Блок доступа к моноканалу ЛВС
Широкое распространение компьютерных сетей прежде всего обусловлено их высокой экономической эффективностью. В бизнесе своевременное обладание необходимой информацией – залог успеха. При построении систем АСУТП использование компьютерных сетей позволяет надежно связывать каналами передачи информации разнородные устройства, часто находящиеся на значительном удалении друг от друга и оперативно управлять технологическим процессом с точностью и скоростью, недоступными для человека. Банковские расчетные системы уже давно не обходятся без сервисов, предоставляемых компьютерными сетями.
В последнее время компьютерные сети в лице Internet приобрели большое значение как образовательные, информационные и развлекательные средства, ввиду того, что они реализуют в себе широчайший спектр возможностей. Благодаря им Internet называют 6-м континентом, местом, где географическое положение объектов абсолютно не важно.
Бурное развитие компьютерных сетей началось в начале 80-х годов. Только в 1983 году было предоставлено около 100 типов локальных вычислительных сетей, отличающихся типом абонентов (станций) подключаемых к сети, типом ЭВМ (от микро-ЭВМ до больших вычислительных систем), номенклатурой, подключаемых абонентских комплексов, средой передачи данных, стоимостной производительностью, архитектурой и т.д. Однако во многом успех развития локальных вычислительных сетей определяется их доступностью массовому пользователю, с одной стороны, и теми социально-экономическими последствиями, которые они вносят в гибкие автоматизированные комплексы в различных сферах человеческой деятельности, с другой стороны. Поэтому в настоящее время наиболее распространены только несколько стандартов построения компьютерных сетей, которые наиболее соответствуют указанным требованиям. Это прежде всего Ethernet и его модификации, FDDI, Token Ring и некоторые другие.
1. Постановка задачи
Задание: Спроектировать блок управления доступом к моноканалу ЛВС.
Метод доступа к моноканалу: циклический опрос с приоритетами.
Топология: кольцо.
Число станций: 25.
Длина поля данных кадра: 32 байта.
Максимальная длина сообщения: 1,5 Кб.
Элементная база: ТТЛ.
2. Разработка структурной схемы
2.1. Суть метода циклического опроса с приоритетами
Этот метод управления применяется в ЛВС кольцевой конфигурации. Кадр, используемый здесь, включает в себя все поля обычного кадра, а также специальную служебную часть, которая применяется для управления моноканалом. Каждая станция, присоединенная к моноканалу, владеет одним разрядом в служебной части, который может принимать единичное или нулевое значение. Процедура передачи информации включает три такта. На первом такте станции, имеющие информацию для передачи, помещают в свой разряд служебной части единичный бит. На втором такте станции, поместившие единичный бит в служебный разряд, на всех предыдущих тактах осуществляют считывание служебной части кадра и проверяют поместили ли станции, имеющие высший приоритет, единичные биты в свои служебные разряды. Если приоритет текущей станции становится наивысшим, то она захватывает моноканал и начинает передавать информацию по третьему тактовому сигналу. Достоинством данного метода: отсутствие конфликтных обращений к моноканалу, простота аппаратной и программной реализации, небольшое количество дополнительной служебной информации. Основной недостаток метода - низкая скорость работы станций во время обмена служебной информацией.
2.2. Топология локальных сетей
Локальная сеть представляет собой систему распределенной обработки информации, состоящую как минимум из двух компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью специальных средств связи. Компьютеры, входящие в состав сети, выполняют достаточно широкий круг функций, основными из которых являются:
- организация доступа к сети;
- управление передачей информации;
- предоставление вычислительных ресурсов и услуг абонентам сети.
В свою очередь, средства связи призваны обеспечить надежную передачу информации между компьютерами сети.
Конечно, компьютерная сеть может состоять и из двух компьютеров, но, как правило, их число в сети существенно больше. При этом компьютерная сеть не является простым объединением компьютеров, а представляет собой достаточно сложную систему. Любая компьютерная сеть характеризуется топологией, протоколами, интерфейсами, сетевыми техническими и программными средствами.
Топология компьютерной сети отражает структуру связей между ее основными функциональными элементами. В зависимости от рассматриваемых компонентов, принято различать физическую и логическую структуры локальных сетей. Физическая структура определяет топологию физических соединений между компьютерами. Логическая структура определяет логическую организацию взаимодействия компьютеров между собой. Дополняя друг друга, физическая и логическая структуры дают более полное представление о компьютерной сети.
Под сетевыми техническими средствами подразумеваются различные физические устройства, обеспечивающие объединение компьютеров в единую компьютерную сеть.
Протоколы представляют собой правила взаимодействия функциональных элементов сети.
