Интерфейсы и протоколы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Интерфейсы и протоколы

Физическая структура.

Физическая структура распределенной АСУ образуется соединением терминальной аппаратуры, связывающей АСУ с технологическим объектом и с людьми, управляющими процессом, и аппаратуры передачи и обработки данных.

Информация извне, от технологического процесса или человека-оператора, воспринимается аппаратурой, установленной непосредственно на объекте или на пункте управления. Точно так же непосредственно на объекте или на пункте управления устанавливается аппаратура, выводящая управляющее воздействие или информацию для контроля. Каждое место установки аппаратуры, связывающей АСУ с внешними для нее объектами, назовем терминальным узлом. Остальные узлы физической структуры будем называть внутренними. Узлы физической структуры соединяются между собой ветвями, образуя сеть. Физически ветви реализуются с помощью каналов связи. Узлы, содержащие процессоры и соединяющие их ветви, образуют базовую сеть, а терминальные узлы и ветви, соединяющие их с базовой сетью, терминальную сеть. В последнюю могут входить также мультиплексные узлы, где размещается аппаратура, выполняющая поочередное подключение терминальных узлов к базовой сети.

Терминальная сеть присутствует в АСУ любой физической структуры, базовая же сеть характерна для распределенных АСУ. В АСУ с централизованной физической структурой базовая сеть вырождается в единственный узел. сеть автоматизированный управление

По ветвям базовой сети данные всегда передаются в цифровой форме, тогда как сигналы в ветвях терминальной сети имеют цифровую либо аналоговую форму в зависимости от принципа действия терминальной аппаратуры комплексных узлах. Линию связи, по которой данные передаются в цифровой форме, называют также линией передачи данных.

Рис.4. Сети ЭВМ и передачи данных распределенной АСУ:

АС 1 - АС 3 - адаптеры связи; АЦП 1, АЦП 2 - аналого-цифровые преобразователи; Д 1 - Д 5 - датчики; ДС 1, ДС 2 - дисплеи; ИМ 1 - ИМ 3 - исполнительные механизмы; МПД - магистраль передачи данных; ПР 1 - ПР 3 - процессоры, ПУ - печатающее устройство; ЦАП 1 - ЦАП 3 - цифро-аналоговые преобразователи

Рис.5. Радиальная структура сети передачи данных:

а - общий вид; б - звезда; УО - У 5 - узлы

Если линия передачи данных базовой сети используется для связи только тех двух устройств, которые она непосредственно соединяет, то образуемый ею физический канал связи будем называть каналом парной связи. Пример базовой сети с парными связями показан на рис.5,а.

Рис.6. Цепная структура сети передачи данных.

а - разомкнутая структура; б - кольцо; У 1 - У 4 - узлы

То функциональное устройство узла, через которое данные проходят из узла в сеть или из сети в узел, называется ортом. Для парной связи должен выделяться порт, поэтому для того чтобы можно было построить сеть с парными связями, необходимо располагать для применения в базовой сети аппаратурой, снабженной несколькими портами.

Одним весьма распространенным видом структуры с парной связью является радиальная структура, или звезда (рис.5,6). В этой структуре один узел, обозначенный УО - центральный, а остальные п - периферийные. Периферийным узлам достаточно иметь по одному порту, в то время как центральный должен иметь п портов.

Иногда специально выделяют структуру, в которой каждый узел соединен каналом парной связи с каждым из остальных узлов сети, - так называемую структуру с полными перекрестными связями.

Частным случаем структуры с парными связями можно считать цепную или каскадную, структуру, которую иногда выделяют в особый класс. В этой структуре, представленной на рис.6,а, каждый узел, кроме двух оконечных, снабжен двумя портами. Если данные передаются не между соседними узлами, например от У 1 к У 4,то все узлы, лежащие на пути между передающим и приемным, являются транзитными: в них возможно промежуточное восстановление передаваемых сигналов.

Рис.7. Двойное кольцо:

а - исходная структура; б - реконфигурация при отказе узла У 4; У 1-У 6 - узлы

Рис.8. Кольцо с двойным плетением

Весьма часто цепную структуру замыкают в кольцо (рис.6,б). При этом также возможна передача данных в обе стороны, хотя чаще всего она ведется всегда в одном направлении, как это показано стрелками на рис.6,б.

