اترنت، کابل، BASE، TCP/IP، پروتکل

لایه‌ها یک لایه پایین تر آمده و با برداشتن لایه TCP/IP اترنت زمان حقیقی را محقق ساختند13.
4. در حالت آخر لایه اترنت نیز اصلاح گردید که به اترنت اصلاح شده14 معروف گردید[11].
شکل ‏25: ساختارهای ممکن برای اترنت زمان حقیقی [11]
در هر یک از این بخش ها استانداردها و پروتکل های مختلفی ایجاد گردید که به معرفی آنها می پردازیم (لازم به ذکر است به دلیل اختصاصی بودن برخی از پروتکل‌ها و استانداردها در نزد سازندگان، اطلاعات زیادی از آن‌ها منتشر نشده و تنها کلیات پروتکل عنوان گردیده است):
2-2-3-1- ON TOP OF TCP/IP:
2-2-3-1-1- MODBUS/TCP:
در سال 1979 شرکت Schneider electric نسخه جدیدی از پروتکل مدباس را ارائه داد که به جای استفاده از مدیای سریال15 (RS485/232 ) از بستر اترنت استفاده می‌نمود. این پروتکل بر مبنای درخواست/پاسخ16
طرح‌ریزی شده بود[12].
2-2-3-1-2- ETHERNET/IP:
Ethernet/IP توسط Rockwell در دهه 90 ایجاد و دو موسسه Open Devicenet Association و
Control net International از آن حمایت کردند. این پروتکل با تغییر زمان ارسال داده‌ها در سوییچ‌ها کارکرده و داده‌های اترنت زمان حقیقی را با اولویت بالاتر انتقال می‌دهد[13].
2-2-3-1-3- P-NET:
P-NET توسط موسسه بین المللی Danish برپایه استفاده از فضای IP معرفی گردید [14].
2-2-3-1-4- VNET/IP :
این پروتکل توسط Yokogawa و بر مبنای TCP/IP معرفی گردیده است و بر مبنای Client / Server استفاده می‌کند[15].
2-2-3-2- ON TOP OF ETHERNET:
همانطور که اشاره شد در این حالت وسایل متصل به شبکه در کنار لایه IP از پروتکل مختص خود استفاده می‌کنند که توسط خود آن‌ها قابل شناسایی می‌باشد.
2-2-3-2-1- ETHERNET POWER LINK (EPL):
توسط Bernecker و Rainer معرفی گردید و استفاده کنندگان از آن EPL Standard Group هستند. این سیستم بر مبنای Master-Slave عمل نموده و Master کنترل شبکه و ارتباط Slave ها را برعهده دارد. ارسال و دریافت داده ها بر پایه زمان بندی می باشد[16].
2-2-3-2-2- TIME-CRITICAL CONTROL NETWORK (TCNET)
توسط شرکت Toshiba ارائه گردیده است که در این حالت نودها به ارسال سنکرون اطلاعات یکی پس از دیگری می‌پردازند[17].
2-2-3-2-3- ETHERNET FOR PLANT AUTOMATION:
توسط شرکت Subcon عرضه شده است[18].
2-2-3-2-4- PROFINET CBA:
کمیته پروفیباس توسط چند شرکت از جمله زیمنس این پروتکل را ارائه نموده است[19].
2-2-3-3- MODIFIED ETHERNET:
شبکه‌های اترنت در ابتدا بر پایه توپولوژی ستاره و استفاده از سوییچ بنا نهاده شده ولی در صنعت استفاده از توپولوژی خط یا حلقه (جهت کم کردن هزینه کابل کشی) متداول بوده است. لذا در این روش تصمیم به تغییر روش توپولوژی‌ها گرفته شد و برخی از استانداردها تغییراتی بر روی وسایل دادند تا علاوه بر اینکه از توپولوژی خط یا حلقه استفاده می‌کنند توانایی سازگاری با اترنت معمولی را داشته باشند و همچنین قادر به ارائه اترنت زمان حقیقی نیز باشند [11].
