Bài giảng Các thành phần hệ thống mạng

Hệ thống thông tin công nghiệp 3/31/2006 5 Các thành phần hệ thống mạng 25 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS 5 Nội dung 1. Phương tiện truyền dẫn 2. Phần cứng giao diện mạng 3. Phần mềm trong hệ thống mạng 4. Thiết bị liên kết mạng 5. Các linh kiện mạng khác 35 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS 1. Phương tiện truyền dẫn ƒ Cáp quang: — Sợi thủy tinh — Sợi chất dẻo ƒ Cáp ₫iện: — Cáp ₫ồng trục — Đôi dây xoắn — Cáp trơn ƒ Vô tuyến: — Vi sóng (microwave) — Sóng truyền hình (TV) — Sóng truyền thanh (radio AM, FM) — Tia hồng ngoại (UV) C hất lư ợng truyền dẫn 45 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Dải tần ƒ Shannon: Tốc ₫ộ bit tối ₫a (bits/s) = H log2 (1+S/N) f(Hz) 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 Dải tần LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF Đôi dây xoắn Vệ tinh Sợi quang Cáp đồng trục AM radio FM radio TV Vi sóng mặt đất Hồng ngoại 55 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Đôi dây xoắn (Twisted Pair ,TP) ƒ Phát minh của A. Grahm Bell, 1881 65 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS a) STP b) UTP ƒ Hai loại: Shielded TP, Unshielded TP ƒ Chất lượng phụ thuộc vào tiết diện và kiểu bọc lót, che chắn ƒ Hạng chất lượng 1-5 hoặc D-A (IEC 61158-2), hạng 5 có thể cho tốc ₫ộ truyền 100Mbit/s (Fast Ethernet 100BASE-TX) 75 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Cáp ₫ồng trục (Coaxial Cable) ƒ Tốc ₫ộ truyền tối ₫a: 1-2Gbit/s ƒ Chất lượng cao ƒ Lắp ₫ặt phức tạp ƒ Sử dụng chủ yếu ở mạng cấp cao (Ethernet, ControlNet) Vá bäc (PVC) Líp dÉn ngoμi (Cu) D©y dÉn lâi (Cu) Líp c¸ch ly (PE) 85 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS So sánh ₫ộ suy giảm trên ₫ường truyền 1 10 100 1 10 100 1000 TÇn sè (MHz) S u y g i ¶ m ( d B / 1 0 0 m ) STP Coax 95 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Cáp quang ϕ n2 n1 105 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Các loại sợi quang ƒ Sợi thủy tinh: — Sợi ₫a chế ₫ộ (Multimode Fiber, MMF): tín hiệu là các tia laser có tần số không thuần nhất. Khả năng truyền hạn chế trong phạm vi Gbit/s * km. — Sợi ₫ơn chế ₫ộ (Single-Mode Fiber, SMF): tín hiệu là các tia laser có tần số thuần nhất. Tốc ₫ộ truyền có thể ₫ạt tới hàng trăm Gbit/s * km. ƒ Sợi chất dẻo: — truyền với tốc ₫ộ thấp (khoảng vài chục tới vài trăm Mbit/s), khoảng cách truyền ngắn (tối ₫a 80m), — giá thành thấp và lắp ₫ặt dễ dàng hơn nhiều. 115 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS 2. Phần cứng giao diện mạng Líp øng dông Líp biÓu diÔn d÷ liÖu Líp kiÓm so¸t nèi Líp vËn chuyÓn Líp m¹ng Líp liªn kÕt d÷ liÖu Líp vËt lý P h Ç n c ø n g P h Ç n m Ò m H Ö ® i Ò u h μ n h C h − ¬ n g t r × n h ø n g d ô n g M« h×nh OSI Thμnh phÇn thùc hiÖn 125 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Gi¾c c¾m Vi xö lý (Xö lý giao thøc) Giao diÖn víi vi m¹ch thiÕt bÞ hoÆc IO-Driver EPROM/ EEPROM/ Flash RAM Nguån Timer, Watchdog Giao diÖn sö dông (C«ng t¾c, jumper LED) • • • • • C¸ch ly UART Bé thu ph¸t (VÝ dô RS-485) • +24VDC §Êt Bus Vi m¹ch thiÕt bÞ Vi m¹ch chuyªn dông (ASIC) 135 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Ghép nối thiết bị ₫iều khiển ƒ PLC (Programmable Logic Controller): Thiết bị ₫iều khiển logic khả trình: Cấu trúc module hoặc cấu trúc gọn ƒ DCS (Distributed Control System): Hệ thống ₫iều khiển phân tán tích hợp: cấu trúc module ƒ Compact Digital Controller: Cấu trúc gọn, không lập trình ₫ược ƒ PC công nghiệp 145 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Điều khiển phân tán sử dụng bus trường Phân đoạn 1 MTĐK 1 MTGS MTGS PHÒNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM HIỆN TRƯỜNG bus hệ thống TRẠM ĐIỀU KHIỂN CỤC BỘ I/O S A bus trường Phân đoạn 2 MTĐK 2 A Phân đoạn n MTĐK n I/O S A bus trường bus trường S 155 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Ghép nối PLC (Programmable Logic Controller) PS CPU IM IM DI DO AI AO Bus hÖ thèng (VD: Ethernet) Bus tr−êng (VD: Profibus-DP) PLC PS CPU DI DO AI AO Profibus-DP PLC Cæng DP CPU tích hợp giao diện mạng Module giao diện mạng (Module truyền thông) 165 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS PLC-5 processor víi Ethernet module ControlLogix 1 slot 0: CPU Logix5550 slot 1: Ethernet module 1756-ENET slot 2: ControlNet module 1756-CNB slot 3: DH+ module 1756-DHRIO ControlLogix 2 slot 0: CPU Logix5550 slot 1: DH+ module 1756-DHRIO slot 2: ControlNet module 1756-CNB slot 3: ControlNet module 1756-CNB PLC-5 processor tÝch hîp giao diÖn ControlNet PLC-5 processor tÝch hîp giao diÖn DH+ Ethernet DH+ ControlNet DH+ ControlNet Ví dụ nốimạng PLC của Allen-Bradley 175 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Ghép nối PC và PC công nghiệp ƒ PC công nghiệp cũng có thể có cấu trúc module (VD PC-104) => cách ghép nối tương tự như PLC ƒ Card giao diện mạng cho các khe cắm ISA, PCI, Compact-PCI, ... ƒ Bo mạch chủ tích hợp giao diện mạng (ví dụ Ethernet, CAN) ƒ Bộ thích ứng mạng qua các cổng nối tiếp (RS-232, USB) ƒ Card PCMCIA 185 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS CP 5412 (A2) Card Profibus (Siemens) PC Adapter RS-232 bus tr−êng 195 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Vào/ra phân tán (distributed I/O) S AS A MTĐK Compact I/O S A bus trường PHÒNG ĐIỀU KHIỂN HIỆN TRƯỜNG S A S AS A Modular I/O Î Ưu điểm nhiều, song vẫn còn nối dây truyền thống Còn gọi là vào/ra từ xa (remote I/O) 205 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Ghép nối vào/ra phân tán ƒ Một vào ra phân tán có cấu trúc tương tự một PLC, chỉ khác PLC là không có CPU (mà thay vào là giao diện mạng) ƒ Có thể có cấu trúc gọn hoặc cấu trúc module PS Interface Module DI DO AI AO Profibus-DP Distributed I/O Cæng DP 215 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Ghép nối thiết bị trường ƒ Thiết bị chấp hành: — Biến tần (inverter) — Bộ khởi ₫ộng ₫ộng cơ (motor starter) — Van ₫iều khiển (control valve) — ... ƒ Thiết bị ₫o: — Encoder — Cân ₫ịnh lượng — Thiết bị ₫o nhiệt ₫ộ (temperature transmitter) — Thiết bị ₫o áp suất (pressure transmitter) — ... ƒ Thiết bị giao diện người-máy tại chỗ 225 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Vấn ₫ề của nhà sản xuất TB trường ƒ n loại thiết bị, m loại