Topologie di connessione (rete) (punto a punto, bus lineare, a stella, daisy-chain)

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1 Topologie di connessione (rete) (punto a punto, bus lineare, a stella, daisy-chain) I dispositivi di campo (trasduttori, attuatori, valvole, ) possono essere collegati tra loro e con uno o più sistemi di elaborazione tramite reti di comunicazione digitale. Una rete di calcolatori è un sistema informatico costituito da uno o più calcolatori collegati da un sistema di comunicazione, esistono varie topologie (ovvero disposizioni fisiche dei componenti) di rete, i nodi corrispondono ai calcolatori da collegare. Nel caso di collegamento punto a punto (o a stella) il nodo 1 deve avere un collegamento diretto con 2 e 3, si ha un collegamento da un nodo ad un altro, l elemento importante è il nodo centrale (N0) che è l unità di elaborazione che si interfaccia con questi controlli. Il collegamento a bus lineare è una linea su cui si collegano i nodi, il collegamento può essere fatto in vari modi (elettrico, digitale,..), viene detto bus lineare multidrop (multi derivazione) perché consente di collegare diversi calcolatori attraverso un unica linea. Una variante del precedente può essere il bus lineare con hub, si tratta di una rete in cui l hub svolge una funzione analoga a quella del doppino nel collegamento lineare semplice, prendendo il comando di un nodo e trasmettendolo agli altri nodi, può semplificare il tutto avere un hub rispetto ad un unico filo, soprattutto nel caso i nodi siano molti. Il collegamento daisy-chain è un collegamento tramite cui è possimire passare da un nodo ad un altro semplicemente entrando nel primo nodo, prendendo il comando, uscendo e andando al successivo e cosi via, non è molto usato. ISO/OSI Il modello ISO/OSI è un modello concettuale che organizza le funzioni di un generico sistema di comunicazione su 7 livelli. Il modello definisce le funzioni e le interfacce di ogni livello in modo avulso dall implementazione delle stesse, ma non impone che tutti i livelli e tutte le funzioni siano implementate in ogni specifica realizzazione di rete di comunicazione. In particola,re nelle reti di dimensioni contenute e specializzate per il controllo di processo, per ragioni di semplicità ed efficienza, si implementano soltanto alcuni livelli. I livelli FISICO, COLLEGAMENTO e APPLICAZIONE sono quelli pià utilizzati nelle reti per il controllo di processo. Le funzioni relative a questi livelli sono realizzati in ogni calcolatore (punto o nodo o stazione) collegato alla rete. Il livello fisico (livello 1) si occupa del trasferimento di bit un un canale di comunicazione; il livello di collegamento (livello 2 o data link), utilizzando le informazioni messe a disposizione dal livello fisico, si occupa di realizzare connessioni prive di errori fra i nodi della rete; il livello applicazione definisce i servizi orientati all applicazione vera e propria, mettendo in tal modo a disposizione dell utente opportune funzioni di supporto. Tra due livelli adiacenti c è un interfaccia, la quale definisce primitive e servizi che il livello inferiore offre a quello superiore.

