách biểu diễn dữ liệu được thống nhất, chuẩn hóa, thì chức năng này không nhất thiết phải tách riêng thành một lớp độc lập, mà có thể kết hợp thực hiện trên lớp ứng dụng để đơn giản hóa và nâng cao hiệu suất của việc xử lý giao thức. Đây chính là một đặc trưng trong các hệ thống bus trường. Lớp kiểm soát nối (session layer) Một quá trình truyền thông, thường được tiến hành thành nhiều giai đoạn. Cũng như việc giao tiếp giữa hai người cần có việc tổ chức mối quan hệ, giữa hai đối tác truyền thông cần có sự hỗ trợ để tồ chức mối liên kết. Lớp kiểm soát kết nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối giữa các ứng dụng đối tác. Cần phải nhắc lại rằng, mối liên kết giữa các chương trình ứng dụng mang tính chất logic, thông qua một mối liên kết vật lý (giữa hai trạm, giữa hai nút mạng) có thể tồn tại song song nhiều đường nối logic. Thông thường, kiểm soát nối thuộc chức năng của hệ điều hành. Để thực hiện đường nối giữa hai ứng dụng đối tác, hệ điều hành có thể tạo ra các quá trình con tính toán song song (cạnh tranh). Như vậy, nhiệm vụ đồng bộ hóa các quá trình tính toán này đối với việc sử dụng chung một giao diện mạng cũng thuộc chức năng của lớp kiểm soát nối. Chính vì thế, lớp này còn có tên là lớp đồng bộ hóa. Trong các hệ thống bus trường, quan hệ nối giữa các chương trình ứng dụng được xác định sẵn (quan hệ tĩnh) nên lớp kiểm soát nối không đóng vai trò gì đáng kể. Đối với một số hệ thống khác, chức năng của lớp này được đẩy lên kết hợp với lớp ứng dụng vì lý do hiệu suất xử lý truyền thông. Lớp vận chuyển (transport layer) Bất kể bản chất của các ứng dụng cần trao đổi dữ liệu, điều cần thiết là dữ liệu phải được trao đổi một cách tin cậy. Khi một khối dữ liệu được chuyển đi thành từng gói, cần phải đảm bảo tất cả các gói đều đến đích và theo đúng trình tự chứng được chuyển đi. Chức năng của lớp vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao gồm cả trách nhiệm khắc phục lỗi và điều khiển lưu thông. Nhờ vậy mà các lớp trên có thể thực hiện được các chức năng cao cấp mà không cần quan tâm tới cơ chế vận chuyển dữ liệu cụ thể. Các nhiệm vụ cụ thể của lớp vận chuyển bao gồm: • Quản lý về tên hình thức cho các trạm sử dụng • Định vị các đối tác truyền thông qua tên hình thức và/hoặc địa chỉ Xử lý lỗi và kiểm soát dòng thông tin, trong đó có cả việc lập lại quan hệ liên kết và thực hiện các thủ tục gửi lại dữ liệu khi cần thiết • Dồn kênh các nguồn dữ liệu khác nhau • Đồng bộ hóa giữa các trạm đối tác. Để thực hiện việc vận chuyển một cách hiệu quả, tin cậy, một dữ liệu cần chuyển 30
36. đi có thể được chia thành nhiều đơn vị vận chuyển (data segment unit) có đánh số thứ tự kiểm soát trước khi bổ xung các thông tin kiểm soát lưu thông. Do các đặc điểm riêng của mạng truyền thông công nghiệp, một số nhiệm vụ cụ thể của lớp vận chuyển trở nên không cần thiết, ví dụ việc dồn kênh hoặc kiểm soát lưu thông. Một số chức năng còn lại được dồn lên kết hợp với lớp ứng dụng để tiện cho việc thực hiện và tạo điều kiện cho người sử dụng tự chọn phương án tối ưu và nâng cao hiệu xuất truyền thông. Lớp mạng (network layer) Một hệ thống mạng diện rộng (ví dụ Internet hay mạng viễn thông) là sự liên kết của nhiều mạng tồn tại độc lập. Mỗi mạng này đều có một không gian địa chỉ và có cách đánh địa chỉ riêng biệt, sử dụng công nghệ truyền thông khác nhau. Một bức điện đi từ đối tác A sang đối tác B ở một mạng khác có thể qua nhiều đường khác nhau, thời gian, quãng đường vận chuyển và chất lượng đường truyền vì thế cũng khác nhau. Lớp mạng có trách nhiệm tìm đường đi tối ưu (routing) cho việc vận chuyển dữ liệu, giải phóng sự phụ thuộc của các lớp bên trên vào phương thức chuyển giao dữ liệu và công nghệ chuyển mạch dùng để kết nối các hệ thống khác nhau. Tiêu chuẩn tối ưu ở đây hoàn toàn dựa trên yêu cầu của các đối tác, ví dụ yêu cầu về thời gian, quãng đường, về giá thành địch vụ hay yêu cầu về