2-2-3-3-1- SERIAL REALTIME COMMUNICATION SYSTEM ( SERCOS)
توسط IEC ارائه گردیده است و در حال تکامل می‌باشد. این پروتکل برپایه Master/Slave طرح ریزی شده است. هریک از Slave ها دارای دو نود شبکه می‌باشند که به صورت خط به یکدیگر متصل می‌گردند[20].
2-2-3-3-2- ETHERCAT
توسط شخصی به نام Beck hoff عرضه شده و مورد حمایت Ethercat technology group (ETG) است و بصورت Master/Slave بر پایه‌ی توپولوژی حلقه پیکربندی شده است. دراین روش Master دیتا را به Slave اول داده و در هر مرحله هر Slave دیتای خود را برداشته و دیتای خروجی را به فریم اضافه می‌کند و به Slave بعدی ارسال می‌نماید و در نهایت فریم به Master بازگردانده می‌شود[21].
2-2-3-3-3- PROFINET IO :
کمیته پروفیباس توسط چندین شرکت مختلف از جمله زیمنس Profinet IO را معرفی کرده است که توسعه یافته پروتکل Profinet CBA می‌باشد که در آن داده ها کلاسه بندی شده و بر اساس یک جدول زمانی ارسال می‌شوند و شبکه نیازمندProfinet Ethernet Switch می‌باشد[19].
2-3- شبکه پروفیباس:
امروزه اکثر صنایع و کارخانه‌ها برای کنترل فرآیندهای صنعتی خود از سیستم‌های کنترل اتوماتیک استفاده
می کنند، قسمت‌های مختلف این سیستم‌ها مانند سنسورها، محرک‌ها و کنترل کننده‌ها بایستی به یکدیگر متصل بوده و قابلیت برقراری ارتباط با یکدیگر را داشته باشند. برای برقراری ارتباط در محیط‌های صنعتی روش‌های متعددی ایجاد شده و تکامل یافته اند که جدیدترین آنها استفاده از شبکه‌های دیجیتال است. به این شبکه‌ها به طور عمومی ” فیلد باس ” گفته می‌شود [1].
2-3-1- نگاهی به تاریخچه پیدایش شبکه پروفیباس:
استفاده از شبکه‌های مخابرات داده در اتوماسیون صنعتی ابتدا در دهه 1970 معرفی شد. اولین کاربرد آنها در سیستم‌های کنترل مستقیم دیجیتال (DDC) برای ارتباط میان رایانه و واحد ورودی/ خروجی بود. همچنین شبکه‌ها به طور پراکنده در سیستم‌های کنترل گسترده (DCS) و کنترل کننده‌های منطقی برنامه پذیر (PLC) برای ارتباط میان کنترل کننده‌ها و کاربر به کار گرفته می‌شد. اما ارتباط دیجیتال میان دستگاه‌های کوچکتر در سطح کارخانه مانند مبدل‌ها و عملگرها تا دهه 1980 ایجاد نشده بود. و ایجاد شبکه‌های واقعی دیجیتال میان تجهیزات کارخانه تا دهه 1990 مقبولیت عام نیافته بود[22].
با پیشرفت پردازشگرهای دیجیتال از سال 1980 سنسورهای هوشمند با قابلیت پردازش ارائه شد و این اندیشه قوت گرفت که به جای اتصال ترانسمیتر‌ها و محرک‌ها به Remote I/O آنها را مستقیما به شبکه وصل کنند.
بعلاوه به علت وجود پردازشگرها در وسایل فیلد می‌توان برخی فانکشن‌های ساده کنترلی را به آنها محول نمود و لزومی به اجرای آنها توسط یک کنترلر مرکزی نیست. این امر علاوه بر اینکه بار کنترلر اصلی را کاهش می‌دهد، قابلیت اطمینان سیستم را بدلیل استفاده از وسایل هوشمند توزیع شده، افزایش می‌دهد. این ایده سرآغاز ظهور سیستم‌های فیلدباس در کنترل صنعتی شد[22].
