Файл: Системы малой автоматизации (О.И. Николайчук, 2003).pdf

Кольцевая организация (рис. 1.1, b и рис. 1.1, с) упрощает взаимообмены между элементами станции и сокращает длину линии связи, но аппаратная реализация и программное обеспечение FW также достаточно сложны из-за особенностей протоколов взаимодействия.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуется соединение типа шина (разомкнутое кольцо). В специальной литературе опубликованы результаты анализа экономической целесообразности применения централизованных и децентрализованных систем управления шиной. Показано, что централизация систем управления экономически оправдана при большой степени территориальной сосредоточенности точек контроля и управления либо при малом их числе. В остальных случаях выгоднее децентрализация управления [12]. Кроме того, DCS с шинной организацией и централизованным доступом имеет минимальную длину линий связи и один координирующий PC, что очень выгодно при построении малых технологических и специализированных систем [14, 24—27].

Следует отметить, что в ранних DCS связь между станциями осуществлялась с помощью различных параллельных многопроводных интерфейсов. Такие системы связи имели высокую стоимость и по мере развития сетевых технологий и протоколов передачи данных были вытеснены системами передачи данных на основе последовательных интерфейсов. В настоящее время DCS практически всегда проектируются на основе LAN с использованием современных сетевых технологий и протоколов.

1.3. Основные понятия о локальных вычислительных сетях

Стандартизация. Локальная вычислительная сеть (LAN) представляет собой, в общем случае, коммуникационную систему, которая принадлежит одной организации и позволяет при помощи единой передающей среды сообщаться друг с другом однотипным или разнородным средствам вычислительной и микропроцессорной техники [18, 28]. Довольно большой промежуток времени, начиная с 1967 года по начало 80-х годов, LAN разрабатывались достаточно бессистемно, хотя отдельные фирмы и создавали ряд стандартов на разработанные ими сети. В 1980 году при IEEE был создан комитет 802 по стандартизации LAN. Стандартизацией сетей больших машин занимался в то время комитет ХЗТ9.5 при институте ANSI.

В результате работ по стандартизации были созданы ряд основополагающих стандартов, приведенных в табл. 1.1.

Однако на этом развитие новых типов LAN и соответствующих стандартов не остановилось и продолжается до сих пор. Кроме того, очень многие современные локальные сети разрабатываются с нестрогим соответствием приведенным стандартам.

Классификация LAN. К настоящему времени существует достаточно много вариантов классификации LAN [29—34]. В качестве классификационных признаков используются: сфера применения, назначение, размеры, трафик, топология, физическая среда, метод доступа к среде и т. д. Мы остановимся только на некоторых, наиболее интересных для нашей темы, классификационных признаках.

По размерам (количеству станций) LAN подразделяются на:

•малые LAN — до 16—20 станций;

•средние LAN — до 32—128 станций;

•большие LAN — до 500 станций;

•очень большие LAN — свыше 500 станций.

По признаку используемой физической среды LAN подразделяются на выполненные с:

•витой парой;

•многожильным кабелем;

•коаксиальным кабелем;

•силовым кабелем;

•волоконно-оптическим кабелем;

•радиоканалом;

•инфракрасным каналом и микроволновым каналом.

По признаку топологии LAN подразделяются на:

•шинную;

•кольцевую;

•звездообразную;

•петлевую;

•древовидную;

•смешанную;

•полносвязную.

Важнейшим классификационным признаком LAN является сфера применения (или функциональная ориентация). По этому признаку LAN подразделяются на сети для: автоматизации управления технологическими и другими производственными процессами; автоматизации делопроизводства; сбора и передачи данных; создания информационных систем ч других автоматизированных систем; специальных применений; автоматизации научных исследований; автоматизации домашнего хозяйства и т. д.

От функционального назначения сети зависят алгоритмы ее работы, состав включаемого (поддерживаемого) оборудования, используемые интерфейсы, выбор среды передачи данных, форматы передаваемых данных, скорости передачи данных, метод доступа станций к сети и многое другое. Некоторые из вышеперечисленных функционально-ориентированных LAN должны работать в режиме

реального времени (т. е. должно гарантироваться время доступа к сети или время выполнения отдельных операций). Режим реального времени необходим при

'управлении технологическими или производственными процессами, в некоторых системах сбора данных, в системах для спецприменений, в системах автоматизации научных исследований. В других LAN временной параметр не является столь критичным, например в системах автоматизации делопроизводства, в информационных системах. Значительно зависит от функционального назначения и состав оборудования. Например, в управляющих системах редко возникает необходимость в подключении к сети стандартной компьютерной периферии и, наоборот, такое требование почти всегда присутствует при создании информационных систем или систем автоматизации делопроизводства.

Очевидно, что и длина передаваемых сообщений также сильно зависит от назначения системы, так, в управляющих системах длина сообщений обычно невелика, а в информационных — наоборот, значительна.