Для повышения надежности сети применяют двойное кольцо (рис 7,а). Каждая пара соседних узлов кольца соединена двумя ветвями - рабочей и резервной. В случае нарушения передачи данных по какой-либо рабочей ветви в рабочее кольцо вводится соответствующая резервная ветвь. Другой способ восстановления двойного кольца, названный самоизлечением, пригоден в случае отказа аппаратуры узла. Он заключается в том, что данные, дойдя до последнего сохранившего работоспособность узла, направляются обратно по ветвям резервного кольца (рис.7,б). В США выдан патент на кольцо передачи данных специальной структуры, повышающей надежность сети (рис.8). Структура, названная двойным кольцом с плетением, состоит из двух колец: в одном из них ветви последовательно проходят через все узлы, а второе кольцо как бы сплетено из двух ветвей, из которых первая проходит через все нечетные узлы, а вторая - через все четные. Если аппаратура одного из узлов выходит из строя (например, исчезнет электропитание в данном узле), то узел можно обойти по ветви, не проходящей через отказавший узел.

В отличие от структуры с парными связями, магистральная структура характеризуется тем, что в ней все узлы соединяются одной непрерывной линией передачи данных, последовательно обходящей все узлы сети (рис.9,а) и соединяющейся с каждым узлом через один его порт. В целях повышения надежности магистраль часто замыкают в кольцо, которое в отличие от кольца цепной структуры будем называть петлей. (рис.9,б). Передача по магистрали ведется в любом направлении.

Рис.9. Магистральная структура сети передачи данных:

а - разомкнутая структура; б - петля; У 1 - У 4 - узлы

В настоящее время магистральные структуры следует считать перспективно преобладающими в АСУ, что нашло свое выражение в рекомендациях МЭК по магистрали Ргоwау.

Для повышения быстродействия иногда применяют расщепление магистрали. Каждый узел имеет по одному входному и по одному выходному порту (рис.10,а). Магистраль расщеплена на две шины; к одной из них, принимающей данные, присоединены все выходные порты узлов, к другой, выдающей данные,- все входные порты. Данные из приемной в передающую шину поступают через контроллер магистрали КМ, называемый иногда модификатором шины. Здесь также применяют петлевые структуры (рис.10,б).

Рис.10. Расщепленная магистраль:

а - разомкнутая структура; б - петля; КМ - контроллер магистрали; У 1 -У 3 - узлы

Оригинальна физическая структура сети передачи данных: Строится матрица из магистралей, и каждый узел соединяется с двумя магистралями - горизонтальной и вертикальной (рис.11). Аппаратура узла связана с магистралями интерфейсным блоком, который может соединять между собой подходящие к узлу магистрали, так что цепь передачи данных между парой узлов может состоять из двух или даже большего числа горизонтальных и вертикальных магистралей.

В последние годы проявляется тенденция к усложнению физической структуры сетей АСУ. Так, например, предложена физическая структура переменной конфигурации. В зависимости от управления, организуемого сетевым протоколом, отдельные отрезки сети могут представлять собой либо магистраль, либо цепную структуру.

Принцип присоединения аппаратуры станции к каналам связи показан на рис. 1.12. При замкнутом ключе К отрезок линии связи между станциями i - 1 и i+1 является магистралью, а при разомкнутом - цепью.

Рис.11. Матрица магистралей: У 1- У 3-4 - узлы

Рис.12. Присоединение станции к сети передачи данных по цепной или магистральной структуре:

К - ключ; ПерЛБ - передающий линейный блок; ПрмЛБ - приемный линейный блок

Рис.13. Структурные графы сетей радиальной и цепной структур

Физическую структуру любой системы, состоящей из отдельных устройств, можно описать ориентированным графом, в котором каждому устройству будет соответствовать вершина, а средствам передачи сигналов или воздействий от одного устройства к другому - дуга. Обозначим этот граф как GА= (Х, У), где Х - множество вершин, а У - множество дуг, и назовем его аппаратурнымм графом.

