ОДНОРАНГОВАЯ КОЛЬЦЕВАЯ СЕТЬ ПЕРЕДАЧИ ПАКЕТОВ ДАННЫХ

Полезная модель относится к сетям передачи пакетов данных с маршрутизацией пакетов и может быть использована в интегрированных системах безопасности, промышленной автоматики зданий, транспортных средств, летательных аппаратов.
Известна сеть передачи пакетов данных, содержащая связанные посредством двухпроводных шин (полудуплексный режим) или четырехпроводных шин (дуплексный режим) адресные устройства и источник питания адресных устройств с машрутизатором, предназначенный для питания указанных шин, ретрансляции пакетов данных, сформированных средствами генерации пакетов адресных устройств, включающий в себя схему управления с буферной памятью (заявка Японии №2003-309623, опубликованная 31.10.2003).
Технический результат, на достижение которого направлена данная полезная модель заключается в повышении надежности сети за счет сохранения питания устройств и возможности обмена данными между устройствами сети при обрыве или замыкании шины и в возможности построения надежной промышленной сети большой протяженности, как линейной, так и кольцевой топологии, с совмещением функций питания и передачи данных по согласованным и несогласованным линиям связи.
Технический результат, на достижение которого направлено создание данной полезной модели достигается тем, что в одноранговой кольцевой сети передачи пакетов данных, содержащей связанные посредством двухпроводных шин (полудуплексный режим) или четырехпроводных шин (дуплексный режим) адресные устройства и источник питания адресных устройств с машрутизатором, предназначенный для питания указанных шин, ретрансляции пакетов данных, сформированных средствами генерации пакетов адресных устройств, включающий в себя схему управления с буферной памятью - буфером, схема управления источника питания адресных устройств с маршрутизатором
включает в себя средство сравнения идентификатора и адреса отправителя пакетов, записанных в буфер с аналогичными данными поступающих с адресных устройств пакетов, и выполнена с возможностью удаления пакета, идентификатор и адреса отправителя которого совпадает с идентификатором и адресом отправителя пакета, хранящегося в буфере, и последующего удаления из буфера записи, соответствующей упомянутому пакету, а также периодической очистки буфера по истечении интервала времени, соответствующего максимально возможному времени жизни пакета в кольце, при этом сеть разделена на сегменты, между которыми включен, по меньшей мере, один источник питания адресных устройств с маршрутизатором, к шинам каждого из сегментов подключено, по меньшей мере, одно адресное устройство, которое снабжено средством отключения его в случае короткого замыкания и выполнено с возможностью генерирования пакетов данных через интервал времени Т, равный N/S, где N - число адресных устройств в кольце, a S - число пакетов, передаваемых в единицу времени, при этом буфер выполнен с возможностью хранения количества записей, превышающего количество адресных устройств в кольце.
На фиг.1 представлена схема одноранговой кольцевой сети.
На фиг.2 представлена структурная схема адресного устройства.
На фиг.3 представлена структурная схема источника питания сети с маршрутизатором.
На фиг.4 показан байт передаваемого сигнала на физическом уровне в соответствии с протоколом передачи данных в сети.
На фиг.5 представлена передача пакетов на канальном уровне.
На фиг.6 показан формат пакета.
