Réseau ARCNET

Arcnet est un réseau local ( LAN ) à passage de jeton spécialement conçu pour les technologies embarquées. Ce système de communication propose jusqu'à 10 Mbps de taux de transfert de données, 255 nœuds ou stations, une longueur variable de paquets pour les messages point à point ou en diffusion, sur un bus ou sur une topologie en étoile, avec des performances déterministes et avec un coût par nœud très avantageux. Avec cette caractéristique de communication en temps-réel, ce réseau était idéalement destiné aux réseaux industriels et aux applications de contrôle de procédé.

À l'instar des réseaux Ethernet et du bus CAN, Arcnet est une technologie de liaison de donnée qui ne définit aucune couche application ( le standard Arcnet spécifie la couche physique et la couche de liaison de données qui sont les deux couches les plus basses du modèle OSI ). C'est ainsi que lorsqu'une société « Lambda » cherchait à développer un nouveau réseau pour répondre à de nouveaux usages, ses concepteurs utilisaient Arcnet pour construire la couche de données, puis ils y ajoutaient leurs propres programmes pour réaliser la couche application selon leurs besoins spécifiques. Le plus souvent, il n'était jamais fait mention du fait que la technologie Arcnet était utilisé dans leurs solutions de communication en réseau.

Le sigle Arcnet signifie quelque chose comme « Réseau d'ordinateurs liés à des ressources » ( Attached Resources Computer Network ). À son origine en 1976 ( officiellement en 1977, c'est à dire pendant les « années glorieuses » de l'informatique ) ce système a été créé comme un réseau de bureautique par John MURPHY, un scientifique de chez « Data Point Corporation ».

Au tout début, la technologie ARCNET a été développée dans le but de former des réseaux hétérogènes en connectant ensemble des groupes de terminaux qui communiquaient avec n'importe quel système de disquettes, alors que l'usage courant avait pour but de former des réseaux homogènes en connectant ensemble des systèmes similaires. En d'autres termes : Arcnet ne faisait aucune assertion quant au type de matériel qui pouvait y être connecté.

Hé ! Vous ne vous rappelez pas des disquettes 5" ¼ ni des disquettes 3" ½ ?! Désolé, mais nous vous rappelons que nous sommes en train de parler des « années glorieuses » de la technologie numérique, en fait ! Avant Ethernet, il s'agissait de la seule solution de stockage en grappe basée sur les réseaux locaux.

Par la suite, ARCNET est devenu une technologie de réseau embarqué qui est encore fréquemment rencontrée dans des applications telles que le contrôle industriel, la robotique, les centrales électriques, les télécommunications, les systèmes de sécurité, le transport, l'automatisation de bâtiments ( en tant que couche de données de BACnet par exemple ) et les jeux.

Au même moment - tout en gardant à l'esprit que nous sommes en train de parler de réseaux d'entrées-sorties distribuées pour des équipements partagés - le protocole de passage de jeton ( ou d'anneau à jeton, ou bus à jeton ) a été choisi par Arcnet comme méthode d'interconnexion.

Au début des années 80, Ethernet démarrait et les micro-ordinateurs personnels IBM PC ont commencé d'être proposés à la vente. Alors qu'Arcnet était plus souple, plus robuste, plus déterministe, moins cher et plus économe en ressources que les premiers réseaux Ethernet, la part de marché d'Arcnet était à peu près égale à celle d'Ethernet à la fin de la décennie.

Au début des années 90, Ethernet a basculé vers un câblage plus facile, c'est à dire d'un câblage coaxial vers un câblage en paire torsadée utilisant une topologie en étoile et des hubs, tout en améliorant ses performances ( 10 Mbps comparé au taux de transfert de données de 2.5 Mbps pour Arcnet ) avec des technologies plus économiques. Finalement, la demande en réseaux Ethernet a augmenté, et la demande en réseaux Arcnet a diminué.

En réponse - 1992 - Arcnet a commencé à développer « Arcnet Plus » ( 20 Mbps ), mais il était déjà trop tard. Ethernet avait définitivement gagné la maîtrise du marché.

En conclusion, Arcnet fut un réseau très populaire, largement utilisé dans le monde entier pour les systèmes de contrôle et les applications embarquées. Il a été vendu plus de 22 millions de nœuds de ce système de communication. Une large part d'entre eux est toujours en opération, jusques et y compris ceux qui ont été installés dans des produits fournis par des fabricants d'équipements programmables parmi les plus importants de la planète. Mais Ethernet a dépassé Arcnet, c'est pourquoi cette dernière solution est maintenant rarement utilisée pour installer de nouveaux réseaux.