Для того чтобы отразить структуру распределенной АСУ, введем другой граф, который назовем структурным. В этом графе Gs= (V, W), где V - множество вершин, а W - дуг, вершина соответствует узлу сети распределенной АСУ, а дуга - ветви между узлами. Очевидно, что граф Gs может быть получен из GA стягиванием в одну вершину всех вершин GA, которые отвечают устройствам, находящимся в одном узле. Структурные графы, описывающие структуры на рис.5,а, 6,б, 7,а, 8, приведены на рис.13,а - г соответственно. Ветви направленной связи отображены в структурных графах рис.13 дугами (со стрелками), ветви двусторонней связи - ребрами (без стрелок).

Для отображения структурным графом топологии магистральной структуры в него приходится вводить специальные вершины, соответствующие не узлам сети, а местам при соединения узлов к магистрали. Полученные таким образом структурные графы для сетей на рис 9,а, б, 10,б, 11 приведены на рис.14,а - г соответственно.

Для построения распределенных АСУ производители выпускают комплексы аппаратурных средств, оснащаемые широким набором программ, так что вернее говорить о программно-аппаратурных комплексах для построения распределенных АСУ. Некоторые из них описываются в 9 и 10 лекциях. Здесь же рассмотрим физическую структуру распределенных АСУ, реализуемых из современных программно-аппаратурных комплексов, с учетом распределения прикладных функций между узлами.

Рис.14. Структурные графы сетей магистральной структуры

Основной единицей аппаратуры современного комплекса является станция - оформленный в единой конструкции набор устройств, присоединяемый к сети АСУ, как правило, с одним сетевым адресом; таким образом, это широко принятое понятие аппаратурной станции согласуется с понятием логической станции, введенным выше. Станции предназначаются для выполнения операций, реализующих прикладную функцию определенного класса.

Типичная физическая структура распределенной АСУ показана на рис.15. Место выполнения операций регулирования и управления, т. е. для функций класса "объект - объект", целесообразно приблизить к процессу; для реализации этих операций служат локальные станции. Эти станции соединяются, с одной стороны, с сетью передачи данных АСУ, а с другой - непосредственно с датчиками и исполнительными механизмами процесса. В локальных технологических станциях выполняется и ряд операций, участвующих в прикладных функциях классов "объект - оператор", "оператор - объект" и "обьект - архив" первичная обработка данных о процессе и преобразование управляющего воздействия в форму, воспринимаемую исполнительными органами.

Рис.15. Типичная физическая структура распределенной АСУ:

ВЗУ - внешнее запоминающее устройство; Дс - дисплей; КС - координирующая станция; ЛС - локальная станция; ОпС - операторская станция; ПУ - печатующее устройство

Прикладные функции класса "объект - объект", относящиеся не к какой-либо части, а к процессу в целом, выполняются на станциях, которые размещаются не у объекта; а на операторском пункте - координирующих станций КС, эти станции не имеют непосредственной связи с датчиками и исполнительными механизмами, установленными на объекте, а выходят на объект только через сеть и локальные станции.

Операции непосредственного сопряжения с оператором для выполнения прикладных функций "объект - оператор" и "оператор - объект, а именно визуального (а в ближайшем будущем и звукового) вывода и восприятия и преобразования управляющих действий оператора возлагаются на операторские станции ОпС, которые размещаются в операторском пункте. Эти станции выходят на процесс только через сеть передачи данных АСУ и локальные станции. Если архив ведется на том же операторском пункте, то хранящие его внешние запоминающие устройства ВЗУ и печатающие устройства ПУ либо присоединяются к операторской станции, либо подключаются к сети передачи данных АСУ как самостоятельные станции. Дисплеи Дс на электронно-лучевых трубках как основное средство визуального вывода с клавиатурой, являющейся основным средством восприятия команд оператора, могут либо конструктивно входить в состав операторской станции, либо присоединяться к ней в виде отдельных устройств.

Рис.16. Физическая структура двухуровневой сети передачи данных распределенной АСУ:

УС - устройство связи. Остальные устройства см. на рис.15

Средства общения с оператором могут входить и в состав локальных станций; поскольку работа оператора на локальных станциях - явление эпизодическое, эти средства весьма ограничены (несколько индикаторов и небольшая- клавиатура) и иногда присоединяются к станции в виде портативного (ручного) пульта.

