Передача информации в распределенных информационно-управляющих сист

волн в конкретной физической среде, которая колеблется от 0,6 до 0,9 скорости света в вакууме: tрrg = L/S.

Рис. 3.6. Временная диаграмма передачи сообщения в сети с коммутацией каналов (без учета фазы установления соединения)

Время передачи сообщения в канале (а значит, и время буферизации в узле назначения) равно отношению объема сообщения V в битах к пропускной способности канала С в битах в секунду: ttrns = V/C.

В сети с коммутацией пакетов передача данных (рис. 3.7) не требует обязательного установления соединения (например, в дейтаграммных сетях) и при данном анализе не учитывается (как, впрочем, и в сетях с КК).

Предположим, что в сеть (см. рис. 3.7) передается сообщение того же объема V, что и в предыдущем случае (см. рис.3.6), однако оно разделено на пакеты, каждый из которых снабжен заголовком. Пакеты передаются от узла N1 в узел N2, между которыми расположены два коммутатора (обратите внимание на конвееризацию процесса передачи).

Сравнивая временные диаграммы передачи данных в сетях

скоммутацией каналов и пакетов, отметим два факта:

–значения времени распространения сигнала (tprg) в одинаковой физической среде на одно и то же расстояние одинаковы;

81

–учитывая, что значения пропускной способности каналов

вобеих сетях одинаковы, значения времени передачи сообщения

вканал (ttrns) будут также равны.

Рис. 3.7. Временная диаграмма передачи сообщения, разделенного на пакеты, в сети с коммутацией пакетов

Однако разбиение передаваемого сообщения на пакеты с последующей их передачей по сети с коммутацией пакетов приводит к дополнительным задержкам.

Пример. Сравним задержки передачи данных в сетях с коммутацией пакетов с задержками в сетях с коммутацией каналов (см. рис. 3.6 и 3.7). Пусть текстовое сообщение, которое нужно передать в обоих видах сетей, составляет 200 000 байт. Отправитель находится от получателя на расстоянии 5000 км. Пропускная способность линий связи составляет 2 Мбит/с. Время передачи данных по сети с коммутацией каналов складывается из времени распространения сигнала, которое для расстояния 5000 км можно оценить примерно в 25 мс (L/C), и времени передачи сообщения в канал, которое при пропускной способности 2 Мбит/с и размере

82

сообщения 200 000 байт равно примерно 800 мс, то есть всего передача данных абоненту в сети с КК занимает 825 мс.

Оценим дополнительное время, которое требуется для передачи этого сообщения по сети с коммутацией пакетов. Будем считать, что путь от отправителя до получателя пролегает через 10 коммутаторов. Также предположим, что сеть работает в недогруженном режиме и очереди в коммутаторах отсутствуют. Исходное сообщение разбивается на пакеты по 1000 байт, всего 200 пакетов. Если принять интервал между отправкой пакетов равным 1 мс, то время передачи сообщения увеличится на дополнительные 200 мс. Время передачи сообщения в канал также увеличится из-за необходимости передавать заголовки пакетов на 10 %, т.е. на 80 мс.

При прохождении пакетов через каждый коммутатор возникает задержка буферизации пакета (при расчетах равная времени передачи пакета по сети). Эта задержка при величине пакета 1000 байт, заголовке 100 байт и пропускной способности линии 2 Мбит/с составляет 4,4 мс в одном коммутаторе. Плюс задержка коммутации 2 мс (определяется типом коммутатора). В результате прохождения 10 коммутаторов пакет придет с суммарной задержкой 64 мс, потраченной на буферизацию (выдачи пакетов в сеть) и коммутацию. Врезультате дополнительная задержка, созданная сетью с коммутациейпакетов, составляет344 мс(200 + 80 + 64 = 344).

Учитывая, что вся передача данных по сети с коммутацией каналов занимает 825 мс, эту дополнительную задержку можно считать существенной. Хотя приведенный расчет носит очень приблизительный характер, он делает более понятными те причины, по которым для отдельного абонента процесс передачи данных по сети с коммутацией пакетов является более медленным, чем по сети с коммутацией каналов.