chất lượng dịch vụ. Việc xây dựng và hủy bỏ các quan hệ liên kết giữa các nút mạng cũng phụ thuộc trách nhiệm của lớp mạng. Có thể nhận thấy, lớp mạng không có ý nghĩa đối với một hệ thống truyền thông công nghiệp, bởi ở đây không có nhu cầu trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thuộc hai mạng khác nhau, hoặc việc trao đổi được thực hiện gián tiếp thông qua chương trình ứng dụng (không thuộc lớp nào trong mô hình OSI). Việc thực hiện trao đổi dữ liệu thông qua chương trình ứng dụng xuất phát từ lý do là người sử dụng (lập trình) muốn có sự kiểm soát trực tiếp tới đường đi của một bức điện đế đảm bảo tính năng thời gian thực, chứ không muốn phụ thuộc vào thuật toán tìm đường đi tối ưu của các bộ router. Cũng vì vậy, các bộ router thông dụng trong liên kết mạng hoàn toàn không có vai trò gì trong các hệ thống bus trường. Lớp liên kết dữ liệu (data link layer) Lớp liên kết dữ liệu có trách nhiệm truyền dẫn dữ liệu một cách tin cậy trong mối liên kết vật lý, trong đó bao gồm việc điều khiển việc truy nhập môi trường truyền dẫn và bảo toàn dữ liệu. Lớp liên kết dữ liệu cũng được chia thành hai lớp con tương ứng với hai chức năng nói trên: Lớp điều khiển truy nhập môi trường (Medium Access Control, MAC) và lớp điều khiển liên kết logic (Logical Link Control, LLC). Trong một số hệ thống, lớp liên kết dữ liệu có thể đảm nhiệm thêm các chức năng khác như kiểm soát lưu thông và đồng bộ hóa việc chuyển giao các khung dữ liệu. Để thực hiện chức năng bảo toàn dữ liệu, thông tin nhận được từ lớp phía trên được đóng gói thành các bức điện có chiều dài hợp lý (frame). Các khung dữ liệu này chứa các thông tin bổ xung phục vụ mục đích kiểm lỗi, kiểm soát lưu thông và đồng 31
37. bộ hóa. Lớp liên kết dữ liệu bên phía nhận thông tin sẽ dựa vào các thông tin này để xác định tính chính xác của dữ liệu, sắp xếp các khung lại theo đúng trình tự và khôi phục lại thông tin để chuyển lên lớp trên nó. Lớp vật lý (physical layer) Lớp vật lý là lớp dưới cùng trong mô hình phân cấp chức năng truyền thông của một trạm thiết bị. Lớp này đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý. Các quy định ở đây mô tả giao diện vật lý giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền thông: • Các chi tiết và cấu trúc mạng (bus, cây, hình sao ) • Kỹ thuật truyền dẫn (RS-485, MBP, truyền cáp quang ) • Phương pháp mã hóa bit (NRZ, Manchester, FSK ) • Chế độ truyền tải (dải rộng/dải mang/đồng bộ/không đồng bộ) • Các tốc độ truyền cho phép • Giao diện cơ học (phích cắm, giác cắm ) Lưu ý rằng lớp vật lý hoàn toàn không đề cập tới môi trường truyền thông, mà chỉ nói tới giao diện của nó. Có thể nói, quy định về môi trường truyền thông nằm ngoài phạm vi của mô hình OSI. Lớp vật lý cần được chuẩn hóa sao cho một hệ thống truyền thông có sự lựa chọn giữa một vài khả năng khác nhau. Trong các hệ thống bus trường, sự lựa chọn này không quá lớn, hầu hết dựa trên một vài chuẩn và kỹ thuật cơ bản. Tiến trình thực hiện giao tiếp theo mô hình OSI được minh họa bằng một ví dụ trao đổi dữ liệu giữa một máy tính điều khiển và một thiết bị đo thông minh, thể hiện trong hình vẽ sau. Các mũi tên nét gạch chấm thể hiện quan hệ giao tiếp logic giữa các lớp tương đương thuộc hai trạm. Lớp vật lý thuộc trạm A được nói trực tiếp với lớp vật lý ở trạm B qua cáp truyền. Trong thực tế, các chức năng thuộc lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu được thực hiện hầu hết trên các vi mạch điện tử của phần giao diện mạng. Đối với các máy tính điều khiển hoặc các thiết bị đo thì phần giao diện mạng có thể tích hợp trong phần xử lý trung tâm, hoặc dưới dạng một module riêng. Khi chương trình điều khiển ở trạm A cần cập nhật giá trị đo, nó sẽ sử dụng dịch vụ trao đổi dữ liệu ở lớp ứng dụng để gửi một yêu cầu tới trạm B. Trong thực tế quá trình này có thể thực hiện đơn giản bằng cách gọi một hàm trong thư viện giao tiếp của mạng được sử dụng. Quan hệ nối giữa hai trạm đã được thiết lập sẵn. 32
