Протокол LonTalk

Одной из главных составляющих технологии LonWorks является открытый протокол LonTalk, описываемый 7-уровневой сетевой моделью взаимодействия открытых

систем OSI.

Протокол LonTalk не опирается на определенную реализацию физического уровня и обеспечивает передачу данных по самым различным каналам связи с использованием разнообразных методов кодирования. Например, для витой пары используется метод дифференциального кодирования, а для работы на сегментах линий напряжения и на радиочастотах применяется FSK-модуляция.

Каждый узел LonWorks работает с физическим уровнем в одном из двух режимов – прямом или специальном. В прямом режиме информация передается в закодированном виде (например, с применением дифференциального манчестерского кодирования битов), а в специальном режиме данные передаются последовательно и без кодирования. Причем в обоих режимах каждый пакет сопровождается 16-битовым CRC-кодом. Это позволяет не учитывать при передаче битов конкретную реализацию среды передачи. При работе в прямом режиме контроль над скоростью передачи данных, длиной заголовков пакетов и кодированием берет на себя микроконтроллер Neuron. В специальном режиме эти задачи выполняет приемопередатчик, используемый для сопряжения различных физических протоколов.

На подуровне MAC в качестве средства борьбы с коллизиями (конфликтными ситуациями) используется предиктивный метод, основанный на упорядочении доступа к каналу с учетом предполагаемой нагрузки на канал. Передающий узел всегда получает доступ к каналу со случайной задержкой из диапазона от 0 до некоторой величины w, являющейся функцией числа незавершенных заданий, стоящих в очереди на выполнение. Разрешение коллизий на этом подуровне осуществляется по следующим правилам:

1. Если коллизия возникла после двух последовательных попыток передачи пакета с приоритетом, то следующая отсылка пакета будет происходить без приоритета.

2. При обнаружении коллизии передающий узел должен инкрементировать число незавершенных заданий.

3. Если после 255 последовательных попыток передачи пакета возникает коллизия, то задание снимается.

Функции канального уровня используют простое кодирование кадров и несложный механизм обнаружения ошибок без восстановления за счет повторной передачи. Пропускная способность канала зависит от группы факторов: скорости передачи, времени доступа к среде передачи, размера пакетов и т.д.

Транспортный уровень обеспечивает достоверную передачу пакетов одному абоненту или группе абонентов.

Для связи с сеансовым уровнем на транспортном уровне LonTalk реализована поддержка следующих функциональных запросов: послать телеграмму, принять телеграмму, подтверждение завершения передачи. Сеансовый уровень отвечает за реализацию простого механизма запроса/ответа для доступа к удаленным серверам данных и обеспечивает выполнение всего одной функции – запрос/ответ. При этом любой запрос будет ожидать ответа. Функции запроса/ответа можно использовать для прикладных задач, работающих по принципу клиент-сервер. И на транспортном, и на сеансовом уровнях включен механизм контроля авторизованного доступа: запрос, не обладающий правом доступа к данным текущего узла, не будет обслужен.

Уровень приложений и предоставления данных создает основу для совместимости узлов протокола LonTalk. Одной из важных задач, решаемых на этом уровне, является передача чужеродных по отношению к LonTalk телеграмм. Такая функция используется для организации шлюзов между доменами, а также для перехода через LonTalk к другим протоколам. В LonWorks используется модифицированный произвольный доступ с контролем несущей (CSMA/CD). Для уменьшения нагрузки на сеть используется событийный механизм обмена сообщениями, а для сокращения внутри сетевого трафика можно использовать сегментацию сети при помощи маршрутизаторов, выпускаемых различными производителями.

Физическая структура сети

Любая сеть должна включать в себя три элемента – узлы сети, сетевой инструментарий и коммуникационную среду. Узлы сети мы рассмотрели уже достаточно подробно, сетевой инструментарий рассмотрим ниже. В данной главе остановим свое внимание на коммуникационной среде, том носителе, который собственно и передает информационные пакеты от одного узла к другому. Поскольку электромагнитные колебания являются самым быстрым переносчиком информации, в сетях LON используются именно они. Эти колебания распространяются в различных носителях, каждый из которых будет рассмотрен подробно.

С точки зрения устройства в сети LonWorks, топология физической проводки не имеет никакого значения, до тех пор, пока устройство может передавать и принимать сообщения. Среда, по которой работает канал, и типы приемно-передающих устройств определяют требования и ограничения каждой топологии проводки. Соответственно, тип среды передачи и ее характеристики определяются типом приемопередатчика и ничем более. В настоящее время находят применение несколько типов приемопередатчиков.

