Kiểm soát truy nhập bus

©2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N C h ư ơ n g 1 Hệ thống thông tin công nghiệp 1/20/2006 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2© 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 1. Vấn ₫ề kiểm soát truy nhập bus 2. Phương pháp Master/Slave 3. Phương pháp Token Passing 4. Phương pháp TDMA 5. Phương pháp CSMA/CD 6. Phương pháp CSMA/CA 3© 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS 1. Vấn ₫ề kiểm soát truy nhập bus ƒ Kiểm soát truy nhập bus (Bus access control, Medium Access Control): Phân chia thời gian truy nhập ₫ường truyền (gửi tín hiệu ₫i) ƒ Phương pháp kiểm soát truy nhập bus ảnh hưởng tới: — ₫ộ tin cậy — tính năng thời gian thực — hiệu suất sử dụng ₫ường truyền ƒ Phương pháp kiểm soát truy nhập bus liên quan chặt chẽ tới, nhưng không ₫ồng nghĩa với cơ chế giao tiếp. ƒ So sánh ví dụ: Làm thế nào ₫ể trong một cuộc họp ₫ể khi một người nói thì những người khác không chen vào? 4© 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Phân loại phương pháp Truy nhËp tiÒn ®Þnh KiÓm so¸ t tËp trung Master/Slave TDMA Ph−¬ng ph¸ p truy nhËp bus Truy nhËp ngÉu nhiªn KiÓm so¸ t ph©n t¸ n Token Passing NhËn biÕt xung ®ét CSMA/CD CSMA/CA Tr¸ nh xung ®ét 5© 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS 2. Phương pháp chủ/tớ (Master/Slave) ƒ Vai trò của trạm chủ: — Kiểm soát hoàn toàn giao tiếp trong hệ thống, hoặc — Chỉ ₫óng vai trò phân chia quyền truy nhập bus Master Slave Slave Slave Slave 6© 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm ƒ Ưu ₫iểm: — Tiền ₫ịnh — Đơn giản, ₫ỡ tốn kém — Trí tuệ tập trung tại một trạm chủ ƒ Nhược ₫iểm — Độ tin cậy phụ thuộc vào một trạm duy nhất — Hiệu suất trao ₫ổi dữ liệu giữa hai trạm tớ thấp ƒ Ứng dụng chủ yếu — phổ biến trong các hệ thống bus cấp thấp (bus trường hay bus thiết bị) — trao ₫ổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị ₫iều khiển và các trạm tớ là thiết bị trường hoặc các module vào/ra phân tán. 7© 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Biểu ₫ồ trình tự giao tiếp Master Slave 1 Slave 2 1: receive_request 2: send_request 3: send_data 4: send_completed 5: receive_completed 8© 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS 3. Token Passing Tr¹m 1 Tr¹m 4 Tr¹m 5 Tr¹m 6 Tr¹m 2 Tr¹m 3 Token Ring Token Tr¹m 3 Tr¹m 4 Tr¹m 5 Tr¹m 6 Tr¹m 1 Tr¹m 2 Token Token Bus 9© 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Token? ƒ Một bức ₫iện rất ngắn, có cấu trúc ₫ặc biệt ƒ Ví dụ: Destination Address Start Delimiter Source Address End Delimiter 10 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Vấn ₫ề kiểm soát Token ƒ Giám sát token: Nếu do một lỗi nào ₫ó mà token bị mất hoặc gia bội, cần phải thông báo xóa các token cũ và tạo một token mới. ƒ Khởi tạo token: Sau khi khởi ₫ộng một trạm ₫ược chỉ ₫ịnh có trách nhiệm tạo một token mới. ƒ Tách trạm ra khỏi mạch vòng logic: Một trạm có sự cố phải ₫ược phát hiện và tách ra khỏi trình tự ₫ược nhận token. ƒ Bổ sung trạm mới: Một trạm mới ₫ược kết nối mạng, một trạm cũ ₫ược thay thế hoặc ₫ưa trở lại sử dụng phải ₫ược bổ sung vào mạch vòng logic ₫ể có quyền nhận token. 11 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm ƒ Ưu ₫iểm: — Tiền ₫ịnh — Độ tin cậy cao hơn nhờ vai trò bình ₫ẳng — Phù hợp cho nhiều cơ chế giao tiếp khác nhau ƒ Nhược ₫iểm: — Phức tạp ƒ Ứng dụng — Chủ yếu ở cấp phía trên (bus ₫iều khiển, bus hệ thống) 12 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Kết hợp với Master/Slave (Multimaster) Master (1) Slave (2) (1) Token passing gi÷a c¸c tr¹m tÝch cùc (2) Master/slave gi÷a mét tr¹m tÝch cùc vμ mét sè tr¹m kh«ng tÝch cùc Master Master Master Master Slave Slave Slave 13 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS 4. TDMA ƒ TDMA (Time-Division Multiple Access): Phân chia thời gian cố ₫ịnh Khe thời gian (time slot) 1 2 N Theo yªu cÇu Chu kú bus (chu kú TDMA) . . . 