2 Livello (collegamento) fisico Il livello fisico si occupa del trasferimento di bit su un canale di comunicazione, nei suoi aspetti meccanici ed elettrici, la trasmissione di norma è di tipo seriale. Comunemente si incorre, in questo tipo di trasferimento, in varie problematiche tra cui: determinazione di tipo di codifica elettrica del segnale logico e di tipo e funzione di ogni segnale di controllo (per sincronizzare trasmissione e ricezione), stabilire livelli di tensione e corrente e il numeri di conduttori da utilizzare, stabilire tolleranze massime e minime dei tempi di salita, commutazione, ecc, dei segnali elettrici, determinare il tipo di collegamento ed isolamento, inoltre bisogna considerare anche le caratteristiche meccaniche dei connettori, dei cavi, e in generale degli apparati. Mezzi trasmissivi Solitamente si utilizzano 4 tipi di mezzi trasmissivi: - Doppino intrecciato (twisted pair): costituito da una coppia di fili di rame avvolti in una guaina e ritorti, può essere con o senza schermo, tipicamente si usa in telefonia in quanto consente una comunicazione medio-alta (soprattutto su rete locale). - Cavo coassiale: si tratta di un filo centrale in rame ricoperto da guaina e maglia esterna in rame, consente di viaggiare a velocità di comunicazione medio alte (100 Mbps) - Fibra ottica: costituita da una fibra in vetro in grado di trasportare segnali luminosi, consente massima insensibilità ai rumore, velocità molto elevate, ma ha un costo elevato - Wireless (o via radio): si trova in crescita in ambito industriale. Tipo di codifica elettrica I dati binari scambiati tra due calcolatori possono essere trasmessi direttamente sul canale, con una segnalazione in banda base. Si distinguono 4 diverse codifiche: - Non return to zero (NRZ): non impone la transizione ad un livello di riferimento (zero, appunto), risulta essere poco immune da rumore ed è più difficile distinguere la trasmissione di 0 (o 1) dall assenza di trasmissione. - Return to zero (RZ): impone la transizione a zero come riferimento - Manchester: prevede due livelli di segnale e codifica i valori con il segno della transizione dall uno all altro. Il valore 0 è codificato come una transizione positiva del segnale a metà della durata di un bit, viceversa il logico 1. Ogni bit è, quindi, codificato trasmettendo un ciclo del segnale di clock, inalterato quando si trasmette 0, invertito quando si trasmette 1.

3 Direzione di trasmissione La trasmissione può avvenire con le seguenti modalita di direzione: - Simplex: il senso della trasmissione è unico - Half-Duplex: la trasmissione è possibile, alternativamente nei due sensi - Full-Duplex: la trasmissione è possibile, contemporaneamente, nei due sensi. Quasi tutte le apparecchiature attuali sono, a livello fisico, predisposte per la trasmissione a full duplex, tuttavia i protocolli possono limitare la trasmissione alla modalità half duplex. Standard RS232, RS422, RS485 Lo standard EIA RS-232C è uno degli standard più vecchi, ma tutt ora in uso, copre una distanza massima di 15m, con una velocità massima di 20kb/s, utilizza 3 fili: GND (ritorno commune), TXD (trasmissione) e RXD (ricezione). E presente uno schermo per migliorare la protezione contro disturbi elettrici, ha una capacità complessiva minore di 2500 pf, utilizza una connessione punto a punto, con trasmissioni asincrone. Lo standard EIA RS-422 ha una velocità massima di 115 kbit/s per distanze fino a 1200m, che si riduce a 12m a 10 Mbit/s. Utilizza segnali elettrici di trasmissione/ricezione differenziali, più immuni a disturbi di modo comune, è più adatto all ambito industriale; presenta la possibilità di collegare fino a 10 ricevitori. I cavi che utilizza presentano un impedenza caratteristica di 100MOhm, quando un apparato trasmette la ricezione può avvenire, appunto, fino a 10 ricevitori contemporaneamente. Lo standard EIA RS-485 risulta molto diffuso, soprattutto in ambito industriale, presenta le stesse prestazioni del RS-422, ma può connettere fino a 32 trasmettitori e 32 ricevitori. I trasmettitori non sono attivi in alta impedenza (impedenza caratteristica di 120 Ohm) e presenta una tipica architettura multidrop (collegamenti multipli bidirezionali a bus). Si realizza con 2 (trasmissione half-duplex) o 4 fili (trasmissione full-duplex), in particolare è molto comune l utilizzo in half-duplex con protocolli di comunicazione ad interrogazione. Livello data link Questo livello si occupa di realizzare connessioni prive di errori fra coppie di nodi della rete, suddivide i dati che riceve dal livello rete e li organizza in frame, introducendovi informazioni di controllo, come indirizzo del mittente e del destinatario e bit aggiuntivi. Trasmette i frame e verifica la corretta ricezione sulla base dei segnali di acknowledge del destinatario, ripetendo se è il caso la trasmissione. Inoltre ha il potere di decidere chi usa il bus per trasmettere, in ogni momento dando il diritto ad uno ad uno. Le funzioni che svolge sono descritte dagli acronimi: LLC : Logical Link Control, controllo del collegamento logico MAC: Medium Acces Control, controllo di accesso al mezzo fisico