38. Hình 2.13: Ví dụ giao tiếp theo mô hình OSI Lớp ứng dụng bên A xử lý yêu cầu của chương trình điều khiển và chuyển tiếp mã lệnh xuống lớp phía dưới-lớp biểu diễn dữ liệu: Lớp này biểu diễn mã lệnh thành một dãy bit có độ dài và thứ tự quy ước, sau đó chuyển tiếp xuống lớp kiểm soát nối. Lớp kiểm soát nối sẽ bổ xung thông tin để phân biệt yêu cầu cập nhật dữ liệu xuất phát từ quan hệ nối logic nào, từ quá trình tính toán nào. Bước này trở nên cần thiết khi trong nội chương trình ứng dụng có nhiều quá trình tính toán cạnh tranh (task) cần phải sử dụng dịch vụ trao đổi dữ liệu, và kết quả cập nhật dữ liệu phải được đưa trả về đúng nơi yêu cầu. Khối dữ liệu giao thức (PDU) từ lớp kiểm soát nối chuyển xuống được lớp vận chuyển xắp xếp một kênh truyền tải và đảm bảo yêu cầu sẽ được chuyển tới bên B một cách tin cậy. Sử dụng dịch vụ chuyển mạch và tìm đường đi tối ưu của lớp mạng, một số thông tin sẽ được bổ sung vào bức điện cần chuyển nếu cần thiết. Tiếp theo lớp liên kết dữ liệu gắn thêm các thông tin bảo toàn dữ liệu, sử dụng thủ tục truy nhập môi trường để chuyển bức điện xuống lớp vật lý. Cuối cùng, các vi mạch điện tử dưới lớp vật lý (ví dụ các bộ thu phát RS-485) chuyển hóa dãy bit sang một dạng tín hiệu thích hợp với đường truyền (mã hóa bia để gửi sang bên B), với một tốc độ truyền-hay nói cách khác là tốc độ mã hóa bit-theo quy ước. Quá trình ngược lại diễn ra bên B. Qua lớp vật lý, tín hiệu nhận được được giải mã và dãy bit dữ liệu được khôi phục. Mỗi lớp phía trên sẽ phân tích phần thông tin bổ xung của mình để thực hiện các chức năng tương ứng. Trước khi chuyển lên lớp trên tiếp theo, phần thông tin này được tách ra. Đương nhiên, các quá trình này đòi hỏi hai lớp đối tác của hai bên phải hiểu được thông tin đó có cấu trúc và ý nghĩa như thế nào, tức là phải sử dụng cùng một giao thức. Cuối cùng, chương trình thu thập dữ liệu bên thiết bị đo nhận được yêu cầu và chuyển giá trị đo cập nhật trở lại trạm A cũng theo đúng trình tự như trên. 2.4.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP 33
39. TCP/IP (Transmition Control Protocol/Internet Protocol) là kết quả nghiên cứu và phát triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Apranet do ARPA (Advanced ) thuộc bộ quốc phòng Hoa Kỳ tài trợ. Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả một tập giao thức và dịch vụ truyền thông được công nhận thành chuẩn cho Internet. Cho đến nay, TCP/IP đã xâm nhập đến rất nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, trong đó có các mạng máy tính cục bộ và mạng truyền thông công nghiệp. Kiến trúc giao thức TCP/IP và đối chiếu với mô hình OSI được minh họa bởi hình vẽ dưới đây. OSI TCP/IP Lớp ứng dụng Lớp ứng dụng Lớp biểu diễn dữ liệu TELNET FPT SNMP SMTP Lớp kiểm soát nối Lớp vận chuyển Lớp vận chuyển TCP UDP Lớp Internet Lớp mạng ICMP IP ARP RARP Lớp truy cập mạng Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lý Lớp vật lý Hình 2.14: So sánh TCP/IP và OSI Khác với OSI thực ra không có một mô hình giao thức nào được công bố chính thức cho TCP/IP. Tuy nhiên, dựa theo các chuẩn giao thức đã được phát triển ta có thể sắp xếp các chức năng truyền thông cho TCP/IP thành 5 lớp độc lập là lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp Internet, lớp truy nhập mạng và lớp vật lý. Nếu tách riêng TCP và IP thì đó là những chuẩn riêng về giao thức truyền thông, tương đương với lớp vận chuyển và lớp mạng trong mô hình OSI. Nhưng người ta cũng dùng TCP/IP để chỉ một mô hình truyền thông, ra đời trước khi có chuẩn OSI. Lớp ứng dụng Lớp ứng dụng thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều ứng dụng khác nhau. Với mỗi loại ứng dụng cần một module riêng biệt, ví dụ FTP (File Transfer Protocol) cho chuyển giao file, Telnet cho làm việc với trạm chủ từ xa, SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) cho chuyển thư điện tử, SNMP (Simple Network Management 34