14 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm ƒ Ưu ₫iểm — Tiền ₫ịnh, phù hợp với trao ₫ổi dữ liệu tuần hoàn — Có thể ₫áp ứng yêu cầu rất ngặt nghèo về tính năng thời gian thực — Không cần kiểm soát tập trung ƒ Nhược ₫iểm — Hiệu suất sử dụng ₫ường truyền có thể không cao — Đồng bộ hóa thời gian phức tạp ƒ Ứng dụng: — Thường là kết hợp với Master/Slave (ví dụ Profibus-DP V2.0, Interbus) hoặc Token Passing (Foundation Fieldbus H1) — Chủ yếu ở cấp trường 15 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS 5. CSMA/CD ƒ Một phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên, nổi tiếng cùng mạng Ethernet (IEEE 802.3) ƒ CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) — Carrier Sense: Cảm nhận, nghe ngóng ₫ường truyền — Multiple Access: Đa truy nhập (₫ương nhiên!) — Collision Detection: Nhận biết xung ₫ột 16 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Nguyên tắc làm việc 1. carrier sense A ph¸t hiÖn xung ®ét, hñy bá bøc ®IÖn Chê mét thêi gian ngÉu nhiªn vμ lÆp l¹i A B C A B C A B C 2. multiple access 3. collision ... A B C 4. detection C ph¸t hiÖn xung ®ét, hñy bá bøc ®IÖn Chê mét thêi gian ngÉu nhiªn vμ lÆp l¹i 17 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Điều kiện ràng buộc ƒ Điều kiện ràng buộc giữa chiều dài dây dẫn, tốc ₫ộ truyền thông và chiều dài bức ₫iện ƒ Tại sao? Một trạm chỉ có thể dừng gửi một bức ₫iện khi nó chưa gửi xong! ƒ Điều kiện: (Chiều dài bức ₫iện n / Tốc ₫ộ truyền v) > 2TS n/v > 2l/(0,66*300.000.000), với l là chiều dài dây dẫn và hệ số k = 0,67 lv < 100.000.000n ƒ Ví dụ: Fast Ethernet (100Mbit/s) l = 100m => một bức ₫iện không thể ngắn hơn 100 bit. ƒ Hệ quả xét về hiệu suất sử dụng ₫ường truyền và khả năng ứng dụng? 18 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm ƒ Ưu ₫iểm: — Rất linh hoạt, không cần ₫ặt cấu hình mạng trước — Được sử dụng rộng rãi ƒ Nhược ₫iểm: — Thiếu tính tiền ₫ịnh — Thuật toán phức tạp ƒ Ứng dụng: — Chủ yếu ở mạng cấp cao (Ethernet) — Gần ₫ây ₫ược sử dụng ở cấp thấp: Sử dụng công nghệ chuyển mạch (switch) nhằm giảm xung ₫ột tín hiệu 19 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Thuật toán tính thời gian chờ ƒ Thuật toán BEB (Binary Exponential Backoff): — Chọn khe thời gian (Te) là cơ sở: thông thường là thời gian lan truyền tín hiệu một lần qua lại ₫ường truyền. — Sau lần xảy ra xung ₫ột ₫ầu tiên , mỗi trạm sẽ chọn ngẫu nhiên 0 hoặc 1 lần khe thời gian chờ trước khi thử gửi lại => xác suất tái xung ₫ột? — Nếu hai trạm ngẫu nhiên cùng chọn một khoảng thời gian, hoặc có sự xung ₫ột mới với một trạm thứ ba, thì số khe thời gian lựa chọn chờ sẽ là 0, 1, 2 hoặc 3 => xác xuất xảy ra xung ₫ột ở lần này? — Sau lần xung ₫ột thứ i, số khe thời gian chọn ngẫu nhiên nằm trong khoảng từ 0 tới 2i-1. 20 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS 6. CSMA/CA ƒ CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ƒ Một phương pháp cải tiến từ CSMA/CD, bổ sung mức ưu tiên ₫ể cải thiện tính thời gian thực ƒ Nổi tiếng cùng mạng CAN (Controller Area Network) 21 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Nguyên tắc làm việc T1 0 1 0* T2 0 1 1* R1 0 1 0 R2 0 1 0 0 1 0 1 Ph¸t hiÖn lçi --> ngõng ph¸t Møc tÝn hiÖu lÊn ¸t --> ph¸t tiÕp 22 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Điều kiện ràng buộc ƒ Ngặt nghèo hơn so với CSMA/CD ƒ Một trạm phải có khả năng phát hiện ra xung ₫ột trước khi nó ra quyết ₫ịnh có gửi bit tiếp theo hay không => thời gian bit TB phải lớn hơn nhiều hai lần thời gian lan truyền tín hiệu TS 1/v > 2TS, với v là tốc ₫ộ truyền 1/v >> 2l/(0,67*300.000.000) lv << 100.000.000 ƒ Ví dụ: — v = 500kbit/s (tốc ₫ộ trung bình ở CAN) => l << 200m (thực tế người ta chọn l < 80m) 23 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Qui ₫ịnh mức ưu tiên ƒ Theo ₫ịa chỉ trạm gửi hoặc trạm nhận (ví dụ ₫ịa chỉ càng thấp, mức ưu tiên càng cao) => bổ sung ₫ịa chỉ trạm gửi hoặc nhận ngay ₫ầu bức ₫iện ƒ Theo kiểu bức ₫iện: bổ sung mức ưu tiên ngay ₫ầu bức ₫iện ƒ Phương pháp kết hợp SD DA SA 00000010 => ưu tiên hơn 00000011 SD ID ... ... SD ID DA ...SA 24 © 2 0 0 4 , H O À N G M I N H S Ơ N 4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm ƒ Ưu ₫iểm — Linh hoạt — Tính thời gian thực tốt hơn CSMA/CD ƒ Nhược ₫iểm — Tốc ₫ộ truyền thấp — Khoảng cách truyền ngắn