Sieci krótkiego zasięgu (RS, USB, FireWire, Bluetooth, IrDA, WUSB)
Standard RS – 232C (Recommended Standard) został ustanowiony w 1969 r.
Definiuje on sposób nawiązania i przeprowadzenia łączności między dwoma urządzeniami
DTE (komputer PC) (Data Terminal Equipment) za pośrednictwem modemów tzw. DCE (modem) (Data Communication Equipment) lub bez nich. Obecnie standard łącza szeregowego do połączenia komputera PC z urządzeniami zewnętrznymi.
Standard ten oferuje transmisje typu:
• Simplex - jednokierunkowa transmisja, w której tylko urządzenie 1 (DTE1) przekazuje dane urządzeniu 2 (DTE2) lub tylko urządzenie 2 (DTE2) przekazuje dane urządzeniu 1 (DTE1)
• Half-duplex – dwukierunkowa transmisja, która umożliwia w tym samym czasie nadawanie danych tylko w jedną sronę
• Full-duplex – umożliwia dwukierunkową transmisje między urządzeniami w tym samym czasie.
Ponieważ w praktyce łączenie urządzeń za pomocą interfejsu RS-232 nie jest możliwe na odległości dłuższe niż 15 metrów, a często istnieje konieczność połączenia kilkunastu urządzeń na jednym obiekcie, czy kontrolowanie, programowanie urządzeń które znajdują się stosunkowo daleko od stanowiska stosuje się konwertery.
Na 1 obrazku widać przykład sieci w której do komunikacji na odległość wykorzystuje się magistralę CAN
Na drugim obrazku widać przykład wykorzystania sieci Ethernet do komunikacji z urządzeniami
Na trzecim obrazku widać również przykład wykorzystania sieci Ethernet, ale w przypadku gdy komputer jest podrzędnym urządzeniem sterującym, a nadrzędnym urządzeniem jest kontroler PLC.
USB
Standard ten jest obecnie powszechnie wykorzystywany i można przy jego pomocy podłączyć do komputera właściwie wszystko. Oficjalnie zgłoszona specyfikacja usb 1.1 została zgłoszona w 1998 roku, ale już Windows 95 umożliwiał obsługę portów USB.
Plug and play to technologia która umożliwia podłączanie urządzeń peryferyjnych w czasie pracy systemu i komputera bez konieczności ponownego uruchamiania systemu. Dodatkowo host samodzielnie rozpoznaje zmianę konfiguracji urządzeń peryferyjnych. Plug and Play wymaga współpracy zarówno ze strony sprzętu komputerowego, jak i oprogramowania. Rozwiązane jest to w taki sposób, że każde urządzenie ma swój określony kod indentyfikacyjny, który jest rozpoznawany przez hosta i na jego podstawie określa się typ oraz rodzaj urządzenia.
Do jednego kontrolera usb można podłączyć do 127 urządzeń, oczywiście przy użyciu odpowiedniej ilości hubów.
Prędkości transmisji zależą zasadniczo od konstrukcji danego urządzenia, ale specyfikacja określa, że dla usb 1.1 prędkość ta wynosi max 1,5 MB/s, dla usb 2.0 60 MB/s, a dla usb 3.0 640 MB/s. Wszystkie standardy usb są kompatybilne wstecz.
Urządzenia podłączane do portów usb 2.0 nie musza wymagać własnego zasilania ponieważ każdy pojedynczy port 2.0 oraz 1.1 jest w stanie zasilić urządzenie w napięcie o wartości 5V oraz prąd o wartości 500 mA, co umożliwia zasilanie niewielkich urządzeń jak klawiatura, mysz, dysk twardy 2.5 cala, pamięć masowa itp. Zaś standard 3.0 może przy napięciu 5V dostarczyć 900mA prądu.
– transmisja typu izochronicznego (Isochronous Transfer) - wykorzystywana głównie przez
urządzenia wymagające ściśle gwarantowanego maksymalnego czasu opóźnienia oraz
transmitujące duże bloki danych. Nie ma zaimplementowanego mechanizmu handshake’u
oraz retransmisji w przypadku wystąpienia błędu.