Интерфейсы — средства сопряжения функциональных элементов сети. В качестве функциональных элементов могут выступать как отдельные устройства, так и программные модули. Соответственно этому, существуют аппаратные и программные интерфейсы.
Сетевые программные средства осуществляют управление работой компьютерной сети и обеспечивают соответствующий интерфейс с пользователями. К сетевым программным средствам относятся сетевые операционные системы и вспомогательные (сервисные) программы.
Каждая из составляющих локальной сети характеризует ее отдельные свойства, и только их совокупность определяет всю сеть в целом. Таким образом, выбор локальной сети заключается в выборе ее топологии, протоколов, аппаратных средств и сетевого программного обеспечения. Каждый из этих компонентов является относительно независимым. Например, сети с одинаковой топологией могут использовать различные методы доступа, протоколы и сетевое программное обеспечение. В свою очередь, в разных сетях могут использоваться одинаковые протоколы и (или) сетевое программное обеспечение. Это, с одной стороны, расширяет
возможность выбора наиболее оптимальной структуры сети, а с другой — усложняет этот процесс.
2.3. Базовые сетевые топологии
При создании сети, в которой используются только сетевые адаптеры без таких средств, как маршрутизаторы, концентраторы и т.п., может быть реализована одна из трех сетевых топологий: звездообразная, шинная или кольцевая. Звездообразная сеть (рис 1) характеризуется наличием центрального узла коммутации — сетевого сервера, к которому (или через который) посылаются все сообщения. В этом случае на сетевой сервер, кроме основных функции, могут быть возложены дополнительные функции по согласованию скоростей работы станций и преобразованию протоколов обмена. Это позволяет в рамках одной сети объединять разнотипные рабочие станции.
В настоящее время распространен несколько другой вид звездообразной конфигурации сети. В нем вместо сетевого сервера используется специализированное устройство, которое может быть как простым повторителем (усилителем) сигналов, так и сочетать в себе достаточно сложные функции маршрутизатора. Такая технология используется в сети Ethernet при соединении устройств через витую пару.
Рис 1. Звездообразная топология
Наряду с определенными преимуществами, подобные локальные сети имеют и ряд недостатков. В частности, при подключении большого числа рабочих станций поддержание высокой скорости коммутации требует значительных аппаратных затрат. Кроме того, значительная функциональная нагрузка центрального узла определяет его сложность, что, естественно, сказывается на надежности. Однако практика показывает, что надежность таких устройств сегодня вполне достаточная.
В сетях с шинной топологией (рис. 2) рабочие станции с помощью сетевых адаптеров подключаются к общей магистрали (шине). Аналогичным образом к общей магистрали подключаются и другие сетевые устройства. В процессе работы сети информация от передающей рабочей станции поступает на адаптеры всех рабочих станций, однако воспринимается только адаптером той рабочей станцией, которой она адресована.
Подобная линейная топология характеризуется простотой организации и возможностью подключения новых рабочих станций без использования дополнительного оборудования. Однако наличие общей передающей среды не позволяет абонентским системам одновременно передавать информацию, а разрыв шины приводит к разделению сети на независимые части, а иногда и к общей ее неработоспособности.
Рис 2. Шинная топология сети
Кольцевая сеть (рис. 3) характеризуется наличием замкнутого однонаправленного канала передачи данных в виде кольца или петли. В этом случае информация передается последовательно между адаптерами рабочих станций до тех пор, пока не будет принята получателем и затем удалена из сети. Обычно за удаление информации из сети отвечает ее отправитель. Управление работой кольцевой сети может осуществляться централизовано с помощью специальной мониторной станции, либо децентрализовано за счет распределения функций управления между всеми рабочими станциями. Недостатком кольцевой топологии является то, что отказ одного звена кольца может вывести из строя всю локальную сеть. С целью повышения надежности кольцевых структур используют специальные безразрывные коммутаторы, позволяющие автоматически отключать неработающие компьютеры или отдельные сегменты сети.
Рис 3. Кольцевая топология сети.
Существует также множество иных конфигураций сетей. Однако ввиду их малой распространенности, здесь я не буду рассматривать их.
2.4. Состав блока доступa к моноканалу
Рис. 4. Структурная схема блока доступa к моноканалу.
Блок управления доступом к моноканалу (рис. 4) включает в себя следующие блоки:
- ПП - приёмопередатчик;
- ДК-декодер кадров;
- БФК - блок формирования кадра;
- БУ - блок управления;
- БП-блок памяти;
- Вх. Буф. - входной буфер;
- Вых. Буф. - выходной буфер.
Рассмотрим назначение этих блоков.
ПП принимает по моноканалу кадры, транслирует в моноканал принятый кадр или передаёт в моноканал кадр, сформированный БФК. определяет заголовок и концевик кадра.