4 Controllo accesso al mezzo fisico (MAC) (CSMA/CD, Token-Bus, Bus Arbiter o Controller) Per il MAC sono stati definiti i seguenti standard alternativi: - CSMA/CD (Carrier Sensing Multiple Access/Collision Detection): è un protocollo di tipo spontaneo, ogni nodo può decidere di trasmettere in qualsiasi momento, trasmissioni contemporanee sono gestite da un meccanismo di collision detection che prevede una logica di ritentativi. Non è in grado di garantire un limite superiore certo al ritardo di risposta, non è quindi ritenuto adatto per le applicazioni in cui deve essere garantito (ovvero, quelle in tempo reale), è utilizzato in Ethernet, la cui velocità è molto elevata, per cui il problema è poco critico - Token-Bus: in ogni istante ha diritto a trasmettere solo un nodo, quello che possiede il token (gettone) ovvero un codice particolare. I nodi si passano in sequenza circolare il token, il quale dà diritto a trasmettere per un tempo massimo stabilito (THT:Take Holding Time), dopo di che va lasciato. Possono esserci stazioni attive (master) e passive (slave): le slave possono trasmettere solo se interrogate da un master; il ritardo di risposta di ogni unità ha un limite superiore, si ha però un tempo d attesa inutile. - Bus Arbiter o Controller: Nelle reti di campo spesso l allocazione del mezzo fisico è realizzata mediante un arbitro del bus (master), cioè, un dispositivo collegato al bus con la funzione di deciderne l allocazione tra i diversi nodi della rete. Modalità di trasmissione Modalità asincrona: l informazione è trasmessa a blocchi preceduti/seguiti da caratteri di inizio e fine blocco (codifiche RZ). I vari USART (Universal Synchronous-Asynchronous Receiver/Transmitter) gestiscono la modalità next/previous scaricando la cpu, hanno un efficienza bassa e un discreto controllo del flusso dei dati. Modalità sincrona: l informazione è trasmessa a blocchi preceduti7seguiti da caratteri di inizio e fine blocco, il frame (trama) viene gestita da USART o da processori dedicati. Si ha un efficienza maggiore della precedenza (bassa con pochi dati utili, numero minimo di byte), risulta adatta per trasmettere quantità elevate di dati al secondo.

5 Controllo del collegamento logico Questo livello prepara frame da trasmettere ed esegue un controllo logico (collegamento virtuale tra i nodi al livello 2). Protocolli diffusamente utilizzati per il collegamento logico sono lo HDLC (High Level Data Link Control), che rappresenta un evoluzione del SDLC (), utilizzato in sistemi di trasmissione dati proprietari e il protocollo Ethernet (molto simile ad HDLC). La loro implementazione è affidata a circuiti integrati dedicati (Asic Application Specific Integrated Circuits) che, insieme a pochi altri elementi delle schede di interfaccia, gestiscono autonomamente la comunicazione, senza necessità di utilizzare l unità di elaborazione centrale del nodo. Ethernet (in particolare 10Base T) Si tratta di un protocollo sviluppato nel 1976 dalla ditta Xerox, si tratta del protocollo più utilizzato nelle applicazioni da ufficio ed è anche di largo utilizzo per applicazioni industriali. Esso copre i livelli 1 e 2 della pila OSI, il mezzo fisico ha subito varie evoluzioni: cavo coassiale spesso (alta velocità, distanze mediopiccole), cavo coassiale sottile (alta velocità, distanza piccola), doppino ritorto per reti con concentratore (hub), ad alta velocità e distanze piccole, fibra ottica (grande velocità e grande distanza). La segnalazione è in banda base con codifica Manchester, mentre la topologia dei collegamenti è varia (bus lineare, stella con hub,..). Per il sottolivello MAC si utilizza il protocollocsma/cd, mentre per il sottolivello LLC si utilizza il frame ethernet II. La connessione avviene in broadcast, ovvero tutti i riceventi ricevono i messaggio trasmesso, bus, cioè il mezzo di trasmissione è unico; non viene, però, confermata la ricezione del messaggio. Si utilizzano due doppini per la trasmissione in full-duplex e ogni trasmissione è limitata in durata (essendo limitata la lunghezza di un messaggio). Si lascia del tempo morto (idle) tra una trasmissione e l altra, per consentire anche ad altri di accedere alla rete. L indirizzo della scheda ethernet è denominato MAC address, è composto da 48 bit: i primi 24 identificano l organizzazione che assegna l indirizzo (Organization Unique Identifiers OUI), gli altri 24 sono associati all organizzazione con il solo vincolo di univocità. Computer collegati ad Ethernet possono inviarsi dati utilizzando protocolli di alto livello (TCP/IP); l interfaccia Ethernet ignora i pacchetti con indirizzo diverso dal proprio (non carica la CPU con questo test). Tramite questo collegamento si ha un architettura a stella con unità Switched hub (Sh), ovvero una suddivisione della rete in segmenti e connessione dei segmenti mediante Sh che scelgono il corretto instradamento dei dati sulla base del MAC address. In questo modo, si hanno bande di comunicazione comprese tra 100 Mbit/s e 1 Gbit/s, riducendo, inoltre, il rischio di collisione tra i dati trasmessi. Importante è che ethernet con TCP/IP permette la visualizzazione dei dati con un browser e server web embedded (ovvero un sistema che fa una cosa sola in modo efficiente ed economico, diverso dal PC general Purpose).

