Размещено на http://www.allbest.ru/

Функции и программы распределенных АСУ. Физический канал.

Информационный канал

План

• 1. Функции и программы распределенных АСУ
• 2. Физический канал
• 3. Информационный канал
• Контрольные вопросы


1. Функции и программы распределенных АСУ

Основу архитектуры распределенной АСУ составляют функции и программы системы. Функции, реализующие их алгоритмы и программы, расслаиваются по уровням, каждый из которых имеет свое назначение. Самый верхний уровень - прикладной - содержит функции контроля и управления процессом, для которых и создается АСУ.

Функции и программы, находящиеся в состоянии исполнения, принято называть процессами. Прикладные процессы для своего осуществления должны обмениваться данными, и этой последней цели и служат остальные, нижележащие уровни функционально-программной архитектуры. Функции этих уровней будем называть служебными.

Нижние четыре архитектурных уровня предназначены для организации обмена между процессами по сети, а пятый и шестой (снизу) уровни организуют обмен данными между прикладными процессами независимо от места их исполнения, будь то разные или один и тот же процессор.

Принципы архитектуры предполагают независимость решений на каждом ее уровне (при условии соблюдения интерфейсов), а для этого необходимо разделять по уровням также все программные и аппаратурные средства. Однако нынешние системы еще далеки от строгого следования предписаниям слоистой архитектуры. В настоящее время требования архитектуры лучше выполняются при реализации нижних архитектурных уровней. В последних разработках для распределенных АСУ уже стремятся четко разделить аппаратуру по сетевым архитектурным уровням, однако вряд ли можно ожидать в обозримом будущем расслоения аппаратуры по трем надсетевым уровням: по-видимому, функции этих уровней по-прежнему будут реализоваться в основном на одном процессоре с общими ресурсами по вычислениям и памяти.

Подобным же образом устройства связи с оператором и связи с технологическим объектом выполняют функции всех трех надсетевых уровней, в то время как функции сетевых уровней в них выполняют отдельные встроенные блоки. В практику построения распределенных АСУ уже вошли ИМС, реализующие аппаратурным или микропрограммным путем протоколы физического, канального и даже магистрального уровня.

Изложение функций и программ распределенной АСУ здесь ведется «снизу вверх»: оно начинается с нижнего, физического уровня и заканчивается прикладным.

Согласно архитектуре распределенных АСУ процессы на каждом уровне пользуются услугами средств нижележащего уровня. Ресурсы каждого уровня ограничены, в связи с чем необходимо распределять ресурсы между запрашивающими их процессами. Для распоряжения ресурсами применяются программы управления (которые на нижних уровнях могут быть реализованы аппаратурно), обычно входящие в состав операционной системы. Операционные системы для вычислительных сетей чаще всего сами оказываются распределенными между станциями сети. Операционные системы распределенных АСУ характеризуются ниже.

2. Физический канал

Параллельную передачу данных между узлами распределенной АСУ применяют редко и лишь на расстояниях до нескольких десятков метров.

На уровне физического канала определяется закон измерения во времени сигнала в линии; характеризуя этот закон, часто пользуются термином «линейный код», что, по-видимому, методически ошибочно.

При двоичной кодово-импульсной модуляции нулевому и единичному значениям бита соответствуют два различных элемента сигнала. Различают два вида двоичной модуляции; при одном из них сигнал непосредственно переходит от уровня, соответствующего данному биту, к уровню, соответствующему следующему биту, при другом сигнал в промежутке между двумя элементами, соответствующими соседним битам, принимает определенный уровень, который можно считать соответствующим паузе между битами.

Рис.25. Сигналы в линии передачи данных:

а - беспаузный знакопеременный; б - знакопеременный с паузой; биимпульсный;

г - квазитроичный; д - квазитроичный с импульсами, занимающими половину такта; е - беспаузный двухфазный (манчестерский); ж - двухфазный (манчестерский) с паузой;