Большинство разработанных и стандартизованных типов сетей относятся к средним и большим. Это, как правило, информационные, делопроизводственные и другие сети общего назначения. Лишь небольшое число существующих типов сетей можно отнести к малым сетям {SAN — Small Area Networks). По приведенной выше классификации под этот термин подпадают малые (до 16—20 станций) и средние (до 32—128 станций) локальные сети.

Малые локальные сети характеризуются меньшей сложностью, стоимостью и иногда функциональной возможностью, чем обычные (большие) локальные сети. Малые локальные сети наиболее целесообразны для небольших производств, учреждений, предприятий, лабораторий, учебных заведений и контор, когда средние и большие сети избыточны, дороги и неэкономичны. Еще чаще они разрабатываются для автоматизации определенного типа территориально рассредоточенного оборудования (в производстве, научных исследованиях, домашнем хозяйстве, изделиях спецтехники, сложных измерительных системах и комплексах) (12—14, 17, 34—39]. Фактически именно SAN, как правило, работают в режиме реального времени, именно они являются не чем иным, как распределенными системами управления (DCS), именно такие системы в последнее время наиболее часто называют системами малой автоматизации.

Очевидной отличительной чертой всех LAN (включая SAN) является наличие непосредственной физической связи между абонентами сети. Другая картина наблюдается в глобальных сетях. По этой причине в глобальных сетях наиболее важной проблемой является проблема маршрутизации сообщений, а локальных сетях — проблема совместного использования общего канала передачи данных.

По методам доступа абонентов к общему каналу локальные сети разделяются на сети со случайным доступом, с детерминированным доступом, с централизованным управлением и с комбинированным доступами [24, 26, 30, 34].

В сетях со случайным доступом все абоненты равноправны и могут выходить на передачу в любое время. Это приводит к возможности появления конфликтов между абонентами при одновременной попытке нескольких из них обратиться к каналу (в силу ошибок программного обеспечения, аппаратных сбоев, помех, аварийных ситуаций). Иными словами, абоненты должны состязаться

за доступ к каналу. Поэтому метод случайного доступа иногда называют методом «состязаний». При этом методе возможно наложение в канале нескольких передач. В настоящее время существует целый ряд способов и алгоритмов минимизации конфликтных ситуаций (коллизий) и механизмов их устранения. Достоинством сетей этого типа является простота управления. Эти сети имеют достаточно широкое распространение. Недостатками сетей со случайным доступом являются: отсутствие гарантии времени доставки сообщения или команды, рост конфликтных ситуаций с увеличением интенсивности потока информации в канале и трудность реализации приоритетного доступа абонента.

От указанных недостатков свободны сети с детерминированным доступом к общему каналу. В этих сетях общий канал распределяется между абонентами в детерминированные моменты времени по некоторым алгоритмам централизованным или распределенным способом. Алгоритм обычно основывается на временном разделении возможности доступа каждого из абонентов сети, т. е. на формировании временных «окон». При этом в каждом временном «окне» канал используется только парой связывающихся друг с другом абонентов. К такому методу доступа относится широко распространенный на практике метод последовательных передач («эстафетный», «жезлов», «маркеров»), при котором доступ к общему каналу предоставляется только тому абоненту, у которого в данный момент находится «маркер». После завершения сеанса связи держатель «маркера» передает его следующей станции. Недостатком этого метода является сложность разработки эффективного алгоритма захвата канала и передачи «маркера». В системах реального времени маркерный метод доступа имеет преимущество перед методом «состязаний». Это связано с тем, что механизм обнаружения и устранения конфликтов вносит в LAN со случайным доступом дополнительные задержки, что в таких системах нежелательно.

Централизованный способ управления каналом используется преимущественно в SAN и некоторых специализированных системах. Он характерен тем, что в сети выделяется один главный узел, который часто называют «мастером» или «диспетчером». Остальные узлы сети имеют статус «ведомого» (пассивный статус). Как правило, они не имеют права по своей инициативе осуществлять доступ к сети, за редким исключением аварийных ситуаций. Диспетчер-узел управляет всеми передачами в сети и контролирует появление коллизий. Достоинствами сетей с централизованным управлением доступом является максимальное упрощение программного и аппаратного обеспечения ведомых узлов. Недостатком, соответственно, — усложнение программного обеспечения диспетчера.

Внекоторых сетях используется комбинированный метод. Например, при малых потоках информации используется случайный доступ, а при больших — один из вариантов детерминированного доступа. В некоторых типах SAN, например командно-информационных, комбинируется метод централизованного управления (в фазе передачи команды) и случайный доступ

ВSAN наиболее часто используется канал со случайным доступом. Существует несколько методов (правил) управления каналом со случайным доступом:

•«асинхронный» базовый метод;

•с синхронизацией путем тактирования моментов начала передач;