Originellement introduit juste avant Ethernet, Arcnet incorpore un protocole de « passage de jeton » - qui est également appelé « token-ring », « anneau à jeton », ou encore « bus à jeton » - où l'accès aux media est déterminé par la station qui a le jeton. En très bref, cette technique consiste à activer un jeton unique pour tout un réseau et à le faire circuler de station en station de façon à ce qu'à n'importe quel moment le possesseur du jeton est le seul à pouvoir émettre des données avant de passer le jeton à la station suivante.

Ainsi aucune station ne peut consommer toute la bande passante, puisqu'un seul paquet de données peut être envoyé à chaque passage de jeton, avec une taille maximum de message de 507 octets. Ce schéma permet d'éviter les collisions ( Parce que c'est tout bonnement impossible ) et donne à Arcnet son plus grand avantage dans les applications temps réel : il s'agit d'un réseau déterministe, alors que l'Ethernet standard n'y est pas.

Cependant, certains réseaux de contrôle industriels Ethernet ont acquis des caractéristiques déterministes en utilisant des mécanismes spécifiques bien adaptés comme l'ont fait les réseaux Ethercat ou Powerlink par exemple. Ils peuvent même offrir un niveau de précision beaucoup plus élevé dans la synchronisation en temps réel des échanges de données.

Arcnet opère sur des supports variés, et supporte deux topologies. Tous ces supports et toutes ces topologies peuvent être mélangés ensemble pour former un réseau complet, ce qui en fait un réseau très flexible. In fine, si vous coupez un réseau ARCNET … vous obtenez juste deux réseaux ARCNET en quelques millisecondes !

Supports

• Câble coaxial.
• Paire torsadée.
• Fibre optique.

Topologies

• Bus linéaire sans hub.
• Architecture en étoile avec hub.

Un concepteur peut sélectionner des transmetteurs RS-485 répandus et à bas coûts, pour peu que les distances soient relativement courtes ( moins de 2000 mètres ). L'un des griefs porté à Ethernet est le besoin de développer le réseau en étoile, ce qui requiert l'utilisation de hubs ou de commutateurs. Non seulement ces équipements nécessitent une source d'alimentation et consomment de l'énergie, mais le concepteur doit encore trouver de la place pour les monter, et ils représentent une cause supplémentaire de défaillance. Pour les applications embarquées, la topologie de bus est beaucoup plus pertinente puisque les commutateurs et les hubs ne sont pas nécessaires.

Le protocole de communication est basé sur la technologie du passage de jeton déterministe. Il supporte le contrôle de transmission de paquet, la détection d'erreur avec le contrôle d'un code de redondance cyclique ( CRC 16 ), l'auto-reconfiguration, la taille variable des paquets ( jusqu'à 507 octets ), et des pilotes logiciels variés. Pour faire tout ça, il ne lui suffit que de cinq commandes très simples. Pour ce qui concerne les performances, la durée minimum de transmission d'un message est de 141 µs pour un réseau Arcnet cadencé à 2.5 Mbps.

Technique de passage de jeton

Cette technique assure que chaque nœud a un temps de réponse garanti pour transmettre, offrant ainsi un comportement déterministe.

En résumé ( pour plus de détails, lire la description des bus à jeton ) :

• La transmission sur le réseau n'est permise que lorsque le nœud a le jeton.
• Chaque nœud ne peut émettre qu'une seule fois au cours du cycle du jeton.
• Les utilisateurs peuvent calculer la durée maximum de transmission d'un message point à point, et ils peuvent calculer le pire des cas.

Auto-configuration

Le réseau est automatiquement reconfiguré lorsqu'un nœud rejoint ou quitte le réseau.

• Le passage du jeton est automatiquement reconfiguré. Cela prends un temps typique de 20 à 30 millisecondes.
• Le réseau supporte dynamiquement l'ajout ou la suppression d'un nœud, c'est à dire sans interruption d'activité.

Contrôle de transmission de paquet

Le transmetteur vérifie l'état du destinataire pour s'assurer que ce dernier est prêt à recevoir des données.

• Réduction du temps de traitement.
• Augmentation de la bande passante.
• Pas de paquet perdu suite à une saturation du buffer d'entrée.

Commandes

• ITT : Invitation à transmettre.
• FBE : Demande de libération du buffer.

• PAC : Packet.
• ACK : Accusé de réception.

• NACK : Accusé de réception négatif.

• Performances déterministes.
• Anneau logique.

  Les nœuds trouvent automatiquement leurs voisins pour créer un anneau.