– transmisja typu masowego (Bulk Transfer) - dedykowana dla urządzeń transmitujących
większe bloki danych (do 64 bajtów) i robiących to tylko w wybranych momentach
czasowych. Transmisja ta ma mechanizmy handshake’u oraz retransmisji w przypadku
wykrycia błędów.
– transmisja typu przerwaniowego (Interrupt Transfer) – posiada właściwości transmisji
bardzo zbliżone do transmisji typu Bulk, jednakże przeznaczona jest jedynie dla punktów
końcowych typu IN, które wymagają okresowego sprawdzania gotowości do transmisji
posiadanych danych (interwał czasowy, definiujący częstotliwość, z jaką powinno odbywać
się odpytywanie, zdefiniowany jest w deskryptorze danego punktu końcowego).
– transmisja typu kontrolnego (Control Transfer) – wykorzystywana jest do konfiguracji oraz
wysyłania, zdefiniowanych przez standard USB, komend do urządzenia. Standard ten
narzuca także bardzo wysokie wymagania, co do konieczności jej przetwarzania przez
urządzenia interfejsowe oraz kontroli jej poprawności.
FireWire (IEEE-1394)
Standard ten został opracowany w roku 1995. Specyfikacją jak i topologią jest bardzo podobny do standaru usb, jednak został wymyślony i opatentowany przez firmę Apple. FireWire odmiennie niż USB zarządza magistralą – nie wymaga kontrolera magistrali czyli hosta. W standardzie USB magistralą zarządza kontroler (host), na jednej magistrali może pracować tylko jeden host i jest nim zawsze komputer. W FireWire urządzenia są równouprawnione, co pozwala na transmisję bezpośrednio pomiędzy urządzeniami dołączonymi do magistrali, bez pośrednictwa komputera. Dzięki temu możliwe jest z jednej strony łączenie za pomocą magistrali FireWire kilku komputerów ze sobą (i nawet wykorzystanie protokołu IP), z drugiej strony możliwa jest bezpośrednia komunikacja między urządzeniami, na przykład przesyłanie danych pomiędzy skanerem i drukarką bez używania pamięci lub procesora komputera
Bluetooth
Rozpraszanie widma sygnału transmitowanego – szybkie skakanie po częstotliwościach. System łączności Bluetooth wykorzystuje jedno z nielicencjonowanych pasm ISM, tj. pasmo 2,4 GHz W systemie tym podczas komunikacji stosuje się rozpraszanie widma sygnału transmitowanego. Rozpraszanie to uzyskuje się poprzez zmienianie częstotliwości (skakanie po częstotliwościach), na których odbywa się komunikacja. W czasie typowej pracy liczba skoków na sekundę wynosi 1600. Kolejne pakiety informacji nadawane są zatem na różnych częstotliwościach. Pasmo ISM, w którym pracuje Bluetooth, czyli zakres 2,4 - 2,4835 GHz, podzielone jest na 79 kanałów, z przeznaczeniem 1 MHz na kanał. Podczas transmisji skakanie po kanałach (częstotliwościach) odbywa się w sposób pseudolosowy. Odbiornik musi więc znać rozkład (sekwencję pseudolosową) skoków, aby mógł dostrajać się na bieżąco do odpowiedniego kanału. Dzięki temu, że wszystkie urządzenia (stacje) Bluetooth przeskakują po częstotliwościach, ryzyko kolizji, wynikające z nadawania na tym samym kanale, jest niewielkie. Jeśli jednak do kolizji dochodzi, jej skutki są mało szkodliwe, ponieważ tracony jest pojedynczy pakiet, który może być retransmitowany.
System Bluetooth oferuje połączenia typu punkt-punkt (ang. point to point, komunikują się dwa urządzenia) oraz połączenia typu punkt–wielopunktów (ang. point to multipoint, komunikuje się wiele jednostek). Wszystkie urządzenia, stacje (co najmniej 2), należące do danego połączenia (tzn. komunikujące się ze sobą), tworzą tzw. pikosieć określaną też jako pikonet (ang. piconet). W pikosieci zawsze jedno urządzenie pełni funkcję nadrzędną (ang. master), pozostałe - to jednostki podrzędne (ang. slave). Model master-slave przykładowej pikosieci przedstawiony jest na rys. 3.9. Zgodnie ze specyfikacją dowolna stacja może pełnić którąkolwiek z ról, ale w zasadzie przyjmuje się, że jednostka inicjująca połączenie staje się nadrzędną. W trakcie pracy role te mogą zostać zmienione. Maksymalna liczba urządzeń aktywnych, należących do połączenia, wynosi 8 - jedna stacja nadrzędna i siedem stacji podrzędnych. Kilka pokrywających się pikosieci tworzy tzw. sieć rozproszoną (ang. scatternet).