з - двухфазный (манчестерский) с двумя паузами

В результате модуляции первого вида получают беспаузный сигнал, который нередко называют (опять-таки методически неправильно) кодом без возвращения к нулю (по-английски NRZ - non - return - 1о - 2его). Беспаузный сигнал иллюстрируется на рис. 3.1,а. Бес паузная двоичная модуляция требует меньшей полосы частот в канале, чем модуляция с паузой (рис.25,6), но при ней несколько затрудняется синхронизация приема каждого бита. При передаче по линии видеосигнала существенно отсутствие постоянной составляющей в линии, что облегчает трансформаторную связь передающей и приемной аппаратуры с линией. Отсутствие постоянной составляющей в линии может быть гарантировано только в том случае, когда отсутствует постоянная составляющая в сигнале, соответствующем каждому биту. Такую возможность предоставляют некоторые специальные виды двоичной модуляции, о которых речь пойдет ниже. Одновременно при этом сигнал, как правило, приобретает свойства, позволяющие проверить его правильность при приеме.

В бывшем СССР наряду с безпаузным сигналом в линии передачи данных стандартизованы также биимпульсный (его называют также дифференциальным манчестерским кодом) и квазитроичные сигналы. Каждому биту в линии связи соответствует элемент сигнала, который на каждом такте, отведенном для передачи бита, изменяет уровень в середине такта с и на - и или обратно. При этом при передаче единичного бита уровень меняется также в начале такта, а при передаче нулевого бита уровень сохраняется (рис.25,в). При приеме биимпульсного сигнала считаются ошибочными элементы сигнала, в которых отсутствует переход через нуль; этот переход может использоваться для синхронизации по каждому элементу сигнала при приеме.

Квазитроичный сигнал принимает три уровня значений: и, 0 и - и нулевой бит всегда передается нулевым уровнем, а единичный - уровнем и или - и; при этом знак импульса, передающего единичный бит, всегда изменяется на противоположный по сравнению с предшествовавшим импульсом (рис.25,г). В квазитроичном сигнале допускается также применение импульсов, соответствующих единице, шириной в половину такта (рис.25,д). Хотя постоянная составляющая каждого импульса в квазитроичном сигнале не равна нулю, он практически гарантирует равенство нулю постоянной составляющей н линии.

Знакопеременный беспаузный сигнал на рис.25,а, называемый сигналом низкого уровня, предлагается для синхронной или асинхронной связи со скоростью передачи до 20 кбит/с, биимпульсный - для синхронной связи по 4-проводным линиям на скоростях от 1,2 до 48 кбит/с или выше, квазитроичный - для передачи со скоростью свыше 48 кбит/с. Уровень и на передающей стороне не должен превышать 1 В для скоростей до 72 кбит/с, 2 В для скоростей 72 - 144 кбит/с и 3 В для скоростей свыше 192 кбит/с; при передаче по многопарному кабелю, в разных парах которого передача может идти одновременно, ограничение напряжения составляет 0,4В. На входе в приемный узел уровень сигнала не должен быть меньше 0,02 В для сигнала низкого уровня н 0,1 В для биимпульсного и квазитроичного сигналов; передача по многопарному кабелю повышает допустимый уровень на входе приемного узла до 0,05В.

В зарубежной аппаратуре передачи данных видеосигналами широко применяют двоичный сигнал, называемый двухфазным или манчестерским кодом. Сигнал бита принимает значения обоих уровней u и u, и значение бита передается направлением перехода элемента сигнала с одного уровня на другой. Например, нулевой бит передается переходом от и к - и, а единичный - переходом от - и к и (рис. 25,е). Обычно переход совершается н середине такта, отведенного для передачи бита. Манчестерский сигнал гарантирует нулевую постоянную составляющую и имеет те же достоинства в отношении синхронизации и контроля правильности приема элементов сигнала, что и биимпульсный сигнал.

Наряду с беспаузной формой манчестерского сигнала применяют манчестерский сигнал с паузой. Такт элемента сигнала делится на три равных отрезка (рис.25,ж). Нулевому значению бита отвечает значение -и сигнала на первом отрезке, и на втором и нуль на третьем, а единичному значению и, - и и 0 соответственно.

В магистрали Hiway комплекса ТВС2000 каждый бит передается за 4 мкс двумя импульсами - положительным и отрицательным, чередующимися с паузами (Рис.25,з). Если в каком-либо бите принятого слова нет импульсов обеих полярностей, все слово отбрасывается как ошибочное.