Физическая структура распределенной АСУ, представленная на рис.15, характерна для большинства программно-аппаратурных комплексов; различия между ними наблюдаются в физической структуре и (или) протоколах сети передачи данных, в способах программирования или заранее заготовленных программах, в числе технологических переменных, которые обслуживает каждая станция.

Наряду со структурой на рис.15 иногда применяют и другие физические структуры. Некоторые комплексы позволяют строить сети передачи данных двух родов - локальные и общую (рис.16). Первая сеть рассчитана на расстояния примерно 100 м, вторая - на несколько километров. Локальные сети соединяются с общей сетью устройством связи УС, благодаря которому каждая из соединяемых сетей обращается с другой как со своей станцией.

Еще одна физическая структура распределенной АСУ показана на рис.17. Здесь наряду с общей сетью передачи данных, к которой присоединяются все локальные станции, имеются еще локальные сети, соединяющие несколько локальных станций с локальной операторской станцией.

Рис.17. Физическая структура распределенной АСУ с локальными сетями присоединения операторских станций:

Обозначения см. на рис.15

Интерфейсы

Интерфейсом обычно называют воображаемую границу, разделяющую две части системы, между которыми осуществляется взаимодействие. В слоистой функциональной структуре под интерфейсом понимают правила, по которым происходит связь между двумя соседними функциональными уровнями.

Задание междууровневых интерфейсов заключается в установлении сопряжения между процессами на двух уровнях. Так, например, интерфейс между физическим и логическим уровнями канала (физическим и канальным уровнями в терминологии АСОС) задает правила перехода от сигналов в линии связи к набору двоичных разрядов в информационном канале и обратного перехода от двоичных разрядов информационного канала к сигналам в линии. Стандартизация делает эти правила едиными внутри одной системы или в целом множестве систем.

Поскольку непосредственная связь между объектами имеет место лишь на физическом уровне, только здесь и применимо понятие интерфейса как границы между однородными частями системы. Процесс связи между объектами внутри одного уровня развивается во времени, ввиду чего необходимо стандартизовать последовательность операций в этом процессе. Набор правил взаимодействия между двумя или несколькими объектами внутри одного уровня системы передачи данных называют протоколом. В протоколах задаются форматы кадров, которыми обмениваются между собой объекты, и последовательность этого обмена во времени.

Стандартные интерфейсы и протоколы разрабатывались в процессе создания вычислительных сетей, начиная с середины 60-х годов, еще до того, как обозначилось распределение сетевых средств на уровни. Поэтому практически применяемые стандарты на интерфейсы и протоколы, особенно давно утвердившиеся, не ограничиваются одним каким-либо уровнем или сопряжением между соседними уровнями, а нередко захватывают несколько уровней. Первые стандартные интерфейсы относились к местной связи между устройствами в вычислительных системах и распространялись на характеристики уровней физического и информационного каналов, а также частично на сетевой и транспортный уровни. Они предусматривали параллельный обмен данными и сигналами контроля и управления по нескольким десяткам проводов. Стандарты устанавливали тип линии связи, способ подключения к ней, назначение отдельных проводов, уровни сигнала, коды, способы синхронизации, порядок получения доступа к общей линии связи, способы выбора, адреса, задания начала и окончания передачи.

Интерфейсы, шин, соединяющих отдельные платы и узлы внутри устройств ЭВМ,- так называемые внутренние интерфейсы - подробно рассмотрены в литературе. Здесь упомянем лишь в качестве примеров "общую шину", применяемую в различных модификациях в микро-ЭВМ "Электроника-60" и мини-ЭВМ СМ-3 и СМ-4, 100-проводную шину S100, используемую в таких распространенных микропроцессорах американских фирм, как 8080 фирмы INTEL, 280 фирмы Zilog, 6800 фирмы Моtorola и 6502 фирмы Моstесh, а также более экономные по затратам проводов 50-проводную шину S50 и Мultibus. Более широкой стандартизации требуют интерфейсы связи между устройствами в локальных вычислительных системах. Стандартизация этого интерфейса, обычно называемая внешним позволяет объединять в одной системе устройства, выпускаемые разными фирмами.

