Физические каналы. 
Выбор наиболее эффективной технологии передачи данных между уровнем устройств и уровнем диспетчеризации

Протокол LonTalk позволяет организовывать сегменты сети с использованием различных физических сред передачи: витая пара (twisted pair), радиочастотный канал (RF), инфракрасный луч (infrared), линии напряжения (power line), коаксиальный кабель (coaxial cable) и оптический кабель (fiber optic). Для каждого типа физического канала существуют трансиверы, обеспечивающие работу сети на различных по длине каналах, скоростях передачи и сетевых топологиях.

Каждый узел сети непосредственно подключается к каналу. Канал — это физическая организованная среда транспортировки пакетов данных (рис.1). Совокупность каналов образуют сеть LonWorks. Физическая форма канала зависит от среды передачи, например, канал на витой паре организован на обычной витой паре проводников, RF-канал использует выделенную радиочастоту, а канал на линиях напряжения использует сегмент проводников с переменным напряжением (AC power).

• · Сетевые каналы объединяются друг с другом через маршрутизаторы (routers).Маршрутизатор — это устройство сети, соединяющее два канала и обеспечивающее путь передачи пакетов данных между ними. Маршрутизаторы могут работать по разным алгоритмам и, соответственно, бывают четырех типов:
• · конфигурируемые (configured router);
• · самонастраиваемые (learning router);
• · сетевые мосты (bridge);
• · сетевые повторители (repeater).

Конфигурируемые и самонастраиваемые маршрутизаторы называют еще интеллектуальными маршрутизаторами. Итак:

• · сетевые повторители являются простейшими устройствами, обеспечивающими передачу пакетов между двумя каналами;
• · использование сетевых повторителей позволяет организовывать подсеть, состоящую из множества каналов;
• · сетевые мосты обеспечивают передачу пакетов между двумя каналами внутри домена;
• · самонастраиваемые маршрутизаторы просматривают весь сетевой поток и изучают (настраиваются на) сетевую топологию на уровне домена/подсети. Полученной информацией такой маршрутизатор пользуется при прокладке" пути для доставки пакетов данных между каналами.
• · конфигурируемые маршрутизаторы определяют пути для данных не на основе эмпирических знаний о топологии сети, а на основе внутренних таблиц возможных маршрутов. Таблицы создаются и загружаются с помощью инструментальных сетевых средств.

Некоторый набор каналов, соединенных через мосты и повторители, называется сегментом сети. Любой сетевой узел сегмента «видит» все информационные пакеты, передаваемые внутри данного сегмента. Пропускная способность канала зависит от группы факторов: скорости передачи, времени доступа к среде передачи, размера информационных пакетов и др.

Протокол LonTalk не опирается на определенную реализацию физического уровня (Phisical layer, 1). Существуют протоколы и методы кодирования для самых разнообразных физических каналов передачи данных. Например, метод дифференциального манчестерского кодирования выбран для витой пары, FSK-модуляция применяется для работы на сегментах линий напряжения и на радиочастотах.

В качестве средства борьбы с коллизиями (конфликтными ситуациями) используется предсказывающий алгоритм их предупреждения. Этот алгоритм реализован на подуровне Управления Доступом к Среде Передачи (Media Access Control, MAC) Канального уровня (Link layer, 2). Техника предотвращения коллизий основана на упорядочивании доступа к каналу на основе знания о предполагаемой нагрузке на канале. Узел, желающий передавать, всегда получает доступ к каналу со случайной задержкой из диапазона от, 0″ до некоторой величины w". Для предотвращения снижения пропускной способности сети величина задержки представлена как функция числа незавершенных заданий (backlog), стоящих в очереди на выполнение. Предсказательность" алгоритма, реализованного на МАС-уровне, основана на оценке числа незавершенных заданий. Каждый узел имеет и поддерживает текущее значение backlog: инкрементирование и декрементирование происходит по результатам отправления и приема пакетов.