پیدایش پروفیباس که برگرفته از کلمه پروسس فیلدباس است به سال 1987 بر میگردد. در آن زمان بیش از 20 کمپانی و موسسه آلمانی با یکدیگر پروژه ای را تحت عنوان استاندارد سازی شبکه در سطح فیلد شروع کردند. کمپانی زیمنس نیز در بین آنان بود.هدف پروژه ایجاد یک شبکه باز بود که بتواند سیستم های کنترل موجود مانند PLC و DCS را پوشش دهد. پس از 3 سال تلاش در سال 1990 Profibus FMS ارائه گردید که برای ارتباطات پیچیده کنترلی بکار می‌رفت و هنوز نیز کاملا کنار گذاشته نشده است. سپس در سال 1993 Profibus DP طراحی شد که تا امروز 3 نسخه از آن تحت عنوان DP-V2 , DP-V1 , DP-V0 عرضه شده است. علاوه بر این به منظور پوشش دادن نیاز های مربوط به محیط های خطرناک و انفجاری در سال 1995 Profibus PA پا به عرصه وجود گذاشت[22].
پروفیباس اگرچه ابتدا در آلمان مطرح شد ولی به سرعت توسعه پیدا کرد و جایگاهی بین المللی به خود اختصاص داد و سازمانی با عنوان Profibus International (با نام اختصاری PI ) قرار گرفت. PI در سال 1995 تشکیل گردید و امروزه بیش از 1400 شرکت معتبر عضو آن هستند. هدف اصلی PI توسعه و بهبود تکنولوژی پروفیباس برای مقبولیت جهانی است[23].
2-4- ارتباطات منطقی در شبکه‌های صنعتی (اترنت و پروفیباس)
هرجا از شبکه صحبتی به میان می‌آید چه شبکه‌های صنعتی و چه شبکه غیر صنعتی موضوع مدل OSI نیز در آن جایگاه ویژه ای بخود اختصاص می‌دهد. OSI مخفف Open System Interconnection و معرف یک مدل (و یک استاندارد) برای تبادل دیتا روی شبکه است. این مدل مرجع در سال 1983 توسط موسسه استاندارد ISO عرضه شد و معرف 7 لایه در شبکه است. این مدل می‌گوید وقتی بین دو وسیله متصل به شبکه اطلاعات تبادل می‌شود دیتا بایستی از 7 لایه بگذرد[5].
شکل ‏26: مدل OSI [5]
در سمت فرستنده دیتا به لایه پایین تر مطابق شکل بالا تحویل داده می‌شود و از آنجا پله پله به لایه‌های
پایین تر منتقل می‌گردد. در هر لایه کاری روی دیتا انجام می‌شود و به آن هدر اضافه می‌گردد. مثلا دیتا به بخشهای کوچکتر تقسیم می‌گردد، رمزگذاری می‌شود، به آن آدرس گیرنده و فرستنده اضافه می‌شود، بیت‌های خاص کنترل خطا در کنار آن قرار می‌گیرد. به این عملیات کپسوله کردن یا بسته بندی می‌گویند. پس از اتمام عملیات فوق دیتا به لایه آخر (پایین ترین لایه) یا لایه فیزیکی تحویل داده می‌شود تا آنرا به محیط فیزیکی بیرون منتقل کند یعنی بصورت جریان الکتریکی روی کابل یا بصورت پالسهای نوری روی فیبر قرار دهد. در سمت گیرنده این سیگنالها توسط لایه فیزیکی دریافت شده و به لایه‌های بالاتر تحویل داده
می شود در گیرنده هر لایه وظیفه مشابه همان لایه در فرستنده را دارد ولی آنچه در سمت فرستنده اضافه شده اینجا شناسایی و حذف می‌شود. بدین ترتیب دیتا پله پله به لایه‌های بالاتر منتقل شده و هدر‌های اضافه شده حذف می‌گردند تا اصل پیام در لایه 7 برای گیرنده قابل دریافت باشد [5].