В настоящее время связь устройств реализуется по нескольким наиболее распространенным стандартным интерфейсам; часть из этих стандартов имеет международный характер. Их преимущественная область действия - уровень физического канала и сопряжения физического и информационного каналов.

Одним из наиболее ранних и весьма распространенным стандартом на внешний интерфейс является RS232-С, введенный в 1969 г. Ассоциацией электронной промышленности (ЕIA) в США. Он предусматривает последовательный обмен между устройствами на расстоянии, не превышающем 15 м, со скоростью до 20 кбит/с. Последующие стандарты той же ассоциации RS422 и RS423 увеличивают дальность связи до 1200 м, а скорость передачи - до 10 Мбит/с.

Интерфейс V.24, рекомендованный Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии (МККТТ, по-английски ССIТТ), относится к передаче данных по общественным сетям с применением модемов н распространяется на каналы связи между терминальными устройствами для данных н аппаратурой передачи данных.

К наиболее распространенным международным стандартам этого рода относятся RS422/423, рекомендованный МККТТ после его введения ЕIА, и интерфейс по стандарту ТС 66 (02) Международной электротехнической комиссии (МЭК), впервые введенный Институтом по электротехнике и электронике (IЕЕЕ) в США под названием IЕЕЕ-488-75.

Радиальный интерфейс 2К, предназначенный для связи между ЭВМ и ее периферийными устройствами, нашел широкое применение в распространенных ЭВМ типов М 6000, М 7000, СМ 1, СМ 2. Шина 2К содержит 50 проводов, из которых 26 служат для передачи сигналов от ЭВМ к периферийным устройствам, а 23 - для передачи в обратном направлении.

Интерфейс между физическим и канальным уровнями для синхронной передачи данных по дискретным каналам связи (передача видеоимпульсами) общественных сетей стандартизован в рекомендациях Х.21 МККТТ. Модификация этих рекомендаций Х.21 бис относится к передаче по телефонным каналам с модемами и совместима с интерфейсом V.24 МККТТ.

В бывшем СССР стандартизован интерфейс С 3, рассчитанный на быструю параллельную передачу данных по радиальным шинам, содержащим до 40 проводов. В дальнейшем этот стандарт был распространен на страны СЭВ под названием ИРПР (интерфейс радиальный параллельный).

Протоколы

С развитием систем передачи данных постепенно стандартизовались протоколы канального уровня. Сначала эти стандарты вводились внутри фирм или национальных организаций; таким путем возникли протоколы ADССР (Национальный институт стандартов США АNSI), DDСМР (фирма Digital Еquipment Соrр., США), SDLС (фирма IВМ). В 1973 г. Международная организация стандартов (МОС, по-английски ISО) одобрила протокол канального уровня НDLС, весьма сходный с SDLС. Впоследствии протокол НDLС был утвержден как стандарт МККТТ для общественных вычислительных сетей. Многие фирмы стремятся следовать этому протоколу и в своих разработках локальных сетей, и он получает все более широкое распространение. Требования чрезвычайно высокой достоверности передачи данных в АСУ (рекомендация стандарта Proway - вероятность ошибочного бита в данных 3-10-15) находят отражение в стандартизации способа контроля достоверности принятого кадра на уровне канального протокола.

В АСУ преобладает магистральная структура сетей передачи данных, в связи с чем развиваются стандартные интерфейсы и протоколы, относящиеся к магистралям. Они охватывают обычно три нижних уровня архитектуры соединения открытых систем - от физического до сетевого.

Первым стандартом для магистральной сети следует считать интерфейс САМАС-вертикаль, рекомендованный ЕSONЕ (Европейским комитетом стандартов по ядерной электронике) для связи между каркасами (или, как их называют в системе САМАС, крейтами) и предусматривающий применение 14 радиальных и 49 магистральных проводов.

К магистральным относятся многочисленные интерфейсы вычислительных систем, в частности, ЭВМ СМ-3, СМ-4, ЕС ЭВМ, М 4030, "Электроника-60". Интерфейс ввода-вывода ЕС ЭВМ построен на 34 проводах, а интерфейс "Общая шина", применяемый в СМ-3, СМ-4,- на 56 проводах.