40. Protocol) cho quản trị mạng và DNS (Domain Name Service) phục vụ quản lý và tra cứu danh sách tên và địa chỉ Internet. Lớp vận chuyển Cơ chế đảm bảo dữ liệu được vận chuyển một cách tin cậy hoàn toàn không phụ thuộc vào đặc tính của các ứng dụng sử dụng dữ liệu. Chính vì thế cơ chế này được sắp xếp vào một lớp độc lập để tất cả các ứng dụng khác nhau có thể sử dụng chung, được gọi là lớp vận chuyển. Có thể nói, TCP là giao thức tiêu biểu nhất, phổ biến nhất phục vụ việc thực hiện chức năng nói trên. TCP hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối. Bên cạnh TCP, giao thức UDP (User Data Protocol) cũng được sử dụng cho lớp vận chuyển. Khác với TCP, UDP cung cấp dịch vụ không có nối cho việc gửi dữ liệu mà không đảm bảo tuyệt đối đến đích, không đảm bảo trình tự đến đích của các gói dữ liệu. Tuy nhiên, UDP lại đơn giản và hiệu quả, chỉ đòi hỏi một cơ chế xử lý tối thiểu, vì vậy thường được dùng làm cơ sở thực hiện các giao thức cao cấp theo yêu cầu riêng của người sử dụng; Một ví dụ tiêu biểu là giao thức SNMP. Lớp Internet Tương tự như lớp mạng ở OSI, lớp Internet có chức năng chuyển giao dữ liệu giữa nhiều mạng được liên kết với nhau. Giao thức IP được sử dụng ở chính lớp này, như cái tên của nó hàm ý. Giao thức IP được thực hiện không những ở các thiết bị đầu cuối mà còn ở các bộ router. Một router chính là một thiết bị xử lý giao thức dùng để liên kết hai mạng, có chức năng chuyển giao dữ liệu từ một mạng này sang một mạng khác, trong đó có cả nhiệm vụ tìm đường đi tối ưu. Lớp truy nhập mạng Lớp truy nhập mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thiết bị trong cùng một mạng. Các chức năng bao gồm việc kiểm soát truy nhập môi trường truyền dẫn, kiểm lỗi và lưu thông dữ liệu, giống như lớp liên kết dữ liệu trong mô hình OSI. Lớp vật lý Giống như trong mô hình OSI, lớp vật lý đề cập tới giao diện vật lý giữa một thiết bị truyền dữ liệu (máy tính PC, PLC) với môi trường truyền dẫn hay mạng, trong đó có đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độ truyền và cấu trúc cơ học các phích cắm/giắc cắm. So sánh giữa TCP/IP và OSI là một ví dụ làm sáng tỏ bản chất và ý nghĩa thực sự của mô hình quy chiếu OSI. Trong thực tế không có một giao thức nào được gọi là giao thức OSI, cũng không có dịch vụ nào được gọi là dịch vụ OSI. Ta chỉ có thể sắp xếp giao thức nào, dịch vụ nào thuộc lớp nào hay tương đương với lớp nào trong mô hình quy chiếu này. 35
41. 2.5 Truy nhập bus 2.5.1 Đặt vấn đề Trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp thì các hệ thống có cấu trúc dạng bus, hay hệ thống bus đóng vai trò quan trọng nhất vì những lý do sau: • Chi phí cho dây dẫn ít • Dễ thực hiện lắp đặt • Linh hoạt • Thích hợp cho việc truyền dẫn trong phạm vi khoảng cách vừa và nhỏ. Trong một mạng có cấu trúc bus, các thành viên phải chia nhau thời gian sử dụng đường tuyền dẫn. Để tránh sự xung đột về tín hiệu gây ra sai lệch về thông tin, ở mỗi thời điểm trên một đường dây chỉ duy nhất một điện tín được phép truyền đi. Chính vì vậy mạng phải được điều khiển sao cho tại một thời điểm nhất định thì chỉ một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi. Còn số lượng thành viên trong mạng muốn nhận truyền thông thì không hạn chế. Một trong những vẫn đề quan trọng hàng đầu ảnh hưởng tới chất lượng cấu mỗi hệ thống bus là phương pháp phân chia thời gian gửi thông tin trên đường dẫn hay phương pháp truy nhập bus. Lưu ý rằng, ở một số cấu trúc không phải dạng bus, vấn đề xung đột tín hiệu cũng có thể xảy ra, tuy không hiển nhiên như cấu trúc bus. Ví dụ ở cấu trúc mạch vòng, mỗi trạm không phải bao giờ cũng có khả năng khống chế hoàn toàn tín hiệu đi qua nó. Hay ở cấu trúc hình sao, có thể trạm trung tâm không có vai trò chủ động mà chỉ là bộ chia tín hiệu nên khả năng gây xung đột không thể tránh khỏi. Trong các