ДК считывает служебную информацию принятого кадра.
БФК формирует под действием сигналов с БУ маркер или кадр данных.
БУ генерирует сигналы управления в зависимости от типа принятого кадра, принимает сигналы от входного буфера и декодера кадров.
В БП заносится и хранятся адреса станции-отправителя и станции-получателя.
Входной буфер принимает данные от блока сопряжения с ЭВМ.
Выходной буфер принимает данные от приёмопередатчика при совпадении адреса получателя и собственного адреса.
Функционирует блок управления доступом к моноканалу следующим образом:
Приёмопередатчик прослушивает моноканал и при обнаружении заголовка кадра загружает в регистр данные, следующие после заголовка до концевика кадра, и устанавливает единичное значение в служебной части кадра, если станция имеет пакет на передачу. В декодер кадров поступает служебная информация принятого кадра. Декодер кадров сравнивает приоритет своей станции с наивысшим приоритетом и выдает результат в блок управления сигналом С1. Блок управления анализирует сигнал С1 и выдаёт команду С5 если приоритет станции является наивысшим, С2 станция хочет принять данные. С4 сигнализирующий о наличии готовых к передаче данных во входном буфере. Сигнал С6 поступает в блок памяти при инициализации блока управления доступом, т.е. при записи в блок памяти собственного адреса, который нужен для формирования кадра. СЗ - если станция хочет принять пакет.
3. Разработка функциональной схемы
3.1. Структура кадра данных
Прежде чем разрабатывать функциональную схему блока управления доступом к моноканалу необходимо определить структуру кадра данных. Вид кадра данных представлен на рисунке 5.
ПНК Служ.инф. АП АПР Данные ПКК
Рис. 5. Структура кадра данных
ПНК - признак начала кадра, ПКК - признак конца кадра, АП - адрес передатчика, АПР - адрес приемника
3.2. Буфер данных.
Буферирование магистральных сигналов применяется для электрического согласования и выполняет две основные функции: электрическая развязка (для всех сигналов) и передача сигналов в нужном направлении (только для двунаправленных сигналов). Это первая и наиболее очевидная интерфейсная функция любого УС. Иногда с помощью буферирования реализуется также мультиплексирование сигналов. Для буферирования наиболее часто используются микросхемы мигистральных приемников, передатчиков, приемопередатчиков, называемые также нередко буферами или драйверами.
Буфер данных (рис. 6) представляет собой два регистра: регистр приёма и регистр передачи. В регистр приёма загружаются данные по команде «принять» блока управления. В регистр передачи загружаются данные для передачи в сеть по внешней команде «загрузить».
Рис. 6. Функциональная схема буфера данных.
3.3. Блок памяти.
Рис. 7. Функциональная схема БП.
Блок памяти (рис. 7) хранит адрес станции-отправителя, т.е. текущей станции, адрес станции-приёмника. Адрес станции-отправителя загружается при инициализации сетевого адаптера, в состав которого входит блок управления доступом к моноканалу. Адрес станции-приёмника загружается при наличии данных в ЭВМ для передачи,
3.4. Блок формирования кадра
Рис. 8. Функциональная схема БФК.
Блок формирования кадра (рис. 8) состоит из четырех регистров. Регистры адреса включаются на загрузку по команде «сформировать кадр данных» и на их вход данных поступают адреса станции-отправителя и станции-приёмника, а также приоритет станции. Регистр данных загружается данными для передачи по команде «сформировать кадр данных».
3.5. Декодер кадров
Декодер кадров (рис. 9) работает следующим образом: если станция хочет принять сигнал «готов принять» устанавливается в единицу и разрешает работу схемам сравнения СС1 и СС2. Адреса станции-отпревителя и станции-приёмника поступают на схемы сравнения СС1 и СС2, на вторые входы схем сравнения подаются адреса из блока памяти. Если А1 равен собственному адресу станции, то на выходе СС1 появляется 1. Это значит что кадр прошёл по кольцу и вернулся к станции-отправителю. Если А2 равен собственному адресу станции, то на выходе СС2 появляется 1. Это значит что кадр адресован этой станции. Если ни на одном из выходов схем сравнения не установилась 1, т.е. А1 и А2 не равны собственному адресу станции, то это значит, что кадр адресован другой станции. Сигнал «готов передать» разрешает работу схемы сравнения ССЗ, и если приоритет станции оказался наивысшим, то происходит передача пакета в моноканал.
Рис. 9. Функциональная схема декодера кадров.
3.6. Блок управления
Блок управления (рис. 10) получает сигналы от декодера кадров и входного буфера и формирует управляющие сигналы в зависимости от комбинации входных сигналов.