Во всех интерфейсах магистрали устанавливаются характеристики сопряжения между физическим и канальным и между канальным и сетевым уровнями, а также протоколы канального и сетевого уровней. Канальный протокол, как правило, основывается на стандарте НDLС.

Для стран бывшей СЭВ был подготовлен стандарт ИЛПС, где доступ к магистрали осуществлялся по протоколу с передачей маркера под управлением центральной станции или без централизованного управления.

Если в первых магистралях АСУ применялись простые протоколы с циклическим представлением доступа к магистрали в фиксированные интервалы времени, то затем требования быстрой реакции системы в реальном времени заставили перейти к более сложным магистральным протоколам, в которых доступ предоставляется станции по запросу в зависимости от присвоенных постоянно или в данный момент приоритетных прав. Упоминавшийся стандарт Proway вводит протокол магистрали, по которому станциям присваиваются постоянные ранги (имеется шесть различных рангов). Станции старшего ранга могут присваивать станциям младшего ранга статус, позволяющий им распоряжаться магистралью. В последние годы в США получает широкое распространение в локальных вычислительных сетях, в том числе и в распределенных АСУ, протокол полностью децентрализованного управления, по которому все станции равноправны, а конфликты разрешаются повторением неудавшихся передач.

В последние годы локальные вычислительные сети, предназначенные для автоматизации учреждений, стали получать столь широкое распространение, что далеко обогнали другие области применения, в том числе и АСУ. В связи с подобным развитием ведущие фирмы США, действующие в этой области, Хегох, DЕС и Intel, объединившись, приступили к подготовке стандарта IEEE 802 на магистраль, в котором предусматриваются два децентрализованных протокола доступа: с контролем несущей и разрешением конфликтов, когда каждая станция может начать передачу, коль скоро магистраль свободна, и с циклической передачей маркера, означающего право пользования магистралью.

Основные идеи, содержащиеся в проекте IEEE 802, были использованы в стандартах, принятых ЕСМА (Европейской ассоциацией производителей вычислительной техники) в конце 1982 г. К этим стандартам уже присоединился ряд фирм США, ведущих в области вычислительной техники, в том числе и фирмы - инициаторы разработки IEEE 802. Архитектура локальной сети по стандартам ЕСМА соответствует АСОС (рис.1,а).

В начале 1984 г. была предложена новая версия магистрали Proway, названная Proway С. В этой версии архитектурное расслоение совпадает с проектом IEEE 802, основным положениям которого предложенная новая версия следует. Протоколы сетевого и транспортного уровня для сетей АСУ еще далеки от стандартизации. Они предусматривают возможность связи нескольких магистралей и организацию передачи данных в кольцевых физических структурах Транспортный протокол в большинстве распределенных АСУ совмещается с сетевым. Структурирование протоколов надсетевых уровней т.е. трех верхних уровней АСОС, в АСУ практически нигде не реализуется. Операционные системы АСУ независимо от их физической структуры если и структурируются, то по принципам отнюдь не совпадающим с требованиями АСОС. Заметим, что слоевая структура надсетевых уровней Prowaу; в общем близкая к АСОС, еще не оформлена в виде каких либо требований.

Контрольные вопросы

Как образуется физическая структура распределенной АСУ? [Л.7, 20-21].

Начертите сети ЭВМ и передачи данных распределенной АСУ. [Л.7, 22-23].

Приведите пример радиальной структуры базовой сети с парными связями передачи данных. [Л.7, 23-24].

Расскажите о способе восстановления двойного кольца "самоизлечением". [Л.7, 24-25].

Какие структуры в настоящее время следует считать перспективно преобладающими в АСУ? [Л.7, 25-26].

Для какой цели применяют расщепление магистрали? [Л.7, 26-27].

Как можно описать физическую структуру любой системы? [Л.7, 27-28].

Нарисуйте типичную физическую структуру распределенной АСУ. [Л.7, 29-30].

Что такое интерфейс? [Л.7, 30-32].

Протоколы канального уровня. [Л.7, 33-35].

Размещено на Allbest.ru