Мережна архітектура АСК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мережна архітектура АСК

Процес передачі інформації - це комплекс алгоритмічних процедур, а також програмних і апаратних засобів, які забезпечують обмін даними між абонентами, із задоволенням конкретних вимог щодо вірності, швидкості, економічності та безпеки цього обміну. Обмін інформацією в АСК підприємства забезпечується через локальну мережу з певними внутрішніми та зовнішніми зв'язками та закономірностями їх функціонування (стандартами). Локальна мережа (ЛМ) - комп'ютерна мережа у межах певної будівлі або території для обмеженого кола користувачів. Це визначення не є однозначним, тому що є мережі, які забезпечують зв'язок на декілька десятків кілометрів, разом з тим комп'ютери, що зв'язані кабелями певного інтерфейсу або інфрачервоним каналом, не належать до локальних мереж. ЛМ складається з певної кількості абонентів (вузлів, станцій), які беруть активну участь в інформаційному обміні, абоненти мережі, такі як сервер, робочі станції, файлові сервери. Сервером називають вузол мережі, що надає свої ресурси іншим абонентам, але сам не використовує їх ресурси, він обслуговує мережу. Повноцінними абонентами мережі можуть бути не лише комп'ютери, але й інші пристрої, такі як колективні принтери, сканери, плотери.

При поєднанні локальних мереж з однаковою операційною системою використовують маршрутизатор. Для обміну даними між ЛМ з різними ОС необхідні шлюзи. Мережі можуть бути однорангові або з виділеним сервером. Для приєднання комп'ютера до мережі потрібен мережний адаптер, який забезпечує зв'язок між фізичним кабелем мережі та операційною системою комп'ютера. Для реалізації зв'язку між комп'ютером і мережею використовують певні правила, які називають протоколом [8. 29]. Протокол визначає алгоритм передачі повідомлень, фізичний рівень сигналів, їх послідовність, склад службової інформації в повідомленнях.

Комп'ютерні мережі вирізняються своєю архітектурою, під якою розуміють складові та функціональні відмінності апаратно-програмної будови [25]. Складовими елементами мережної архітектури є:

- обчислювальна система, яка характеризується типами застосовуваних процесорних елементів і вузлів для виконання різних етапів обробки даних, пропускною здатністю обчислювальних блоків, часом реакції на вхідні дані, типами, розміром і організацією пристроїв пам'яті, застосованим програмним забезпеченням, моделлю обробки даних, алгоритмами обробки;

- комунікації, що характеризуються особливостями потоків даних у системі, протоколами обміну даними, пропускною здатністю передачі даних та часом реакції, використовуваними шинами, інтерфейсами всередині системи, зовнішніми інтерфейсами, фізичним середовищем передачі інформації - магістраллю. Магістраль - одна із важливих та вартісних частин локальної мережі, оскільки через неї проходить значна частина трафіка (обсягів інформації, що передається у межах мережі) мережі. Параметри магістралі впливають на всі складові технічного забезпечення;

- додаткові компоненти, які містять у собі характеристики програмного забезпечення, параметри конструктивів системи.

Відмінними ознаками ЛМ є:

- висока швидкість передачі інформації та висока пропускна здатність мережі;

- високоякісні канали зв'язку;

- ефективний, швидкодіючий механізм керування обміном через мережу;

- визначена кількість комп'ютерів у мережі.

Визначальне значення для організації передачі інформації у ЛМ має лінія зв'язку - фізичне середовище між передавальними і приймальними пристроями, за якою здійснюється передача сигналів. Це можуть бути електропроводи, коаксіальні кабелі, НВЧ-хвилеводи, відкриті або закриті оптичні, електромагнітні, акустичні середовища і т.д. Сукупність приймально- передавальних пристроїв та лінії зв'язку утворюють канали зв'язку. Це означає, що з використанням однієї лінії зв'язку може бути утворено безліч каналів зв'язку.

Для забезпечення віддаленого доступу в локальних мережах використовують кабельні лінії та радіоканали. Щодо надійності передачі, вартості, обсягу мережного трафіка магістралі у мережі можуть використовуватись:

- невита пара - сигнал передається по наявних лініях зв'язку, наприклад, телефонного. Це найдешевший варіант, проте незахищений від електромагнітного впливу і може прослуховуватись на відстані у декілька сантиметрів без прямого контакту;

- вита пара - два перевитих мідних ізольованих провідники, у яких присутня незначна захищеність від електромагнітного впливу. Сигнал зовні слабший, але також легко прослуховується, тому така магістраль використовується там, де немає значних електромагнітних випромінювань і характер інформації не вимагає високої конфіденційності;

- коаксіальний кабель - де центральна мідна жила ізольована і заекранована і лише "просушування" плетеної оболонки екрана дозволяє увійти в контакт для прослуховування. Така магістраль значно дорожча, проте повністю захищена від промислових електромагнітних впливів і може використовуватись у промислових будівлях;

- оптичний кабель - складається із багатьох скловолоконних жил, по яких інформація передається у вигляді оптичного сигналу. По оптокабелю може одночасно передаватись значний обсяг інформації, яка зовсім нечутлива до електромагнітних впливів. Для передачі інформації від оптокабеля до комп'ютера необхідне перетворення оптичного сигналу на електричний, що значно підвищує вартість такої мережі. Для прослуховування передачі через

оптокабель необхідне спеціальне складне обладнання і підключення вимагає роз'єднання кабелю, що можна контролювати. Такі магістралі в локальних мережах використовують за необхідності передачі великого трафіка та надійного захисту інформації.