При широкополосной передаче по коаксиальному кабелю в современных локальных сетях пользуются фазовой манипуляцией с плавным изменением фазы (в течение 100 не) между значениями 3,75 и 6,25 МГц, причем рабочая скорость передачи составляет 1 Мбит/с. Такая манипуляция по биимпульсному закону принята в проекте Proway С.

Физические каналы передачи данных в зависимости от того, синхронизируются ли в них элементы сигнала, представляющие биты, делятся на асинхронные и синхронные. В асинхронных каналах каждый элемент сигнала передается в произвольное время по мере его генерации передающей аппаратурой, тогда как в синхронных каналах момент передачи элемента сигнала задается непрерывно работающим тактовым генератором.

В стандарте Proway под линейным протоколом понимаются правила преобразования кадра из формата, принятого для представления внутри станции, в сигналы, передаваемые по каналу связи, и обратного преобразования сигналов в линии в кадр станции. Эти функции возлагаются на специально выделяемый блок линейного перехода.

В подготовленной первой части стандарта Proway устанавливаются лишь функции линейного протокола (или, что то же самое, блока линейного перехода) без указания на способ их выполнения. Это следующие функции:

преобразование уровней и (или) форматов сигнала;

электрическое разделение цепей станции и линии связи;

контроль качества сигнала;

генерирование и детектирование синхронизирующих сигналов;

синхронизация кадра (если она не предусматривается канальным протоколом);

обнаружение состояния линии связи (свободна, занята, неисправна);

синхронизация инициатора, исполнителя и приемника.

Функции физического уровня для локальной сети с состязанием имеют определенные особенности, которые нашли свое отражение в стандарте ЕСМА-81. Магистраль по стандартам ЕСМА строится на коаксиальном кабеле. Передача ведется манчестерским кодом с рабочей скоростью передачи 10 Мбит/с ±0,01 %.

Физический уровень выходит на канальный уровень сигналами, указывающими на поступление из линии очередного элемента сигнала (соответствующего биту), из ошибки в линейном сигнале, на наличие несущей в линии, а также запросом очередного бита, подлежащего передаче. Ошибка в линейном сигнале обнаруживается по повышенному уровню сигнала в линии, например постоянной составляющей. С канального уровня физический уровень получает сигнал каждого бита кадра, подлежащего передаче, сигнал об окончании передаваемого кадра и запрос на передачу данных со станции. Стандарт ЕСМА-81 ограничивает запаздывание в выполнении каждой из функций, выражая допустимое значение числом интервалов между следующими друг за другом элементами сигнала (битами).

На уровне управления физическим каналом нет задачи распределения ресурсов для поддержания связи: эта задача решается, лишь начиная с уровня информационного канала.

3. Информационный канал

В то время как последние из перечисленных задач не связаны с распределением сетевых ресурсов и являются более или менее сходными во всех сетях, установление связи между двумя станциями может предполагать доступ к одному или нескольким физическим каналам. Принцип решения этой задачи имеет фундаментальное значение при построении сети передачи данных. Вместе с тем для установления связи между двумя станциями требуется, чтобы они были готовы к связи, т. е. свободны от других работ, так как установление связи нельзя полностью свести только к доступу к физическому каналу. Тем не менее, сначала выделим процедуры протоколов, выполняемые после получения доступа к физическому каналу, а затем уже рассмотрим вопросы использования физического канала. Заметим, что в архитектуре соединения открытых систем МОС обе рассматриваемые проблемы - установления связи и доступа к каналу - относятся к одному (канальному) уровню, а в архитектуре Proway первая проблема отнесена к канальному, а вторая - к лежащему над ней магистральному уровню.

Задача доступа к физическому каналу отсутствует в сетях радиальной структуры, однако поскольку радиальные каналы являются скорее исключением, нежели правилом в распределенных АСУ перейдем к рассмотрению канальных протоколов магистралей. Параллельная передача данных между станциями применяется в распределенных АСУ в настоящее время все реже, так как ее вытесняет последовательная передача, быстродействие которой существенно повысилось благодаря использованию коаксиального кабеля и волоконной оптики. Параллельная передача сохраняет свое значение лишь как средство связи между устройствами операторского пункта на небольших расстояниях. Канальные протоколы оперируют с логическими элементами, передаваемыми от станции к станции. Таким логическим элементом может быть двоичный разряд (бит) или группа двоичных разрядов (байт). Последний чаще всего содержит 8 битов (тогда он называется о к т е т о м); как правило, при употреблении термина «байт» без оговорки имеют, в виду именно октета. Байт, передаваемый по каналу, состоит из следующих четырех частей (рис. 26):

начального бита;

от 6 до 8 битов данных в зависимости от применяемого кода (чаще всего применяют 8-битовый код А8СП);

бита контроля по четности (не обязательного); одного-двух концевых битов.