از آنجا که کامل ترین مدل برای مخابرات شبکه ای مدل ارایه شده مدل OSI می‌باشد، ما نیز از این مدل جهت بررسی ساختار اترنت و پروفیباس استفاده می‌نماییم.
2-5- تکنولوژی ارتباطات در اترنت
نام اترنت را غالبا همراه با TCP/IP بکار می‌برند. توجه شود که طبق استاندارد IEEE802.3 اترنت از لایه‌های 1 و 2 مدل OSI استفاده می‌کند. TCP/IP جایگزین این دو لایه نشده بلکه در لایه‌های شبکه17 و انتقال18 از TCP/IP استفاده شده است. بنابراین وقتی از اترنت استاندارد صحبت می‌شود نبایستی آن را با TCP/IP یکسان تصور نمود بلکه TCP/IP بخشی از لایه‌های ارتباطی در اترنت استاندارد محسوب می‌شوند. مقایسه بین لایه‌های TCP/IP و OSI در شکل زیر آمده است.
این دو مدل همانطور که در شکل نشان داده شده بصورت لایه بندی هستند و بالاترین لایه در هر دوی آنها لایه کاربرد19 بوده و دارای لایه‌های مشابه مانند لایه انتقال و شبکه نیز می‌باشند. تعداد لایه‌ها در TCP/IP کمتر و ساده تر است. در مدل TCP/IP می‌توان از پروتکل‌های ساده استفاده کرد که اگرچه سریع هستند ولی ارسال صحیح را تضمین نمی کنند ولی در OSI تضمین ارسال صحیح مورد تاکید است[24].
شکل ‏27: تفاوت مدل OSI و TCP/IP [5]
در ادامه به بررسی تک تک لایه‌ها می‌پردازیم:
2-5-1- لایه فیزیکی
لایه فیزیکی در اصل بستر و زیر ساخت ارتیاطی شبکه بوده و در واقع مدیای مورد نیاز جهت ارسال و دریافت اطلاعات می‌باشد. با تغیرات به عمل آمده در استانداردهای اترنت لایه فیزیکی نیز دستخوش تغییر بوده است که در ادامه به بررسی آن می‌پردازیم. با توجه به اینکه پرکاربردترین خانواده‌های اترنت در مقاصد صنعتی خانواده 10 Base و خانواده 100 Base است در این بخش به ارتباطات فیزیکی این دو شبکه می‌پردازیم و از ذکر مباحث مربوط به گیگابایت خودداری می‌نماییم[5].
2-5-1-1- 10BASE 5
اولین استاندارد مربوط به اترنت20 است که در سال 1985 توسط IEEE ارائه شده است. در استاندارد 10 BASE 5 شبکه مبتنی بر کابل کواکسیال با سرعت 10Mbps است، به این کابل نوع RG-8 نیز می‌گویند. از معایب این شبکه حجیم بودن شبکه و گرانقیمت بودن آن به دلیل نیاز به وسایلی موسوم به ترانسیور و ساده نبودن عیب یابی است. توپولوژی این شبکه به صورت باس است و اشکال در کابل اصلی یا ترانسیور می‌تواند کل شبکه را مختل کند. به دلیل کاستی‌های فوق امروزه کاربرد این شبکه منسوخ گردیده است. در این شبکه ماکزیمم طول کابل انشعابی 50 متر است و کابل اصلی شبکه که بین ترانسیورها کشیده می‌شود می‌تواند از حداقل 2.5 متر شروع شود و با طولی حداکثر تا 500 متر ادامه یابد. در صورت افزایش طول می‌بایست از تکرارگر21 استفاده نمود.