Безпровідні канали зв'язку - радіозв'язок (у тому числі Bluetooth), інфрачервоний оптичний - не дають захисту від прослуховування, тому для конфіденційної інформації використовують захист її шифруванням. Тільки радіозв'язок дозволяє передавати інформацію через безпровідні канали на значні відстані.

Вибір конкретної технології магістралі ЛМ визначається обсягом трафіка, протоколами локального рівня, вартістю, вимогами щодо захисту інформації [23, 30]. У рамках локальної мережі можуть одночасно використовуватись різні канали передачі.

У рамках ієрархії автоматизованих систем управління підприємств, які використовують локальні мережі, сімейства існуючих локальних мереж розподіляють за рівнями використання.

Мережі 1-го рівня орієнтовані на високоінтелектуальні прикладні задачі: передачі зображення, мови із значними обсягами та швидкостями передачі (High-Speed LAN) [30]. У мережі АСК ТЛ вони можуть використовуватись як базові. Такі мережі мають високу вартість через використання оптоволоконних ліній із широкою смугою передач.

Мережі 2-го рівня також досить швидкісні (до 50 Мбіт/с), з радіусом передачі до 2,5 км, але дешевші за рахунок використання коаксіального кабелю. локальний мережа операційний архітектура

Мережі 3-го рівня належать до дешевих за рахунок використання односмугових технологій із використанням екранованих ліній, витих пар і недорогих коаксіальних кабелів. Швидкість передачі мереж лежить у діапазоні 9,6-2,5 Мбіт/с. Відстань передачі також до 2,5 км.

Локальні мережі також вирізняються топологією, методом і способом передачі сигналів, способами живлення і захисту передач. Придатність мережі для конкретної задачі значною мірою залежить від вибору топології цієї мережі. Топологія - це теоретична конструкція, що передає форму і структуру (конфігурацію) ЛМ. Топологія може описуватись як з фізичної, так і з логічної точки зору. Фізично топологія характеризується стилями об'єднання головних компонентів системи, кількістю і положенням пристроїв обробки, конструктивним виконанням, використанням убудованих засобів настроювання, самотестування, аварійного відновлення. Логічна топологія описує можливі з'єднання між парами кінцевих точок ЛМ, що здатні взаємодіяти.

Найбільш поширена у локальних комп'ютерних мережах шинна топологія, орієнтована на комп'ютерну шинну структуру. Існує декілька способів об'єднання комп'ютерів мережі за шинною топологією, серед яких найбільш поширені топології зірка (star), загальна шина (bus), кільце (ring) (рис. 3.5). Кожна топологія мережі накладає низку умов на протоколи з'єднання, а іноді на тип кабелю та спосіб його прокладання. Різні типи кабелів сполучаються з різними типами мережних плат. Характер зв'язків комп'ютерів з кабелем визначає ступінь відмовостійкості мережі, метод керування обміном інформацією, тому іноді ці властивості називають топологією керування обміном, інформаційною топологію.

Рисунок 3.5 Поширені топології комп'ютерних мереж

У топології кільце дані передаються від комп'ютера до комп'ютера як би по естафеті, на шині - всі комп'ютери на одному кабелі, а у зірці кожний комп'ютер увімкнений окремим кабелем до об'єднуючого пристрою - концентратора (hab). У межах великої будівлі, території топологія має змішану структуру, поєднуючи різні види (star ring). Локальні мережі різної топології можуть бути об'єднані у єдину мережу із загальною шиною. Шинні мережі розподіляють за методами:

- мультиплексування - із частотним та часовим розподілом. Перехід на оптичний кабель у мережі дозволяє передавати із частотним розподілом одночасно велику кількість сигналів;

- передачі - синхронні (двосторонні) та асинхронні (односторонні по черзі);

- доступу до шини - довільний або керований за певним алгоритмом;

- керування шиною - централізоване або децентралізоване;

- способу передачі - шини паралельні та послідовні.

Паралельні шини забезпечують одночасну багатобітову передачу інформації, проте вимагають багатоканальної магістралі. Найбільш широко використовуються паралельні шини у внутрішній структурі комп'ютеризованих робочих місць - між вузлами системного блока, між системним блоком і монітором, у контролерах відкритих модульних систем керування, наприклад, на діагностичному стенді, де передача і обробка інформації по 16-32 біти найбільш проста і швидка. Поширені паралельні 32-розрядні інформаційні та 24- або 32- розрядні адресні лінії. При мультиплексній роботі адреси і дані можуть передаватись по одних лініях. Серед паралельних шинних топологій поширені VMEbus, EISA та інші, у яких операції передачі та доступу до середовища передачі розподілені по окремих лініях. Недоліком паралельних шин є низька відстань передачі інформації.