Na danym obszarze istnieć może maksymalnie 10 pokrywających się pikonetów, a urządzenia mogą należeć do kilku pikosieci jednocześnie. W jednym pikonecie urządzenie może być stacją master, w innym – stacją slave. O ile maksymalna liczba jednostek aktywnych w pikosieci wynosi 8, o tyle w odniesieniu do urządzeń nieaktywnych (należących jednak do danego połączenia) jest to liczba dowolna.
IrDA
Podstawowym zastosowaniem standardu jest tworzenie sieci tymczasowych, w których
istnieje wiele stacji przenośnych. Standard pozwala na przesył plików między komputerami
przenośnymi i stacjonarnymi, można także drukować´ bezpośrednio z komputera przenośnego.
Operacje te mogą odbywać´ się bez konieczności dokonywania jakichkolwiek fizycznych połączeń´ wystarczy jedynie, aby komputer przenośny znalazł sie˛ w zasięgu odpowiednich
stacji sieci. Idea takiego polaczenia pokazana jest na rys. 1.
Zakres SIR
Prędkości osiągane w tym zakresie należą do standardowych prędkości transmisji stosowanych
na łączach szeregowych i wynoszą: 2.4, 9.6, 19.2, 38.4, 57.6 i 115.2 kb/s.
Przy zastosowaniu tych prędkości urządzenia standardu IrDA mogą współpracować´ bezpośrednio z typowymi układami transmisji szeregowej, tzw. UART (ang. Universal Asynchronous
Receiver-Transmitter), pracującymi także jako interfejsy w standardzie RS-232C.
Zakres MIR
Zakres ten, podobnie jak zakres FIR, wymaga stosowania sterowników komunikacyjnych
o większych możliwościach niz. układy UART. Schemat blokowy uniwersalnego interfejsu
IrDA dla wszystkich zakresów prędkości pokazano na rys. 4 [5].
Zakres FIR
Przy pracy z prędkością 4 Mb/s stosowana jest odmienna technika modulacji, niz. dla
zakresów SIR i MIR. Jest ona oznaczona symbolem 4PPM (ang. Pulse Position Modulation).
WUSB
bezprzewodowe, szerokopasmowe rozszerzenie o krótkim zasięgu do USB, które łączy dużą prędkość przesyłu danych i prostotę użycia znane z USB 2.0 z technologią bezprzewodową. Zwane jest często WUSB, jednak organizacja USB Implementers Forum odradza tę nazwę, proponując w zamian Certified Wireless USB dla odróżnienia tej technologii od konkurencyjnych, działających na podobnych zasadach. Certified Wireless USB oparta jest na technice Ultra wideband zdolnej do przesyłania danych z prędkością 480 Mbit/s na dystans 3 metrów lub 110 Mbit/s na odległość nie większą niż 10 m. Przystosowana jest do pracy w zakresie częstotliwości od 3,1 do 10,6 GHz. Nadchodzący nowy standard Certified Wireless USB - 1.1 ma pracować z prędkością 1 Gbit/s oraz w częstotliwości powyżej 6 GHz. Będzie obsługiwał m. in. dłuższe kody PIN i większą ilość języków. Nowy standard będzie miał również mniejszy pobór mocy.
Technologia Certified Wireless USB może być stosowana w urządzeniach, które obecnie podłączane są przez zwykły port USB, np. kontrolery gier, drukarki, skanery, cyfrowe aparaty fotograficzne oraz kamery, dyski twarde oraz dyski flash. Coraz częściej są używane karty Wi-fi oraz bezprzewodowe myszki i klawiatury. Wykorzystywana jest także do przesyłania strumieni wideo.