• Reconfiguration automatique.

  Un nouveau nœud rejoint l'anneau automatiquement sans aucune intervention logicielle.

• Messages diffusés globalement et messages directs.
• Multi-maître avec génération automatique du jeton.
• Options de câblage variées.
• Vitesse élevée ( Relativement aux années 80 ).

  2.5 Mbps en standard, 19 kbps à 10 Mbps en option.

• Micro-contrôleur économique.
• Charge protocole économe.

  Utilisation de seulement 3 ou 4 octets de service par trame dans la bande passante disponible.

• Taille variable du paquet de données.

  0 à 507 octets.

• Grande immunité au bruit électro-magnétique.
• Technologie dont la gestion est particulièrement simple et facile d'accès.

• Utilisation dans la conception de systèmes embarqués conçus pour faire communiquer des micro-contrôleurs entre eux de manière interactive ( bien que ce soit à un niveau plus élevé et de manière moins efficace que pour ce qui concerne les transputers, toutefois ).
• Un réseau multi-maître permet un accès équitable à tous les nœuds.
• Robustesse.
• Aucun outil de développement particulier n'est requis.

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• Relativement aux années 1980 et 1990, utilisation pour des applications industrielles nécessitant une réactivité très élevée et des temps de réponse très courts.

CAN bus a été conçu à l'origine pour le marché des équipements de l'industrie automobile, et a engrangé des succès en tant que bus de terrain, quand il était utilisé en conjonction avec des couches de protocole de niveau plus élevé, tels que DeviceNet et CanOpen. Quant à Arcnet, celui-ci est plutôt considéré comme un réseau de niveau contrôleur, eu égard à ses performances plus élevées vis à vis du bus CAN.

Fondamentalement, les communications sur un bus CAN sont limitées à 1 Mbps et elles ne peuvent envoyer au maximum que 8 octets de données par trame, alors que les micro-contrôleurs Arcnet peuvent transmettre jusqu'à un taux de transfert de 10 Mbps, et les paquets de données peuvent avoir une taille allant jusqu'à 507 octets. Non seulement Arcnet est plus rapide que CAN, mais encore Arcnet est capable d'envoyer plus de données par trame transmise.

Néanmoins, des bus de contrôle modernes - comme Ethernet Powerlink - intègrent des trames CAN au sein de trames Ethernet, et améliorent les basses performances du réseau CAN de base, tout en conservant des caractéristiques de l'architecture CAN.

Ce tutoriel sur « Arcnet » représente un bon résumé sur les principales caractéristiques d'Arcnet. Cette présentation a été rédigée par des membres de l'association des utilisateurs. Vous y apprendrez de quoi il s'agit, où cette technologie a bien pu être utilisée, comment elle fonctionne, ce qu'il en est des caractéristiques du protocole et des bénéfices qu'il apportait. De plus, vous y découvrirez des éléments au sujet des anneaux logiques, du détail des trames et de la technique des jetons, des durées de transmissions de messages, de la topologie, des signaux, des micro-contrôleurs et des processeurs utilisés.

Vous pouvez aussi télécharger par ailleurs quelques tutoriels en français sur Arcnet (   ) qui vous proposent des résumés de synthèse sur les technologies employées ainsi que sur l'architecture de ce bus de terrain déterministe.

Ce standard spécifie toutes les fonctionnalités de ce dispositif de communication en tant que bus à jeton.

• Le premier chapitre en présente les capacités, les éléments fondamentaux, la sous couche MAC de gestion du contrôle d'accès aux équipements de communication, la couche physique et les media supportés.
• Ensuite, vous y trouverez les spécifications des formats et des outils : le format des trames, la description des champs, des drapeaux et des registres.
• Vous pourrez y lire les spécifications concernant le protocole, les services, la couche physique, le câblage électrique, les connexions avec la fibre optique et avec les hubs.
• Enfin, vous pourrez y prendre connaissance des recommandations vous permettant de construire un système multipoint équilibré et régulé.

Ce document est un brouillon du standard Arcnet 878.2, qui spécifie un mécanisme de fragmentation des paquets de données. Ces spécifications ont été écrites au début des années 1990. Il semble qu'elles aient été une proposition visant le même but que celui recherché par le protocole standard TCP. Le protocole qui est décrit ici définit plus particulièrement les formats de transmission et les formats de messages. Il a été développé à l'origine sous les auspices des sociétés « Apple computer », « Novell », « Actinet », « Standard Microsystems » et « Pure Data Search ». Ces propositions ont été publiées sous la référence RFC 1201.