На МАС-уровне используются специальные правила разрешения коллизий:

• · если коллизия имела место при двух последовательных попытках передачи пакета с приоритетом, то следующая попытка будет предпринята без использования приоритета
• · при обнаружении коллизии, передающий узел должен инкрементировать свое число незавершенных заданий (backlog)
• · если коллизия имела место при 255 последовательных попытках передачи пакета, то это задание снимается.

Функции Канального уровня используют простое кодирование кадров и несложный механизм обнаружения ошибок без восстановления ошибок за счет повторной передачи.

На Физическом уровне поддерживается передача двоичных данных и их квитирование. Каждый LonTalk-узел работает с этим уровнем в одном из двух режимов: прямом или специальном. Прямой режим использует дифференциальное манчестерское кодирование битов, В специальном режиме данные передаются и принимаются последовательно и без кодирования. В обоих случаях каждый пакет сопровождается 16-битным CRC-кодом. Эти два режима позволяют абстрагироваться от конкретной реализации физической среды передачи. При этом конкретный физический протокол в LonTalk-системе может быть использован, если только он удовлетворяет следующим трем условиям:

• · пассивное состояние сети (физически) должно соответствовать низкому уровню нагрузки в среде передачи
• · ошибка скорости передачи не более 0,0001
• · для совместимости с более высокими уровнями OSI-модели все физические протоколы должны поддерживать следующие функции: индикация для вышестоящих уровней прихода информационных пакетов, функция запроса данных, функция текущего статуса физической линии.

В случае работы в прямом режиме контроль за скоростью передачи данных, длиной заголовков пакетов и кодированием берет на себя сам интерфейсный Neuron-кристалл. При специальном режиме эти задачи возложены на трансивер (приемопередающее устройство для сопряжения различных физических протоколов).Сетевой уровень (Network layer, 3) обеспечивает доставку пакетов внутри одного домена без обеспечения взаимодействия между доменами. Этот уровень описывает возможные сетевые топологии на основе использования различных маршрутизаторов.

Сердцевиной протокола являются Транспортный (Transport layer, 4) и Сеансовый (Session layer, 5) уровни. Функции Транспортного уровня (Transport layer, 4) обеспечивают достоверную передачу пакетов по адресу одного абонента или группе абонентов. Для связи с Сеансовым уровнем на Транспортном уровне реализована поддержка следующих функциональных запросов: послать телеграмму (Send_Message), принять телеграмму (Rcv_Message) и подтверждение завершения передачи (Trans_Completed).

Сеансовый уровень (Session layer, 5) занимается реализацией простого механизма запроса/ответа для доступа к удаленным серверам данных и обеспечивает выполнение всего одной функции: запрос/ответ. Для связи с Прикладным уровнем на Сеансовом уровне реализована поддержка следующих запросов: для CLIENT-интерфейса послать запрос (Send_Request).

краткий ответ (P_Response).

признак завершения передачи (Trans_Completed) для SER VER-интерфейса получить запрос (Rcv_Request).

послать ответ (Send_Response).

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 Представления (Presentation layer, 6) и Прикладной уровень (Application, layer 7) создают основу для совместимости узлов LonTalk-протокола. Прикладной уровень обеспечивает все обычные функции по посылке и получению телеграмм, но он при этом пользуется таким понятием как сетевые переменные. Уровень Представления обеспечивает дополнительной информацией о том, как необходимо интерпритировать сетевые переменные (независимо от прикладной задачи). По существующему соглашению имеется набор переменных, которые можно использовать для датчиков, исполнительных устройств и т. п., независимо от производителя таких устройств.

Одной из важных задач, решаемых на Прикладном уровне, является передача, так называемых иностранных" по отношению к LonTalk, телеграмм. Такая функция используется для организации шлюзов между доменами, а также для прокладки тоннелей" через LonTalk к другим протоколам.