شکل ‏29: 10BASE 5 [25]
با ارائه 10 BASE 2 که نیز مبتنی بر کابل Coaxial ولی کابل نازکتر بود، 10 BASE 5 به Thick net (شبکه ضخیم) و 10 BASE 2 به Thin net (شبکه نازک) معروف گردید[25].
2-5-1-2- 10 BASE 2
10 BASE 2 مطابق با استاندارد IEEE 802.3a می‌باشد که به منظور فایق آمدن بر کاستی‌های 10 BASE 5 عرضه شده است. سرعت آن 10Mbps و کابل مورد استفاده در آن کواکسیال است که به RG58 نیز موسوم است. این شبکه به اسامی Thin net و Cheaper net نیز شناخته می‌شود. نازکتر بودن کابل کواکس این شبکه نسبت به کابل کواکس 10 BASE 5 و اقتصادی تر بودن آن به دلیل عدم نیاز به ترانسیور از دلایل این نامگذاری است. اتصال وسیله به شبکه توسط کانکتور BNC انجام می‌شود. با وجود آنکه کابل کشی این شبکه نسبت به 10 BASE 5 بسیار کمتر است ولی عیب بزرگ 10 BASE 2 اینست که به دلیل استفاده از توپولوژی باس قطع شدن وسیله یا شل شدن اتصال BNC می‌تواند کل شبکه را مختل کند از اینرو اگرچه تا چند سال قبل به عنوان LAN اداری بکار می‌رفت ولی در اتوماسیون صنعتی مورد توجه قرار نگرفت. حداقل فاصله بین دو ایستگاه 0.5 متر است. ماکزیمم طول سگمنت دقیقا 185 متر است. امروزه استفاده از 10 BASE 2 برای اترنت حتی در کاربرد غیر صنعتی منسوخ شده است[26].
شکل ‏210: 10BASE 2 [26]
2-5-1-3- 10 BASE-T
بر اساس استاندارد IEEE 802.3i ارائه شده است و سرعت آن 10 Mbps است یعنی از نظر سرعت تفاوتی با دو نوع شبکه قبلی ندارد فقط از نظر کابل و تجهیزات رابط متفاوت است. مشکلات مربوط به قطع شدن کابل در شبکه های 10 BASE قبلی به دلیل توپولوژی باس منجر به طراحی این شبکه گردید که به دلیل استفاده از توپولوژی ستاره قابلیت اطمینان بالاتری نسبت به دو نوع قبلی دارد و عیب یابی آن ساده تر است.
در انواع قبلی کابل کواکسیال استفاده می‌شود ولی در این شبکه کابلی با 4 زوج سیم به هم تابیده که می‌تواند از نوع UTP باشد بکار می‌رود که البته فقط دو زوج آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. توپولوژی ستاره با وسایلی موسوم به هاب22 ایجاد می‌شود. این شبکه هنوز در مقاصد صنعتی و غیر صنعتی کاربرد دارد. اگر از کابل Cat 5 در این شبکه استفاده شود کانکتور RJ45 مورد استفاده قرار می‌گیرد. ماکزیمم طول کابل بین وسیله تا هاب 100 متر و حداقل فاصله بین این دو 2.5 متر است. با سری کردن هاب‌ها می‌توان طول شبکه را بصورت تئوری تا 4000 متر افزایش داد اما بطور عملی ماکزیمم فاصله بستگی به نوع وسایل و انجام عملیات محاسباتی دارد. در یک جمله ساده می‌توان گفت تا حدی می‌توان طول شبکه را افزایش داد که بین دو وسیله ای که بیشترین فاصله را با هم روی شبکه دارند اگر تصادم دیتا پیش آمد قبل از اینکه دیتای بعدی را بفرستند مطلع شوند. اصطلاحا به این موضوع Collision Domain گفته می‌شود که در بخش‌های آتی توضیح بیشتری خواهیم داد. این شبکه هنوز در مقاصد صنعتی و غیر صنعتی کاربرد دارد[27].