Рис. 26. Формат слова при асинхронной передаче данных: Д - данные; К - концевик; НБ - начальный бит; Ч - бит контроля по четверти

Обычно для скорости передачи до 110 брд (10 знаков/с) применяют два концевых бита, а для более высокой скорости - один. Передача байтов может вестись асинхронно, с паузой, произвольной, длительности между байтами, либо синхронно, с фиксированной тактовой частотой. При асинхронной связи начало байта задается начальным битом, который переводит сигнал в линии из состояния 1 в состояние 0, а конец - одним или двумя концевыми битами. После концевого бита линия остается в состоянии 1 до поступления начального бита следующего байта. При синхронной связи обязательна синхронизация на физическом уровне, а счет импульсов, тактирующих биты, позволяет синхронизировать и байты. Если тактовая частота известна приемнику, то принятый сигнал может быть идентифицирован (рис.27). Хотя приемное устройство ожидает синхронного последовательного поступления данных, начало приема должно быть идентифицировано. Этой цели служат один или два синхронизирующих байта. Данные в посылке байта содержат от 5 до 8 битов, которые могут сопровождаться битом контроля по четности. Во время ожидания приемное устройство проверяет каждый поступающий байт, выясняя, не является ли он стандартным синхронизирующим байтом. С момента начала синхронной последовательной передачи данные поступают в линию с заданной скоростью. Если данные, подлежащие передаче, не обновляются с частотой передачи, то передатчик вставляет в передаваемую последовательность синхронизирующие байты до тех пор, пока не появится байт, действительно подлежащий передаче (рис.28).

Асинхронное установление связи начинается с запроса, посылаемого либо с передающей, либо с приемной станции. Кадры, содержащие информацию (данные), передаются сразу же после получения запроса передающей станцией или после ответа о готовности станции к приему.

Рис. 27. Интерпретация битов при синхронной передаче данных

Рис. 28. Формат канальных кадров синхронной передаче: Д - данные; СИН - синхронизирующая посылка

Контроль правильности переданного кадра на канальном уровне производится почти исключительно с помощью циклического избыточного кода. Значения циклического (п, k) кода образуются сочетанием строк так называемой производящей матрицы, последние же получаются из некоторой производящей комбинации, содержащей п двоичных разрядов, путем 1с циклических перестановок. Циклический код принято описывать многочленом степени n^-1.

где _i равен 0 или 1 в зависимости от значения i-го разряда кода.

Последний, 20-й бит каждого кадра служит для контроля кадра на канальном уровне по четности.

В магистрали Hiway комплекса ТDС-2000 применяются два формата кадра фиксированной длины 31 бит: для команд и для кадров с данными. Команда указывает операцию, подлежащую выполнению, станцию и адрес в памяти станции. Кадр с данными имеет поля: кода операции (биты 2 - 4), адреса источника (биты 5 - 10), данных (биты 11 - 26) и проверочных символов (биты 27 - 31). Контроль достоверности ведется с помощью 5-разрядного кода Бозе-Чаудхури-Хокенгема (БЧХ), обнаруживающего кратные ошибки в кадре.

Среди бит-ориентированных канальных протоколов наибольшее распространение, как в вычислительных сетях, так и в сетях АСУ получил протокол HDLC (High-1еvеl Data Control - управление каналом передачи данных на верхнем уровне), принятый как стандартный МОС, МЭК в составе стандарта Proway и МККТТ.

На подуровне логического управления каналом выдается запрос на передачу канального кадра. Здесь адреса получателя и источника канального уровня соединяются в соответствующий формат и передаются на кадровый подуровень. После выдачи подуровнем логического управления запроса на передачу кадровый подуровень строит кадр из спускаемых ему данных, добавляя в случае необходимости значащие байты («балласт»), чтобы кадр не оказался меньше минимально установленной длины 64 байта.