cấu trúc này ta vẫn cần một biện pháp. phân chia quyền truy nhập, tuy có thể đơn giản hơn so với cấu trúc bus. Chính vì thế khái niệm truy nhập môi trường cũng được dùng thay cho truy nhập bus. Tuy nhiên, giống như cách dùng khái niệm chung "bus trường" không chỉ dừng lại ở các hệ thống có cấu trúc bus, "truy nhập bus" cũng thường được dùng như một khái niệm chung. Phương pháp truy nhập bus là một trong những vấn đề cơ bản đối với các hệ thống bus, bởi mỗi phương pháp có những ảnh hưởng.khác nhau tới các tính năng kỹ thuật của hệ thống. Cụ thể, ta phải quan tâm tới ít nhất ba khía cạnh: độ tin cậy, tính năng thời gian thực và hiệu suất sử dụng đường truyền. Tính năng thời gian thực ở đây là khả năng đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin một cách kịp thời và tin cậy. Còn hiệu suất sử dựng đường truyền là mức độ khác, sử dụng đường truyền. Ba yếu tố liên quan tới việc đánh giá yếu tố tính năng thời gian thực là thời gian đáp ứng tối đa, chu kỳ bus và độ rung (Jitter). Thời gian đáp ứng tối đa đối với một trạm là thời gian tối đa mà một hệ thống truyền thông cần để đáp ứng một nhu cầu trao 36
42. đổi dữ liệu của trạm đó với một trạm bất kỳ khác. Rõ ràng, thời gian đáp ứng tối đa không phải là một thông số cố định, mà là một hàm của độ dài của dữ liệu cần trao đổi. Tuy vậy, trong một ứng dụng cụ thể ta thường biết trước độ dài dữ liệu tối đa cũng như độ dài dữ liệu tiêu biểu mà các trạm cần trao đổi. Do vậy, bên cạnh thời gian đáp ứng tối đa người ta cũng quan tâm tới thời gian đáp ứng tiêu biểu. Do đặc trưng kỹ thuật tự động hóa, đa số các hệ thống bus được sử dụng ở lĩnh vực này làm việc theo chu kỳ. Chỉ một số các hoạt động truyền thông xảy ra bất thường (ví dụ thông tin cảnh báo, dữ liệu tham số, ), còn phần lớn các dữ liệu được trao đổi định kỳ theo chu kỳ tuần hoàn của bus. Chu kỳ bus là khoảng thời gian tối thiểu mà sau đó các hoạt động truyền thông chính lặp lại như cũ. Trong điều khiển tự động, chu kỳ bus ảnh hưởng tới sự chính xác của chu kỳ lấy mẫu tín hiệu. Lưu ý sự khác nhau giữa chu kỳ bus và nhịp bus. Có thể dễ thấy, thời gian đáp ứng và chu kỳ bus có liên quan với nhau, nhưng không ở mức độ ràng buộc. Chu kỳ bus lớn thường làm tăng thời gian đáp ứng. Tuy nhiên thời gian đáp ứng tối đa có thể nhỏ hoặc lớn hơn một chu kỳ bus, phụ thuộc vào phương pháp truy nhập bus. Trong một số hệ thống bus, ví dụ Foundation Fieldbus Hi, khái niệm chu kỳ bus không có ý nghĩa bởi các hoạt động giao tiếp tuần hoàn theo chu kỳ được phân tán và được thực hiện theo một lịch trình thời gian (schedule). Khi đó, độ rung là một thông số quan trọng để đánh giá tính năng thời gian thực. Độ rung được hiểu là khoảng thời gian sai lệch giữa thời điểm thực tế một trạm gửi được dữ liệu so với thời điểm đã lập lịch, cũng như giữa thời điểm thực tế một trạm nhận được dữ liệu so với thời điểm mong muốn trong lịch trình. Hiệu suất sử dụng đường truyền được tính bằng phần trăm thời gian đường truyền được sử dụng thực sự hiệu quả vào việc truyền tải dữ liệu. Đại lượng này phụ thuộc vào mật độ lưu thông và phương pháp truy nhập bus. Mật độ lưu thông thấp dẫn đến hiệu suất thấp, nhưng ngược lại. mật độ lưu thông quá cao cũng dẫn đến vấn đề ùn tắc lưu thông và làm giảm hiệu xuất. Để đạt được hiệu suất sử dụng đường truyền tối đa, cần phải tính toán hoặc thử nghiệm để tìm ra các thông số cho thiết kế cấu hình mạng, trên cơ sở phương pháp truy nhập bus được áp dụng. Có thể phân loại cách truy nhập bus thành nhóm các phương pháp tiền định và nhóm các phương pháp ngẫu nhiên. Với các phương pháp tiền định, trình tụ truy nhập bus được xác định rõ ràng. Việc truy nhập bus được kiểm soát chặt trẻ theo cách tập trung ở một trạm chủ (phương pháp Master/slaver hay chủ/tớ). Theo sự quy định trước về thời gian (phương pháp TDMA) hoặc phân tán bởi các thành viên (phương pháp token passing). Nếu mỗi hoạt động truyền thông được hạn chế bởi một khoảng thời gian hoặc một độ dài dữ liệu nhất định, thì thời gian đáp ứng tối đa cũng như một chu 37