شکل ‏211: 10BASE T [27]
2-5-1-4- 10 BASE-FL
10 BASE-FL مطابق با استاندارد IEEE 802.3j می‌باشد و برای فیبر نوری بکار می‌رود، حروف FL در انتهای کد معرف Fiber Optic Link می‌باشد. 10 BASE-FL برای به روز کردن استاندارد FOIRL
(مخفف Fiber-optic inter-repeater link) عرضه شده است. در FOIRL حداکثر طول فیبر بین دو وسیله 1000 متر بود که در 10 BASE-FL به 2000 متر افزایش یافت. استفاده از فیبر نوری دو مزیت بزرگ را نسبت به شبکه های مسی قبلی به دنبال داشت اول ایمنی سیگنال در مقابل نویز و دوم امکان انتقال تا مسافت های طولانی. کارت شبکه 10Base-FL دارای دو پورت نوری TX,RX است که کانکتورها مستقیما به آن متصل می‌شوند. توپولوژی این شبکه به صورت نقطه به نقطه23 است. به عبارت دیگر فیبر از پورت ارسال TX یک وسیله به پورت RX وسیله دیگر متصل می‌شوند. بنابراین هر سگمنت ماکزیمم دو نود دارد [28].
شکل ‏212: 10 BASE-FL [28]
2-5-1-5- 100 BASE یا FAST ETHERNET
این شبکه مبتنی بر استاندار IEEE 802.3u می‌باشد و می‌تواند از کابل مسی (100 BASE-TX) یا فیبر نوری یا استفاده کند. اترنت سریع با سرعتی 10 برابر اترنت معمولی کار می‌کند. از اینرو به آن اترنت سریع یا Fast Ethernet گفته می‌شود.
ویژگی های اترنت سریع در جدول زیر با نوع معمولی مقایسه شده است. همانطور که مشاهده می‌شود بجز سرعت انتقال که 10 برابر شده سایر ویژگی‌ها عمدتا یکسان هستند[5].
جدول2-3: مقایسه اترنت معمولی و سریع [5]
مشخصه شبکه اترنت
اترنت معمولی
اترنت سریع
IEEE 802.3
IEEE 802.3µ
10Mbps
100Mbps
توپولوژی
Bus, Star, Tree
Tree, Star
نوع کابل
Coax, TP, FO
TP, FO
ماکزیمم طول کابل TP
100 m
ماکزیمم طول فیبر نوری
2000 m
شبکه 100 BASE با توجه به نوع وسیله انتقال (کابل مسی یا فیبر نوری) و با توجه به تعداد زوج کابل مسی دارای انواع مختلف است که در شکل زیر نشان داده است:
شکل ‏213: انواع اترنت سریع [5]
2-5-1-6- 1000 BASE یا اترنت گیگابیت
این شبکه بر مبنای 1000Mbps کار می‌کند و از نظر سرعت به سه دسته تقسیم می‌شود: 40Gb, 10Gb, 1Gb. نوع 1Gb از کابل Cate 5 و Cate 6 یا فیبر نوری استفاده می‌کند. نوع 10Gb کابل Cate 5 و Cate 6 و Cate7 یا فیبر نوری را بکار می‌برد ولی نوع 40Gb فقط از فیبر نوری استفاده می‌کند [29].
بسته به نوع وسیله انتقال شبکه های گیگابیت به انواع مختلف تقسیم بندی می‌شوند. جدول زیر انواع 1000 BASE را نشان می‌دهد.
جدول2-4: انواع اترنت گیگابیت [5]
2-5-2- مقایسه کلی شبکه های اترنت مبتنی بر IEEE 802.3 :
با جمع‌بندی ویژگی‌های فوق جدول زیر حاصل

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 6