При приеме кадровый подуровень проверяет, относится ли адрес поступающего кадра к данной станции, и если это так, то он пропускает содержательную часть кадра на подуровень логического управления каналом, где правильность приема контролируется по циклическому избыточному коду с генераторным полиномом

х³²+х²⁶+х²³+х²²+х¹⁶+х¹Чх¹¹+х¹⁰+х¹⁰+х⁸+х⁷+х⁵+х⁴+х²+х+1,

а также по тому, целое ли число байтов содержится в кадре. Если принятое сообщение признается верным, генерируется соответствующий код состояния.

Прием при конфликте идет независимо от того, обнаружена ли ошибка в сигнале. Однако принятые в этом случае кадры всегда короче самого короткого правильного кадра в 64 байта и отбрасываются на подуровне управления линией связи.

Формат кадра по стандарту ЕСМА-82 показан на Рис.29, где слева от соответствующего поля указана его длина в байтах.

Преамбула, представляющая собой серию битов, вводится канальным уровнем в начало каждого кадра, передаваемого в линию, с тем, чтобы цепи станции успели войти в стационарный режим. В качестве преамбулы пользуются байтом 10101010 (первой передается единица, записанная слева), который повторяется 8 раз. Флаг начала информационного поля - байт 10101011.

Рис.29. Формат кадра по канальному протоколу ЕСМА-82

Считается, что на окончание концевика кадра нужно отвести от 3,5 до 5 периодов частоты следования элементов сигнала в линии. В [7] отмечается, что в магистралях можно упростить обмен между станциями, если в заголовке кадра будут содержаться два адреса: передающей и приемной станций.

Рис.30. Формат кадра по канальному протоколу согласно [7]:

ЛИ - адрес источника; АП - адрес получателя; Д - данные; ДЛ - длина кадра; КД - поле контроля данных; КЗ -- поле контроля заголовка; СИН -- синхронизирующий байт; УК -- поле управлений канального уровня; УС - поле управления сетевого уровня

Учитывая это и другие факторы, связанные с требованиями АСУ в [7] предложен канальный протокол, рассчитанный на промышленные АСУ, где велика вероятность появления ошибок при передаче по линии связи. На канальном уровне предлагается подтверждать правильный прием кадра.

Формат кадра предлагаемого протокола показан на Рис.30.

На канальном уровне формируется флаг, отмечающий начало кадра, собирается заголовок и генерируется циклический избыточный код, позволяющий обнаруживать ошибки. При обнаружении ошибки в заголовке кадр игнорируется, если же ошибки нет, то принятый заголовок сразу же подвергается обработке, а тем временем собирается и проверяется часть кадра, содержащая данные. На канальном уровне применяются два типа кадров - информационные и командные. Для обработки кадров в соответствии с процедурой, иллюстрируемой упрощенной схемой рис.31, служит поле управления кадра, показанное на рис.32.

Рис. 31. Диаграмма канального протокола:

А=1 - кадр содержит подтверждение; L=1 - принят кадр из канала; М=1 - новый кадр для передачи с сетевого уровня

Рис. 32. Поле управления кадра, изображенного на рис. 30:

КК - признак командного кадра; ПК - признак подтверждения команды; Р - команда; I - признак информационного кадра; К - номер ответного кадра; Т - номер передаваемого кадра

Информационный кадр (1=1) содержит информацию для более высоких уровней сетевой архитектуры вплоть до прикладного уровня. В нем содержится порядковый номер кадра Т, который изменяет свое значение с 1 на 0 или обратно с каждым новым кадром: если число неподтвержденных кадров не может превышать одного, то принципиально достаточно для нумерации кадров одного бита (четный или нечетный кадр). Номер Т сравнивается на приемной станции с ожидаемым порядковым номером кадра. Когда прием информационного кадра подтверждается, принятый порядковый номер кадра Т передается в поле порядкового номера ответа К, а бит 1А, подтверждающий прием информации, в исходящем заголовке обращается в 1.