Одноранговая кольцевая сеть 1 передачи пакетов данных (фиг.1) содержит связанные посредством адресных шин 2 (двухпроводных при полудуплексном режиме или четырехпроводных при дуплексном режиме), адресные устройства 3 и источники 4 питания адресных устройств с машрутизатором, предназначенные для питания указанных шин, ретрансляции пакетов данных, сформированных средствами генерации пакетов адресных устройств. Сеть
разделена на сегменты, между которыми включены указанные источники 4 питания адресных устройств 3. Адресное устройство 3 (фиг.2) включает в себя схему 5 управления с буферной памятью - буфером, два приемо-передатчика 6 и 7, первые входы/выходы которых подключены к двум входам/выходам схемы управления 5, а вторые входы/выходы к адресным шинам. Выход схемы 5 управления подключен к входу средства 8 отключения адресного устройства в случае короткого замыкания в шине (изолятор короткого замыкания. Средство 8 отключения адресного устройства в случае короткого замыкания в шине включает в себя ключ 9, вход управления которого подключен к выходу схемы 10 защиты ключа Источник 4 питания адресных устройств с маршрутизатором включает в себя схему 11 управления, также содержащую буфер, два приемо-передатчика 12 и 13, первые входы/выходы которых через блоки 14 и 15 гальванической развязки подключены к первым двум входам/выходам схемы управления 5, а вторые входы/выходы к адресным шинам 2. Третий вход/выход схемы 11 управления соединен с входом/выходом схемы 16 индикации. Источник 4 питания с маршрутизатором также включает в себя преобразователь 17 напряжения, предназначенный для подключения либо к аккумуляторной батарее 18 либо к промышленной электросети 19 (соответственно по первому входу/выходу и первому входу). Может быть использован, например, импульсный преобразователь напряжения. Второй вход/выход преобразователя 17 напряжения соединен с четвертым входом/выходом схемы 11 управления. Первый и второй выходы преобразователя 17 подключены к входам питания приемо-передатчиков 12 и 13. Третий вход/выход преобразователя напряжения подключен к первому входу/выходу схемы 20 защиты от перегрузки, второй вход/выход которой связан с пятым входом выходом схемы 11 управления. А с выхода схемы 20 защиты от перегрузки подается питание к датчикам и исполнительным устройствам. Схема управления содержит средство сравнения идентификатора и адреса отправителя пакетов, записанных в буфер с аналогичными данными поступающих с адресных устройств пакетов. Сеть работает следующим образом.
Любое устройство в сети (адресное устройство 4 или источник 5 питания с маршрутизатором) может начать передачу сообщения (датаграммы) по своей инициативе. Каждая датаграмма содержит адрес отправителя и порядковый номер пакета от этого отправителя, таким образом сочетание этих полей является уникальным и может повториться, только при переполнении счетчика номера пакета. Если несколько устройств пытаются передать сообщение одновременно, то включается механизм разрешения конфликтов, так, что в результате первым передается сообщение с более высоким приоритетом. При этом, если учесть, что доминантный бит - бит логической «1» соответствует наличию импульса на линии, а рецессивный бит - бит логического «0» соответствует отсутствию импульса в битовом интервале, то при передаче пакета каждое устройство одновременно анализирует принимаемые данные, и при несоответствии принимаемого бита переданному, устройство прекращает дальнейшую передачу и продолжает принимать пакет от другого устройства. Так как, доминантным является бит логической «1», то при возникновении конфликта уступает устройство, которое в конфликтном бите передает логический «0».
Отправленное сообщение слышат (принимают) все устройства 3 в соответствующем сегменте шин 2, то есть между двумя источниками 4 питания, а также два указанные источника 4, подключенные к данному сегменту. При этом каждый источник 4 проверяет по своему буферу не проходил ли данный пакет через него, если не проходил, то записывает идентификатор пакета в буфер и пересылает пакет в следующий сегмент шины 2. Таким образом, сообщение начинает распространяться по кольцу в обе стороны. В конце концов в один из источников 4 сообщение поступит с двух сторон. Этот источник 4, обнаружив, что такое сообщение он уже принимал (по записи в буфере), не пропускает его далее, предотвращая этим размножение пакетов в кольце. Производится удаление пакета, идентификатор и адреса отправителя которого совпадает с идентификатором и адресом отправителя пакета, хранящегося в буфере, и последующее удаление из буфера записи, соответствующей упомянутому пакету, Осуществляется периодическая очистка буфера по истечении интервала
времени, соответствующего максимально возможному времени жизни пакета в кольце
При любом одиночном обрыве шины 2, сообщение от любого устройства 3 дойдет до каждого адресного устройства во всех сегментах шины 2. При этом, при обрыве так же сохранится питание всех устройств 3, так как каждый сегмент получает питание с двух сторон.
При одиночном коротком замыкании в любом месте кольцевой шины, срабатывают ключи 9 в средствах 8 отключения во всех адресных устройствах 3. Схема 10 защиты ключа 9 выключает ключ при снижении напряжения на шине при замыкании, предотвращая переход ключа в линейный режим.