43. kỳ bus có thể tính toán được. Các hệ thống này vì thế được gọi là có tính năng thời Hình 2.15: Phân loại các phương pháp truy nhập bus Ngược lại, trong các phương pháp ngẫu nhiên trình tự truy nhập bus không được quy định chặt chẻ trước, mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các trạm. Mỗi thành viên trong mạng có thể thử truy nhập bus để gửi thông tin đi bất kỳ lúc nào. Để loại trừ tác hại của việc xung đột gây nên, có những phương pháp phổ biện như nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc tránh xung đột (CSMA/CA). Nguyên tắc hoạt động của các phương pháp này là khi có xung đột tín hiệu xảy ra. thì ít nhất một trạm phải ngừng gửi và chờ một khoảng thời gian nào đó trước khi thử lại. Mặc dù khả năng thành công kể cả lúc này cũng không được đảm bảo. Người ta thường coi các hệ thống sử dụng các phương pháp này không có khả năng thời gian thực. Tuy nhiên, tùy theo lĩnh vực ứng dụng cụ thể mà yêu cầu về tính năng thời gian thực cũng khác nhau. 2.5.2 Chủ/tớ (Master/slaver) Trong phương pháp chủ/tớ, một trạm chủ (Master) có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ (slaver). Các trạm tớ đóng vai trò bị động, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu. Trạm chủ có thể dùng phương pháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động giao tiếp của cả hệ thống. Nhờ vậy, các trạm tớ có thể gởi các dữ liệu thu thập từ quá trình kỹ thuật tới trạm chủ (có thể là một PLC, một PC, ) cũng như nhận các thông tin điều khiển từ trạm chủ. 38
44. Hình 2.16: Phương pháp chủ/tớ Trong một số hệ thống, các trạm tớ không có quyền giao tiếp trực tiếp với nhau, mà bất cứ dữ liệu cần trao đổi nào cũng phải qua trạm chủ. Nếu hoạt động giao tiếp diễn ra theo chu kỳ, trạm chủ sẽ có trách nhiệm chủ động yêu cầu dữ liệu từ trạm tớ cần gửi và sau đó chuyển tới trạm tớ cần nhận. Trong trường hợp một trạm tớ cần trao đổi dữ liệu bất thường với một trạm khác phải thông báo yêu cầu của mình khi được trạm chủ hỏi đến và sau đó chờ được phục vụ. Trình tự được tham gia giao tiếp, hay trinh tự được hỏi có thể do người sử dụng quy định trước bằng các công cụ tạo lập cấu hình. Trong trường hợp chỉ có một trạm chủ duy nhất, thời gian cần cho trạm chủ hoàn thành việc hỏi tuần tự một vòng cung chính là thời gian tối thiểu của chu kỳ bus. Do vậy, chu kỳ bus có thể tính toán trước được một cách tương đối chắc chắn. Đây chính là một trong những yếu tố thể hiện tính năng thời gian thực của hệ thống. Phương pháp chủ/tớ có một ưu điểm là việc kết nối mạng các trạm tớ đơn giản, đỡ tốn kém bởi gần như toàn bộ "trí tuệ" tập trung tại trạm chủ. Một trạm chủ thường lại là một thiết bị điều khiển, vì vậy việc tích hợp thêm chức năng xử lý truyền thông là điều không khó khăn. Một nhược điểm của phương pháp kiểm soát tập trung chủ/tớ là hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm tớ bị giảm do dữ liệu phải đi quan khâu trung gian là trạm chủ, dẫn đến giám hiệu suất sử dụng đường truyền. Nếu hai trạm tớ cần trao đổi một biến dữ liệu đơn giản với nhau (một PLC có thể là một trạm tớ), thì trong những trường hợp xấu nhất thời gian đáp ứng vẫn (có thể kéo dài tới hơn một chu kỳ bus). Một trong các biện pháp cải thiện tình huống này là cho phép các trạm tớ trao đổi dữ liệu trong một chừng mực được kiểm soát. Tình huống ở đây là hai trạm tớ muốn gửi dữ liệu cho một trạm tớ, trong khi trạm tớ 2 lại được trạm chủ hỏi tới sau trạm tớ 1. Sau khi trạm chủ yêu cầu trạm tớ 1 nhận dữ liệu và trạm tớ 2 gửi dữ liệu, trạm tớ 2 có thể gửi dữ liệu trực tiếp tới trạm tớ 1. Nhận được lệnh kết thúc từ trạm tớ 2 (send completed), trạm tớ 1 sẽ có trách nhiệm thông báo ngược trở lại trạm chủ (receive-completed). Như vậy, việc truy nhập đường truyền cũng không bị chồng chéo lên nhau, và hai trạm tớ vẫn trao đổi được dữ liệu trong một chu kỳ bus. 39