bus trường => bao nhiêu sản phẩm? ƒ Giải pháp: module hóa! — n loại thân thiết bị — m loại vi mạch giao diện bus trường => hỗ trợ m x n sự lựa chọn của khách hàng Sản phẩm của Bürkert (Đức) 235 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS 3. Phần mềm trong hệ thống mạng PhÇn cøng GD m¹ng Tr×nh ®iÒu khiÓn PhÇn cøng GD m¹ng Tr×nh ®iÒu khiÓn HÖ ®iÒu hμnh PhÇn mÒm giao diÖn øng dông PhÇn mÒm giao diÖn øng dông P M g i a o t h ø c P M g i a o t h ø c Ch−¬ng tr×nh øng dông Ch−¬ng tr×nh øng dông Ch−¬ng tr×nh øng dông 245 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Phần mềm (xử lý) giao thức ƒ Firmware: — Đổ cứng trong ROM hoặc “downloadable” — Nhanh hơn, hiệu suất cao ƒ Thành phần của hệ ₫iều hành: — Tích hợp sẵn trong hệ ₫iều hành (ví dụ cho PLC) — Có thể lựa chọn cài ₫ặt (ví dụ các giao thức phổ thông như TCP/IP, NetBUI) ƒ Phần mềm thư viện: — Thường dưới dạng mã nguồn hoặc mã ₫ích C/C++ — Được liên kết với chương trình ứng dụng — Tiện lợi cho xây dựng giải pháp nhúng 255 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS Phần mềm giao diện lập trình (API) ƒ Thư viện lập trình phổ thông (C,C++, VB) — Sử dụng cho một loại card mạng nhất ₫ịnh — Khác nhau lớn giữa nhiều thư viện — Tiện lợi trên PC và các giải pháp nhúng ƒ Thư viện hàm hoặc khối chức năng chuyên dụng: — Giải pháp trong các hệ PLC hoặc DCS (ví dụ theo chuẩn IEC 61131-5) — Không sử dụng ₫ược từ bên ngoài ƒ Công nghệ ₫ối tượng thành phần (component object technology), ví dụ COM, ActiveX, OPC — Sử dụng khá thống nhất cho nhiều loại card mạng — Hầu như chỉ hỗ trợ trên nền Windows 265 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS 4. Thiết bị liên kết mạng ƒ Bộ lặp (Repeater) ƒ Cầu nối (Bridge) ƒ Router ƒ Gateway 275 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS ƒ Mục ₫ích: liên kết hai ₫oạn của một mạng ƒ Nguyên tắc làm việc: khuếch ₫ại và tái tạo tín hiệu trên cơ sở lớp vật lý 7 6 5 4 3 2 1 CT øng dông CT øng dông Repeater 7 6 5 4 3 2 1 VD: Profibus segment 1 1 VD: Profibus segment 2 285 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS ƒ Mục ₫ích: liên kết các mạng con giống nhau ở lớp 2 (hoặc lớp 2b) ƒ Nguyên tắc làm việc: chuyển ₫ổi giao thức trên cơ sở lớp 2b (LLC, Logic Link Layer) MAC 1 7 6 5 4 3 2 1 CT øng dông CT øng dông Bridge MAC 1 7 6 5 4 3 2 1 VD: Token Bus VD: Ethernet LLC 295 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS ƒ Mục ₫ích: liên kết hai mạng giống nhau ở lớp 3 ƒ Nguyên tắc làm việc: chuyển ₫ổi giao thức trên cơ sở lớp 3 7 6 5 4 3 2 1 CT øng dông CT øng dông Router 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 3 2 1 3 VD: Token Ring VD: X.25 305 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS ƒ Mục ₫ích: liên kết hai hệ thống mạng hoàn toàn khác nhau ƒ Nguyên tắc làm việc: chuyển ₫ổi giao thức trên cơ sở lớp 7 7 6 5 4 3 2 1 CT øng dông CT øng dôngGateway 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 VD: Profibus VD: Interbus-S 315 Các thành phần hệ thống mạng © 2006 - HMS 5. Các linh kiện mạng khác ƒ Các ₫ầu nối (connector, jack) ƒ Các bộ chia (switch, hub, tap) ƒ ... 1 2 3 4 5 6 SWITCH 1 2 3 4 5 6 HUB