Сравним СКК и СКП по эффективности сетей, по качеству предоставления услуг (постоянство производительности (задержек), пропускной способности), адаптации к виду и интенсивности трафика и другим критериям.

83

Неопределенная пропускная способность сети с коммутацией пакетов – это плата за ее общую эффективность при некотором ущемлении интересов отдельных абонентов. Аналогично в мультипрограммной операционной системе время выполнения приложения предсказать заранее невозможно, так как оно зависит от количества других приложений, с которыми процессор делит данное приложение.

Можно ли считать сеть с коммутацией каналов более эффективной, чем сеть с коммутацией пакетов?

При рассмотрении сети в целом логично использовать в качестве критерия эффективности сети не скорость передачи трафика отдельного пользователя, а более интегральный критерий, например общий объем передаваемых сетью данных в единицу времени. В этом случае эффективность сетей с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов (при равной пропускной способности каналов связи) оказывается выше. В сетях

скоммутацией каналов при передаче пульсирующего трафика значительная часть зарезервированной пропускной способности каналов часто не используется.

Всетях с коммутацией каналов весь выделенный абоненту ресурс канала (например, выделенный канальный интервал (КИ)

спропускной способностью 65 кбит/с) независимо от вида канала и наличия у абонента информации закрепляется за ним (т.е. предоставляется абоненту) постоянно (при выделенных каналах) или на сеанс связи (при коммутируемых каналах). Следовательно, динамическое распределение ресурсов в сетях с КК невозможно.

Всетях с коммутацией виртуальных каналов (разновидность сетей с КП), в фазе обмена данными, любой активный источник информации (конечный узел или приложение) может захватить ресурс, закрепленный за соответствующим портом. Следовательно, в сетях указанного вида возможно динамическое распределение ресурсов.

Ниже приведены краткие характеристики систем с коммутацией каналов и систем с коммутацией пакетов:

84

3.5. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем (OSI/ISO)

Модель OSI/ISO описывает процесс взаимодействия устройств в сети с коммутацией пакетов (рис. 3.8).

Важно различать модель OSI и стек протоколов OSI (КСП ОSI). В то время как семиуровневая модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, стек OSI (наряду с другими известными моделями КСП) представляет собой набор спецификаций конкретных протоколов.

Встандартах ISO для обозначения единиц обмена данными,

скоторыми имеют дело протоколы разных уровней, используется общее название «протокольная единица данных» (Protocol Data Unit, PDU). Для обозначения единиц обмена данными конкретных уровней часто используют специальные названия, в частности: сообщение, кадр, пакет, дейтаграмма, сегмент.

85

Рис. 3.8. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем OSI/ISO

3.6. Стандартные стеки коммуникационных протоколов

Протоколы стека OSI (рис. 3.9) отличает большая сложность и неоднозначность спецификаций (из-за стремления максимально точно учесть специфику и функциональную полноту уровней 7-уровневой модели OSI /ISO). Эти свойства явились результатом общей политики разработчиков стека (КСП), стремившихся учесть в своих протоколах все многообразие уже существующих и появляющихся технологий и фирменных КСП (стандартов де-факто).

На физическом и канальном уровнях стек OSI поддерживает протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, а также протоколы LLC,

Х.25, ISDN и ряд других протоколов, в том числе беспроводной связи (Wi-Fi-802.11.х, Wi-Max-802-15), то есть использует все разработанные вне стека OSI популярные протоколы нижних уровней, как и большинство других популярных стеков КСП.

86

Рис. 3.9. Стек протоколов OSI

В случае других стеков (рис. 3.10) разработчики отдавали предпочтение скорости работы сети в ущерб модульности – ни один стек, кроме стека OSI, не разбит на семь уровней. Чаще всего в стеке явно выделяются 3–4 уровня: уровень сетевых адаптеров, в котором реализуются протоколы физического и канального уровней; сетевой уровень, транспортный уровень и уровень служб, включающий в себя функции сеансового уровня, уровня представления и прикладного уровня.

Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели ISO/OSI, то, хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно. TCP – протокол управления передачей (Transmission Control Protocol), описанный в RFC 793. UDP – протокол пользо-

вательских дейтаграмм (User Dаtаgгаm Protocol, UDP), описанный в RFC 768. В стеке TCP/IP определены 4 уровня.

87

Рис. 3.10. Соответствие популярных стеков протоколов модели OSI

В стеке протоколов UDP или TCP/IP на транспортном уровне используются дейтаграммный способ коммутации пакетов (UDP) и способ коммутации на основе логических каналов (TCP).

На протокол ТСР возложена сложная и очень важная задача – обеспечение надежной передачи данных через ненадежную сеть, т.е. использующую в качестве основы ненадежный дейтаграммный протокол IP.

С другой стороны, функциональная простота протокола UDP обусловливает простоту алгоритма его работы, компактность и высокое быстродействие и для тех приложений, для которых быстродействие и простота реализации важнее надежности передачи, протокол UDP предпочтительней ТСР.

3.7. КСП популярных «полевых технологий» Profibus и CAN

3.7.1. «Полевая технология» Profibus

Название технологии PROFIBUS – сложносокращенное слово от PROCESS Field BUS, что переводится как «промышленная шина для технологических процессов.

88

Рrofibus имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS

иProfibus PA. Profibus DP получил несравненно более широкое распространение, чем FMS и РА.

Profibus DP (Profibus for Decentralized Peripherals – Profibus

для децентрализованной периферии) использует уровни 1-й и 2-й модели OSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель OSI не входит. Непосредственный доступ из пользовательского приложения к канальному уровню осуществляется с помо-

щью DDLM (Direct Data Link Mapper – прямой преобразователь для канального уровня).

Пользовательский интерфейс обеспечивает функции, необходимые для связи промышленных приложений с устройствами ввода-вывода и контроллерами. Profibus DP в отличие от FMS

иРА построен таким образом, чтобы обеспечить наиболее быстрый обмен данными с устройствами, подключенными к сети.

В табл. 3.1 приводится соотнесение уровней Profibus DP с уровнями модели OSI/ISO.

Примечание: FDL – Free Documentation License (лицензия свобод-

ной документации).

89

Отсутствие прикладного уровня обусловлено отсутствием служб и, следовательно, протоколов этого уровня.

3.7.2. «Полевая технология» CAN (Controller Area Network)

CAN (Controller Area Network) – область, охваченная сетью контроллеров, представляет собой комплекс стандартов для построения распределенных промышленных сетей, который использует последовательную передачу данных в реальном времени

сочень высокой степенью надежности и защищенности.

ВРоссии интерес к CAN за последние годы сильно возрос, однако контроллерного оборудования для CAN у нас крайне мало, в десятки или сотни раз меньше, чем для Modbus или Profibus. Среди протоколов прикладного уровня для работы с CAN наибольшее распространение в России получили CANopen и DeviceNet.

Втабл. 3.2 приводится соотнесение уровней CAN с уровнями модели OSI/ISO.

Сетевой протокол CAN (Controller Area Network) был разра-

ботан в 1987 г. фирмой Bosch для мультипроцессорных автомобильных систем реального времени. CAN оптимизирован для систем, в которых передается сравнительно небольшой объем информации со скоростью до 1 Мбит/с. Основные достоинства CAN-протокола – высокая помехоустойчивость, надежность, возможность получения сообщений всеми узлами (контроллерами данных) с синхронизацией по времени, неразрушающий арбитраж доступа к шине, малая вероятность пропуска ошибки 4·10(–11), низкая стоимость.

Принятая в CAN-интерфейсе схема передачи сообщений позволяет ее расширять и модернизировать: новые устройства приема данных можно добавлять к сети без изменения существующих программных средств и нарушения работы старой системы. Все это привлекло внимание разработчиков и пользователей различных распределенных систем управления, используемых, помимо транспортных средств, в промышленности, энергетике, медицин-

90