По возможности это подтверждение сочетается с передачей новой информации, ожидающей своей очереди. Когда приходит кадр с подтверждением правильного примера, т.е. с

IА=1 и R=LТ,

где LТ - порядковый номер последнего переданного кадра, буферная память, занятая подтвержденным кадром, освобождается.

Командные кадры (С=1) служат для приведения в определенное состояние информационного канала, а возможно, и всей системы связи на станции. Эти кадры всегда должны приниматься, чтобы не нарушался контроль номеров информационных кадров, но они построены таким образом, чтобы их повторение не сказывалось на работе канала. Команда, помещенная в поле Р, выполняется только на конечной станции назначения. Принятые команды подтверждаются установкой значения СА=1, и в каждый момент времени может выдаваться только одна команда. Очевидно, что биты С и 1 не могут одновременно равняться единице, но оба могут быть равны нулю. Протокол предусматривает четыре команды, хотя для целей диагностики и проверки состояния этот набор может быть расширен.

Канальный протокол магистрали РDV, разработанной специально для АСУ внес в протокол HDLC полезные для АСУ усовершенствования.

Кадр в магистрали PDV строится из 8-битовых полей четырех типов: А - адресного, Р - функционального, 8 - контрольного и D -данных. В начале и в конце каждого кадра передаются синхронизирующие знаки (SYN).

Особенность формата кадра PDV заключается в том, что в заголовок наряду с адресным и функциональным полями введено также контрольное поле. Это позволяет проверять адрес и команду до начала передачи данных, что особенно полезно при передаче длинных сообщений, и допускает аппаратурную реализацию контроля.

Форматы кадров РDV показаны на рис. 33.

Рис. 33. Форматы канальных кадров по проекту РDV:

а - командный кадр; б - информационный кадр; А - адрес; D - данные; F - функциональное поле; 8 - поверочный байт; S - поверочный байт; SYN - синхронизирующий байт

Каждый шаг обмена по магистрали РDV состоит из команды и ответа; ответа не требуют только команды по групповым адресам.

Станция, устанавливающая связь по магистрали РDV посылает другой станции кадр с командой о передаче или приеме данных. Заголовок кадра содержит адрес, команду и контрольный байт. В адресное поле кадра помещается главный адрес вызываемой станции: это тот же адрес, который ставится затем в адресном поле ответного кадра. Если 8 битов не хватает для прямой адресации, возможно расширение адреса введением дополнительного адресного поля АI. Дополнительный адрес в ответный кадр не включается.

В стандарте Prowау устанавливается, что канальный протокол этой магистрали для промышленных АСУ должен решать следующие задачи: преобразование параллельных кадров в последовательные (при передаче) и последовательных в параллельные (при приеме); введение и исключение знаков синхронизации кадра; обнаружение ошибок в синхронизации кадра; обнаружение ошибок в формате кадра; распознавание кадров, адресованных данной станции; установление необходимой выдержки времени перед началом передачи со станции; генерирование и контроль кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки, в целях обеспечения высокой достоверности данных; обеспечение эффективной работы с кадрами магистрали, длина которых колеблется в широких пределах (например, от 2 до 1024 байт); переключение в случае необходимости на резервный физический канал связи.

К удовлетворению всех этих функциональных требований в настоящее время близки проект РDV, а также новые проекты Proway.

двоичный модуляция автоматизированный распределенный

Контрольные вопросы

1. Как принято называть функции и программы, находящиеся в состоянии исполнения? [Л.7, 66-67].

2. Расскажите о принципах архитектуры. [Л.7, 66-67].

3. Почему редко применяют параллельную передачу данных между узлами распределенной АСУ [Л.7, 67-68].

4. Сколько видов различают в двоичной модуляции? [Л.7, 68-69].

5. Что такое манчестерский код? [Л.7, 68-69].

6. Объясните асинхронные и синхронные передачи данных в физических каналах. [Л.7, 69-72].

7. Имеется ли задача распределения ресурсов для поддержания связи на уровне управления физическим каналом? [Л.7, 72-74].

8. Опишите задачи, решаемые на уровне информационного канала. [Л.7, 74-75].

9. Проиллюстрируйте интерпретацию битов при синхронной передаче данных. [Л.7, 75-78].

10. Какие задачи должен решать канальный протокол в стандарте Ргоwау? [Л.7, 79-84].

Размещено на Allbest.ru