Затем схема 5 управления будет воздействовать на них, восстанавливая их исходное положение. При этом схема 10 не позволит включиться ключам тех адресных устройств, после которых, возникло короткое замыкание. Таким образом, сеть будет работать так же, как и при обрыве, с сохранением возможности передачи данных и питания всех устройств. После устранения замыкания исходное положение ключей 9 автоматически восстанавливаются.
Таким образом, схема 9 управления адресного устройства обеспечивает:
- прием, передачу и обработку пакетов относящихся к устройству;
- выполнение прикладных задач;
- управление ключом 9.
Преобразователь 17 напряжения обеспечивает гальванически изолированные выходы напряжения питания приемо-передатчиков 12 и 13, питание схемы 11 управления, заряд батареи 18, переход в режим «Резерв» при отсутствии (или снижении ниже нормы) напряжения в сети 19. При этом схема 11 управления обеспечивает контроль батареи 18 (измерение напряжения батареи, управление зарядом), контроль наличия напряжения в сети 19, измерение токов и напряжений нагрузок, управление приемом и передачей пакетов (дата-грамм), управление ретрансляцией пакетов между сегментами шины 2.
Источник 5 питания адресных устройств с маршрутизатором выполняет следующие функции: питание сегментов шины 2 с защитой от замыкания и
перегрузки, ретрансляция пакетов между сегментами шины 2, буферизация пакетов проходящих через источник 5 с запоминанием уникального идентификатора пакета (ID отправителя + номер пакета). Размер буфера должен обеспечивать сохранение всех идентификаторов пакетов на время максимальной задержки прохождения пакета по кольцу, ориентировочно 4 сек×20 п/сек=80 п (пакетов).
Блокирование пакета (непропускание пакета в следующий сегмент кольца) для исключения размножения пакетов в кольце, путем удаления пакетов повторно входящих в источник 5. Факт повторного входа пакета определяется по совпадению записи (адрес отправителя и ID) в буфере ИПМ с адресом отправителя и ID в пришедшем пакете. После удаления пакета удаляется также запись из буфера схемы управления 11.
Очистка записи о пакете в буфере по истечении времени жизни пакета в кольце ориентировочно 2-10 сек.
При передаче байта информации (фиг.4) данные передаются старшим битом вперед. Как уже было указано выше, логический «0» - отсутствие импульса, а логическая «1» - наличие импульса, StartBit - стартовый бит, всегда равен единице. StopBit - конечный бит, всегда равен единице. Parity - бит четности, используется для контроля корректности, учитываются только биты данных, ERR - бит ошибки; если бит четности не совпадает на принимающей стороне, то бит ошибки выставляется в 1.
Для обеспечения битовой и пакетной синхронизации по фронту каждого импульса (спаду напряжения на линии) все устройства подстраивают фазу своего задающего генератора битового интервала.
При передаче пакетов (фиг.5 и 6) производится вычисление контрольной суммы в соответствии со следующим соотношением;
Byte0 Xor Byte1 Xor Byte2 Xor... Xor ByteN=Байт CRC
Адресное устройство генерирует пакеты данных через интервал времени Т, равный N/S, где N - число адресных устройств в кольце, a S - число пакетов, передаваемых в единицу времени (то есть скорость передачи данных в
буф.
сети, пакетов/сек), при этом буфер выполнен с возможностью хранения количества записей М, превышающего количество N адресных устройств в кольце: М>N.
При соблюдении указанных условий двойное прохождение пакета через один и тот же сегмент кольца невозможно.
Ложная блокировка пакета возможна только при совпадении следующих условий:
в течение времени t одно и то же устройство сформирует пакеты с одинаковыми идентификаторами (ID) и при этом в буфере одного из ИПМ сохранится запись с адресом этого устройства и с таким же ID.
Удалять записи из буфера источника 5 по истечении максимально возможного времени жизни пакета в кольце необходимо для исключения ложного задержания пакета.
Таким образом обеспечивается невозможность повтора ID в течение времени большем, чем максимально возможное время жизни пакета в кольце.