45. Hình 2.17: Cải thiện trao đổi dữ liệu giữa hai trạm tớ Một hạn chế nữa của phương pháp này là độ tin cậy của hệ thống truyền thông phụ thuộc hoàn toàn vào một trạm chủ duy nhất. Trong trường hợp có sự cố xảy ra trên trạm chủ thì toàn bộ hệ thống truyền thông ngừng làm việc. Một cách khắc phục là sử dụng một trạm tớ đóng vai trò giám sát trạm chủ và có khả năng thay thế trạm chủ khi cần thiết. Chính vì lý do nêu trên, phương pháp chủ/tớ chỉ được dừng phổ biến trong các hệ thống bus cấp thấp, tức là bus trường hay bus thiết bị, khi việc trao đổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị điều khiển và các trạm tớ là thiết bị trường hoặc các module vào/ra phân tán. Trong trường hợp giữa các thiết bị tớ có nhu cầu trao đổi dữ liệu trực tiếp, trạm chủ chỉ có vai trò phân chia quyền truy nhập bus chứ không kiểm soát toán bộ hoạt động giao tiếp của hệ thống. 2.5.3 TDMA Trong phương pháp kiểm soát truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Mutiple Access), mỗi trạm được phân chia một thời gian truy nhập bus nhất định. Các trạm có thể thay nhau lần lượt gửi thông tin trong một khoảng thời gian cho phép-gọi là khe thời gian hay lát thời gian (Time slot, Time slide) theo một tuần tự quy định sẵn. Việc phân chia này được thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động (tiền định) Khác với phương pháp chủ/tớ, ở đây có thể có hoặc không có trạm chủ. Trong trường hợp có một trạm chủ thì vai trò của nó chỉ hạn chế ở mức độ kiểm soát việc tuân thủ đảm bảo giữ đúng lát thời gian của các trạm khác. Mỗi trạm đều có khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp trực tiếp với các trạm khác. 1 2 N Theo yêu cầu Hình trên minh họa cách phân chia thời gian cho các trạm trong một chu kỳ bus. Ngoài các lát thời gian phân chia cố định cho các trạm dùng để trao đổi dữ liệu định kỳ (đánh số từ 1 đến N), thường còn có một khoảng thời gian dự trữ giành cho 40
46. việc trao đổi dữ liệu bất thường theo yêu cầu, ví dụ gửi thông tin cảnh báo, mệnh lệnh đặt cấu hình, dữ liệu tham số, setpoint Về nguyên tắc TDMA có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Có thể phân chia thứ tự truy nhập bus theo vị trí sắp xếp của các trạm trong mạng, theo thứ tự địa chỉ. Hoặc theo tính chất của các hoạt động truyền thông. Cũng có thể kết hợp TDMA với phương pháp chồng nhưng cho phép các trạm tớ giao tiếp trực tiếp. Có hệ thống lại sử dụng một bức điện tổng hợp có cấu trúc giống như sơ đồ phân chia thời gian để các trạm có thể đọc và ghi dữ liệu vào phần tương ứng. Cũng như phương pháp chủ/tớ, chính vì tính chất tiền định của cách phân chia thời gian mà phương pháp này thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực. Trong một số trường hợp, người ta cũng có thể áp dụng kết hợp hai phương pháp chủ/tớ và TDMA. 2.5.4 Token Passing Token là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phân biệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được dùng tương tự như một chìa khóa. Một trạm được quyền truy nhập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thời gian nó được giữ token. Sau khi không có nhu cầu gửi thông tin, trạm đang có token sẽ phải gửi tiếp tới một trạm khác theo trình tự nhất định. Nếu trình tự này đúng với với trình tự sắp xếp vật lý trong một mạch vòng (tích cực hoặc không tích cực), ta dùng khái niệm Token Ring (chuẩn IEEE 802.4). Còn nếu trình tự quy định chỉ có tính chất logic như ở cấu trúc bus (ví dụ theo thứ tự địa chỉ), ta nói tới Token Bus (chuẩn IEEE 802.5). Trong mỗi trường hợp đều hình thành một mạch vòng logic. Hình 2.18: Hai dạng của phương pháp Token Passing Một trạm đang giữ token không những được quyền gửi thông tin đi, mà còn có thể có vai trò kiểm soát sự hoạt động của một số trạm khác, ví dụ kiểm tra xem có trạm nào xảy ra sự cố hay không. Các trạm không có Token cũng có khả năng tham gia kiểm soát, ví dụ như sau một thời gian nhất định mà token không được đưa tiếp, có thể 41