Послідовні шини використовують для організації локальної мережі між комп'ютерами, де необхідні мережні мости сягають довжини інколи до 2 км. При таких відстанях послідовні шини більш дешеві й достатньо ефективні, дані передаються асинхронно ланцюгами біт. Це найбільша група шин, по якій передаються як аналогові, так і цифрові дані. У міру часткової передачі обчислювальних функцій до польових функцій відбувається процес їх інтелектуалізації, що, у свою чергу, призводить до пріоритетного розвитку цифрових промислових мереж.

Для задач промислового управління впроваджуються промислово орієнтовані мережі кільцевої топології типу CAN-мереж чи послідовні типу Modbus Pius. Такі мережі також використовують у мікропроцесорних системах сучасних транспортних засобів. На сьогодні різними виробниками створено сотні типів цифрових промислових мереж (ЦПМ), орієнтованих під окремі завдання або пристрої. їх технічні й цінові характеристики настільки різні, що зробити вибір для конкретної задачі непросто [25].

Спрямованість обміну даними визначає вибір між симплексним, дуплексним або напівдуплексним режимами.

Для доступу комп'ютера до мережі використовують декілька методів обміну даними. На практиці найширше використовуються два методи надання шини користувачу: за фіксованим розкладом та за запитом. У першому випадку шина послідовно надається кожному вузлу мережі на максимально можливому відрізку часу, незалежно від того, чи потрібна йому шина на даний момент, чи ні (мережі із передачею маркера). При використанні другого методу шина надається одному з тих вузлів, які вимагають доступу, на основі аналізу всіх пріоритетів (Ethernet CSMA/CD). Для отримання шини при одночасному запиті декількох вузлів може знадобитись декілька повторних запитів. У деяких мережах, наприклад CAN, для розв'язання конфлікту використовується метод порозрядного порівняння 13 біт стандартного формату запиту або 33 біт розширеного формату.

Також існують режими обміну даними, які вибираються залежно від конкретних умов. Режим "Ведучий - ведений (підпорядкований)". При такому режимі один із вузлів ЦПМ є ведучим, який послідовно опитує всі підпорядковані вузли. Залежно від змісту команди підпорядкований вузол або виконує подану команду, або передає (повертає) поточні дані до підключеного кінцевого пристрою. Так працюють більшість мереж PROFDBUS.

Режим "Клієнт-сервер". Такий режим подібний до попереднього, є сервер і декілька клієнтів, але разом з тим функції клієнта і сервера можуть розміщуватись на одному вузлі, як, наприклад, реалізовано у мережі Foundation Fieldbus.

Режим "Підписка". У такому режимі вузол, якому регулярно потрібна будь-яка інформація, "підписується" на її отримування з іншого вузла і отримує її регулярні розсипки без додаткових запитів. При такому режимі можливе циклічне розсиллання через деякий проміжок часу або тільки при зміні інформації. Такий режим також реалізовано у мережі CAN і Foundation Fieldbus [29].

Передача даних по магістралі регламентується певними правилами - мережними протоколами. Протоколи визначають формат, спосіб синхронізації, порядок передачі, методи обробки помилок та ін. Передача інформації між комп'ютерами розбивається на декілька кроків, де кожний крок виконується за певними правилами за допомогою спеціальних пристроїв - концентраторів. Інтенсивність потоків даних у різних сегментах мережі різна, тому оптимальним є вибір швидкості при передачі залежно від інтенсивності потоку. Узгодження швидкостей роботи каналів між сегментами мережі забезпечують комутатори або маршрутизатори, що обробляють трафік із буферизацією пакетів.

При виборі стандарту для побудови просторово-розподіленої мережі систем замовник повинен проаналізувати та сформувати технічні вимоги до мережі з урахуванням таких параметрів:

- просторові розміри мережі та відстань передачі інформації;

- раціональна топологія мережі та довжина повідомлень;

- забезпечення гарантованого часу терміну доставки повідомлення;

- достовірність і надійність передачі інформації;

- простота використання та можливості щодо нарощування мережі стандартизованими рішеннями та уніфікованим обладнанням;

- наявність у вибраному стандарті передачі якомога можливо більшої кількості рівнів із прийнятої моделі відкритих мереж;

- просте (дешеве) фізичне середовище передачі, спосіб живлення компонентів та оптимальне співвідношення можливості/ціна;

- засоби захисту інформації.

ЛМ має і низку суттєвих недоліків, на які слід звертати увагу. Перш за все це значні матеріальні затрати на мережне устаткування, прокладання магістральних кабелів. Також необхідна робота кваліфікованого фахівця (адміністратора мережі), що буде займатись контролем роботи мережі, її модернізацією, керуванням доступом до ресурсів, захистом інформації, усуненням несправностей. Мережа обмежує можливості переміщення комп'ютерів, що пов'язано із прокладкою кабелів. ЛМ також являє собою середовище для поширення комп'ютерних вірусів, тому захисту потрібно приділяти якомога більше уваги.

Размещено на Allbest.ru