6 ARINC429 E una specifica tra le LRU (Line Repleaceable Unit, unità elettroniche a microprocessori) commerciali definita al fine di permettere intercambiabilità e interoperabilità delle LRU di diversi costruttori. Questo tipo di collegamento viene derivato dal predecessore ARINC 419 (creato nel 1966). Esso definisce: caratteristiche elettriche, caratteristiche dei dati, protocolli, topologia. E installato sulla maggior parte dei velivoli commerciali Airbus e Boeing, data la sua alta affidabilità. Per quanto concerne la tipologia di questo tipo di controllo, si ha una trasmissione unidirezionale, quindi per trasmettere e ricevere si devono usare porte e cavi twistati separati, si utilizzano fondamentalmente topologie di tipo a stella e a bus-drop lineare. Si collegano fino a 20 Ricevitori ad un singolo trasmettente, quindi il guadagno in affidabilità si traduce in un aumento del peso in quanto necessita di molti fili. Per quanto riguarda i cavi, si utilizzano cavi schermati e twistati (da 78 Ohm per il singolo elemento), con codifica bipolare (RZ) e livelli di tensione da 10,0,-10V in uscita al trasmettitore. Si ha un formato di parola a 32 bit, come riportato in figura, i parametri caratteristici sono i seguenti: LABEL: copre i primi 8 bit ed identifica il tipo di dato trasmesso e i parametri ad esso associati SDI: copre i bit 9 e 10 ed è un identificatore della destinazione del comando trasmesso (Source Destination Identifier) Data: copre i bit tra l 11 e il 29, come dice il nome, costituiscono il pacchetto di dati trasmessi con il comando SSM: bit 30-31, indica le informazioni di stato, quali hardware e validità del dato, dipendono dal LABEL P: bit 32, costituisce il bit di parità, ovvero la somma degli 1 e degli 0 all interno della parola, è una sorta di controllo sul comando trasmesso I messaggi inviati tramite questo comando sono per la maggior parte costituiti da una singola parola.