47. do trạm đang giữ token có vấn đề. Trong trường hợp đó, một trạm sẽ có chức năng tạo token mới. Chính vì vậy, Token Passing được xếp vào phương pháp kiểm soát phân tán. Trình tự cũng như thời gian được quyền giữ Token, thời gian phản ứng và chu kỳ bus tối đa có thể tính toán trước, do vậy phương pháp truy nhập này cũng được coi là có tính tiền định. Trong thời gian xác lập cấu hình, các trạm có thể dự tính về thời gian dùng token của mình, từ đó đi tới thỏa thuận một chu kỳ bus thích hợp để tất cả các trạm đều có quyền tham gia gửi thông tin và kiểm soát hoạt động truyền thông của mạng. Việc kiểm soát bao gồm các công việc sau: • Giám sát token: Nếu do một lỗi nào đó mà token bị mất hoặc gia bội, cần phải thông báo xóa các token cũ hoặc tạo một token mới. • Khởi tạo token. Sau khi khởi động một trạm được chỉ định có trách nhiệm tạo một token mới. • Tách trạm ra khỏi mạch vòng logic. Một trạm có sự cố phải được phát hiện và tách ra khỏi trình tự được nhận token. • Bổ xung trạm mới. Một trạm mới được kết nối mạng, một trạm cũ được thay thế hoặc đưa trở lại sử dụng phải được bổ xung vào mạch vòng logic để có quyền nhận token. Token Passing cũng có thể sử dụng kết hợp với phương pháp chủ/tớ, trong đó mỗi trạm có quyền giữ token là một trạm chủ, hay còn được gọi là trạm tích cực. Phương pháp kết hợp này còn được gọi là nhiều chủ (Mutti-Master), tiêu biểu trong hệ thống PROFIBUS. Các trạm chủ này có thể là các bộ điều khiển hoặc các máy tính lập trình, còn các trạm tớ (trạm không tích cực) là các thiết bị vào/ra phân tán, các thiết bị trường thông minh. Mỗi trạm chủ quản lý quyền truy nhập của một số trạm tớ trực thuộc, trong khi giữa các trạm chủ thì quyền truy nhập bus được phân chia theo cách chuyển token. Tuy nhiên, một trạm đóng vai trò là chủ ở đây không bắt buộc phải có các trạm tớ trực thuộc. (1) Token Passing giữa các trạm tích cực (2) Master/slave giữa một trạm tích cực và một số trạm không tích cực 42
48. Hình 2.19: Truy nhập bus kết hợp nhiều chủ (Muti-Master) 2.5.5 CSMA/CD CSMA/CD (Carrier Sense Mutiple Access with Cossion Detection) là một phương pháp nổi tiếng cùng với mạng Ethernet (IEEE 802.3). Nguyên tắc làm việc: Theo phương pháp CSMA/CD, mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần có sự kiểm soát nào, phương pháp được tiến hành như sau: Mỗi trạm đều phải tự nghe đường dẫn (carrier sense), nếu đường dẫn rỗi (không có tín hiệu) thì mới được phát. Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó, nên việc có khả năng hai trạm cùng phát tín hiệu lên đường dẫn. Chính vì vậy, trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không (collision detection). Trong trường hợp xảy ra xung đột, mỗi trạm đều phải hủy bỏ bức điện của mình chờ một thời gian ngẫu nhiên và thử lại. Hình 2.20. Minh họa phương pháp CSMA/CD Một tình huống xảy ra xung đột tiêu biểu và cách khắc phục được minh họa trên hình vẽ trên. Trạm A và trạm C cùng nghe đường dẫn. Đường dẫn rỗi nên A có thề gửi trước. Trong khi tín hiệu gửi đi từ trạm A chưa kịp tới nên trạm C không hay biết và cũng gửi, gây ra xung đột tại một điểm gần C. A và C sẽ lần lượt nhận được tín hiệu phản hồi, so sánh với tín hiệu gửi đi và phát hiện xung đột. Cả hai trạm sẽ hủy bức điện gửi đi bằng cách không phát tiếp, các trạm muốn nhận sẽ không nhận được cờ hiệu kết thúc bức điện và sẽ coi như bức điện không hợp lệ. A và C cũng có thề gửi một tín hiệu "jam" đặc biệt để báo cho các trạm cần nhận biết. Sau đó mỗi trạm chờ một thời gian chờ ngẫu nhiên, trước khi thử phát lại. Thời gian chờ ngẫu nhiên ở đây tuy nhiên phải được tính theo một thuật toán nào đó để sao cho thời gian chờ ngắn một cách hợp lý và không giống nhau giữa các trạm cùng chờ. Thông thường thời gian chờ này là bội số của hai lần thời gian lan truyền tín hiệu từ. 43