Рис. 10. Функциональная схема блока управления.
4. Выбор и обоснование элементов схемы
Принципиальная схема блока управления доступом к моноканалу представлена в приложении. Согласно заданию использованы интегральные микросхемы ТТЛ логики. Применены следующие ИС серии 555:
- Логические элементы ЛА4, ЛИ1, ЛЕ1, ЛА12, ЛН1;
- Счётчики ИЕ8;
- Регистры ИР18, ИР22;
- Триггеры;
- Схема сравнения СП1.
Рассмотрим эти элементы более подробно.
4.1. Логические элементы.
Микросхемы типа ЛА выполняют логическую функцию «И-НЕ», а ИС типа ЛИ - логическую функцию «И». Условные обозначения и цоколёвки микросхем типа ЛА и ЛИ показаны на рис. 11.
Рис.11. Условные обозначения и цоколёвки микросхем типа ЛА12,ЛА4 и ЛИ1.
Микросхемы типа ЛЕ выполняют логическую функцию «ИЛИ-НЕ», микросхемы типа ЛН представляют собой инверторы и выполняют логическую операцию «НЕ». Их условные обозначения и цоколёвка представлены на рис.12.
Рис.12. Условные обозначения и цоколёвки микросхем типа ЛЕ1 и ЛН1.
4.2. Регистры.
Микросхема ИР18 представляет собой шестиразрядный параллельный регистр с D-триггерами и буферными входами разрешения записи данных ЕI. Если на вход EI подано напряжение низкого уровня, то данные с входов D будут загружены в регистр при поступлении положительного перепада тактового импульса на вход С.
Микросхема ИР22 - это восьмиразрядный регистр на D-триггерах. Регистр снабжён выходными буферными усилителями, имеющими третье z-состояние, которое можно установить с помощью с помощью вывода разрешения ЕО, если подать на него напряжение высокого уровня.
Если на вход РЕ подать напряжение низкого уровня, разрешается запись в регистр нового восьмиразрядного кода. Условные обозначения и цоколёвки регистров ИР18 и ИР 22 представлены на рисунке 13.
4.3- Схема сравнения.
Микросхема СП1 - это схема сравнения двух четырёхразрядных чисел (компаратор). Ее условное обозначение и цоколевка показаны на рисунке 14. Она имеет 11 входов: четыре пары (восемь входов) из них принимают по два четырёхразрядных числа А0...A3 и В0...ВЗ, а три входа I(А<В), I(A=B), I(A>B) необходимы для увеличения ёмкости схемы (соединение нескольких ИС типа СП1). Компаратор имеет три выхода: А>В, А=В, А<В. Условное обозначение микросхемы СП1 представлено на рисунке 14.
5. Разработка принципиальной схемы
Принципиальная схема блока управления доступом к моноканалу разработана на основе функциональной схемы. Рассмотрим некоторые части схемы.
Схема сравнения необходима для сравнения адресов в адресных частях кадра и собственного адреса станции. Т.к. количество станций в кольце равно 25, необходимо пять разрядов для адреса, т.е. нужно использовать пятиразрядные счётчики. Но пятиразрядных микросхем сравнения ТТЛ логики промышленность не выпускает. Необходимо каскадное включение четырёхразрядных схем сравнения (рис. 15).
В остальном разработка принципиальной схемы сводится к переходу от функциональной схемы к принципиальной путём подбора конкретных микросхем ТТЛ логики, учитывая необходимую и реальную разрядность микросхем.
6. Заключение
В результате курсовой работы была разработана схема блока управления доступом к моноканалу методом циклического опроса с приоритетами. Кольцевая топология имеет свои особенности при выборе метода управления обменом. Важным фактором является то, что любой пакет, посланный по кольцу, последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвратится в ту же точку (топология замкнутая). Здесь нет одновременного распространения сигнала в две стороны, как в «шине». Для управления обменом в сети типа «кольцо» обычно выбирают специфические методы, в наибольшей степени соответствующие именно особенностям «кольца»: маркерный метод управления, метод кольцевых сегментов. Собственно говоря метод циклического опроса с приоритетами уже давно не используется.
7. Литература
1) Овчинников В.В., Рыбин И.И., «Техническая база интерфейсов локальных вычислительных сетей».
2) С.А. Аничкин, С.А. Белов и др. под редакцией И.А. Мизина. «Протоколы информационно-вычислительных сетей. Справочник». М: Радио и Связь, 1990, 504 стр.
3) М.И. Богданович, И.Н. Грель, С.А. Дубина и др. «Цифровые интегральные микросхемы. Справочник». Издание второе, переработанное и дополненное. М:Полымя, 1996 г., 605 стр.
21