7 MIL-STD1533B Si tratta di una specifica di un bus dati lineare multidrop a 1 Mbit/s di tipo comando/risposta. Specifica operazioni, caratteristiche elettriche (hardware e topologia), struttura e formati delle parole e protocolli di comunicazione, è uno standard per l integrazione delle piattaforme militari. Si ha un architettura federeta, sebbene lo standard è complesso, costoso e molto voluminoso. Utilizza una trasmissione dual redundat, ovvero due percorsi dei dati paralleli, una sorta di bidirezionale. Si utilizza la codifica Manchester II, con tutte le comunicazioni iniziate da bus controller (allocazione bus), inoltre, tutti i nodi (terminali remoti) rispondono al comando del controller. Il MIL utilizza una topologia a Bus lineare (single level), in cui si trovano: - Bus Controller (BC), possono essere presenti anche più BC ma uno solo può essere attivo in ogni momento; decide l allocazione del bus e coordina il trasferimento di tutte le informazioni su di esso (metodo comando/risposta: BC invia il comando ad un RT e questo risponde). - Remote Terminal (RT), fino ad un massimo di 31, ciascuno che può avere fino a un massimo di 31 sottoindirizzi; si tratta di un Embedded RT (sensore con embedded al bus) e uno stand alone RT. - Bus Monitor (BM), si occupa della raccolta dei dati ed è utilizzato per problemi di funzionamento, si tratta di display multifunzione su cui sono presentati i dati messi in funzione, dietro cui si hanno memorie che mappano i pixel singolarmente. Talvolta si utilizzano strutture gerarchiche multilivello, con un bus di livello superiore (global bus) che controlla gli altri. Si ha una linea di trasmissione realizzata con un doppino twistato e schermato e un numero di pezzi (stubs) di interfacciamento. Le linee sono sempre doppie ma i messaggi transitano su una sola decisa dal bus, la lunghezza non è specificata. E possibile avere un accoppiamento diretto, oppure a trasformatore, il quale comporta un migliore isolamento galvanico o una migliore reiezione di modo comune. Come detto in precedenza, si utilizza una codifica di tipo Manchester, con tensioni valide in ingresso ad un RT fino ad un massimo di 14V, devono però essere specificate le distorsioni massime dei segnali. Si hanno velocità molto alte con un sistema di comunicazione in half-duplex in modalità broadcast (tutti ricevono il comando). I messaggi sono costituiti dalle seguenti tipologie: sincronizzazione, dato (16 bit) e parità. - Command Word: si ha sincronizzazione, indirizzo del terminale remoto (5 bit e 31 indirizzi di terminali più broadcast), Bit Trasmettente/Ricevitore: il ricevitore dovrà trasmettere o ricevere, Campo sottoindirizzo/modo: uso specifico per stand alone terminal, infine, un conteggio delle parole (numero parole, data word, che il ricevitore dovrà trasmettere o ricevere). - Data word: è costituita da

8 - Status word: sono trasmesse da ogni terminale remoto in risposta ai comandi e contengono informazioni di stato, errori,.., del terminale remoto o dei messaggi scambiati. E costituita da una sincronizzazione, indirizzo del terminale remoto ed informazioni di errore etc; alcuni comandi (come quelli in broadcast) non prevedono risposta di status. I messaggi sono composti da command e status word e data word, la trasmissione viene sempre decisa da Bus Controller (10 tipi di messaggi). Lo status word viene trasmesso da un terminale remoto in risposta ad ogni comando, l allocazione del bus e il controllo logico del link sono eseguiti con word e messaggi, mentre i terminali remoti verificano la correttezza sintattica di parole e messaggi. AFDX Il protocollo AFDX è stato progettato per utilizzare il collegamento Ethernet su circuiti che abbiano le caratteristiche dell ARINC429, implica delle comunicazioni del tipo point-to-point in cui sono necessarie la conoscenza della banda passante e la ridondanza dei dati. Per cui si realizza con basi quali standard ethernet, IP, UDP (User Datagram Protocol) e velocità di 10 Mbit/s, 100Mbit/s o Gbit/s. Si ha un protocollo ed una struttura tali da assicurare un comportamento deterministico e gestione della ridondanza adeguati, realizzati tramite componenti quali sottosistemi avionici, AFDX edn systems ed interconnessione AFDX, ovvero attraverso switches e collegamenti. Ogni dispositivo è connesso full duplex ad uno switch, il quale ha un buffer per memorizzare più dati ricevuti e da trasmettere, trasmette solo agli end system destinatari o ad un altro switch (in base all indirizzo nel messaggio ricevuto e alla FT che contiene il TX buffer corrispondente ad ogni indirizzo), inoltre, è importante sottolineare che le collisioni sono evitate; ci può essere ritardo per congestione negli switch, che va dimensionato superiormente. Questa struttura consente di avere una velocità di trasmissione superiore agli altri protocolli, una connessione minore, riducendo però il cablaggio e quindi il peso. Il vantaggio principale sta nel fatto che un singolo computer può supportare più sottosistemi avionici simultaneamente, l isolamento tra questi ultimi è raggiunto tramite partizioni di memoria e limitando il tempo di cpu allocato ad ogni partizione. Gli end systems sono identificati utilizzando due quantità da 8 bit ciascuna: un Network ID ed un Equipment ID, utilizzati per formulare l indirizzo MAC. I dati vengono scambiati attraverso porte, esse sono univocamente definite in tutta la rete, identificate da un port ID,

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