• TP/FT. Передача сигнала по линии типа «витая пара», Twisted Pair/FreeTopology. Передача информации путем кодирования цифрового сигналанизковольтными импульсами. Применяется так называемое «манчестер-ское кодирование». Самый распространенный тип приемопередатчика. В стандартных для данного типа приемопередатчика после обозначения типа указывается скорость передачи.

• TP/LP. Передачи сигнала по линии типа «витая пара», когда питание устройств осуществляется по той же паре проводников. Проводники при этом находятся под постоянным напряжением 42В, и на эту постоянную составляющую накладывается информационный «манчестерский» сигнал. Очень распространенный тип приемопередатчика.

• PL. Передача сигнала по сетям силовой электрической поводки напряжением 220/380В. Кодированный высокочастотный сигнал распространяется по обыкновенным электрическим проводам, проходя через трансформаторы, индуктивные и емкостные нагрузки.

• IR. Инфракрасный канал. Обычно используется для передачи сигнала на небольшие расстояния, например от пультов управления к приемникам.

• FO. Передача сигнала LON по волоконной оптике. Самое большое расстояние передачи и высокая скорость.

• RF. Передача сигнала через радиоканал на разрешенной для промышленного применения частоте. Очень часто применяется для связи датчиков,расположенных в труднодоступных местах, с базой, например метеостанции с сетью здания. Компания Thermokon выпускает выключатели и кнопки с каналом RF, которые можно крепить на любую поверхность,потому что к ним не подходит вообще ни одного провода.

• LON over IP. Очень распространенная система организации магистральных каналов, обладающая высокой скоростью и хорошей совместимостью. Так же используется для удаленного управления объектами через Интернет.

В случае радиоканала, инфракрасного канала или работы по электрической сети ни о какой топологии сети говорить не приходится, поскольку ее определяет не инсталлятор, а внешние факторы. Более того, в такой сети устройства могут произвольно «появляться» и так же произвольно «исчезать». В таких сетях возможны коллизии, когда устройства одной сети принимают сигналы другой сети. Все эти вопросы разрешены в самом протоколе LonTalk. Сети IR, PL и RF работают устойчиво и с хорошей скоростью.

Наиболее распространенными в практике являются сети TP/FT и TP/LP. Все характеристики этих сетей практически идентичны, и в нашем рассмотрении различных конфигураций мы будем говорить просто о топологии «витая пара», подразумевая под этим оба стандарта.

Существует два типа сетей TP. Это сети TP-10 и TP-1250. Они различаются тактовой частотой и обеспечивают различную скорость передачи данных. Поскольку сеть LonWorks событийно-ориентированная, и устройства обмениваются пакетами различной длины, не создавая непрерывного потока, то и говорить о пропускной способности в байтах/секунда бессмысленно. Стандартная пропускная способность канала PL составляет 11-20 пакетов в секунду, канала TP/FT-10 - 225 пакетов в секунду, каналаTP/XF-1250 - 720 пакетов в секунду, LON over IP более 30000 пакетов в секунду. Топология сети TP/FT-10 отличается от топологии TP/XF-1250, поскольку на различных частотах проводники ведут себя различно.

Самая простая топология TP/FT – это топология шины. У каждого устройства, имеющего интерфейс LON, имеются две клеммы, к которым и присоединяется проводники. Могут применяться разъемы различных стандартов, но чаще всего используются обыкновенные зажимные винты. Последовательно обходя устройство за устройством проводом «витая пара», мы получим топологию шины. С обоих концов линии ставятся терминаторы, или согласованные волновые сопротивления, которые не дают распространяться отраженной волне.

Топология шины может иметь наибольшую длину 2700 метров между крайними точками, она проста по организации, в ней проще искать места повреждений. Если расстояние между крайними точками больше указанной величины, ставят повторитель линии или маршрутизатор.

Однако в процессе эксплуатации и доработок сети, как правило, появляются новые устройства. И если новое устройство ставится в отдаленном месте, вести к нему сеть становится проблематично. В этом случае выручает свободная топология.

Свободная топология позволяет укладывать кабель в какие угодно конфигурации и добавлять устройства по самым различным схемам. Такая возможность – одно из значительных преимуществ сетей LON. Например, кабель можно организовывать в кольцо для повышения устойчивости сети к повреждениям. Однако длина кабеля в

этом случае не может быть более 500 метров.

Как видно из приведенных рисунков, процесс проектирования кабельных проводок в случае сети LON очень и очень прост. Здесь не требуется сложных расчетов и измерений. Сети LON малочувствительны к электромагнитным помехам, а специальными методами их помехоустойчивость можно дополнительно повысить. При добавлении нового устройства не нужно думать о создании специальных проводников – логическая топология сети не связана с физической и достигается путем программирования.

Дата добавления: 2014-12-25