Глава 9. Цифровые коммуникации в управлении п,

-------"РОц

Заметим, что в примере 9.4 расстояние между передатчиком и прие, имеет существенного значения - это справедливо при условии, что почтовая"° ка требует одинакового времени независимо от места назначения. В действ ти расстояние, на которое осзществляется передача данных, играет роль л* случаях, когда задержка передачи имеет тот же порядок, что и постоянные технического процесса. Реальной проблемой системы связи является не расст а пропускная способность канала. Тем не менее, уже в локальных сетях ддии ческого соединения оказывает косвенное влияние на пропускную способность ла из-за координации доступа к коммуникационной среде различных устройстГ" скольку в этом случае должны приниматься во внимание скорость распростране и затухание электрических сигналов в канале.

9.2. Модель взаимодействия открытых систем (ВОС) 9.2.1. Изменение требований к передаче данных

При первых попытках передачи цифровых данных по существующим телефонным линиям основное внимание было сосредоточено на нижнем звене системы-физической линии. В то время, в 1950-е годы, программисты работали в машинно) коде на битовом уровне, поэтому им не требовалось более абстрактного представле ния данных. Программисты были вынуждены заниматься техническими деталям: канала связи. Современная технология располагает дешевыми средствами для передачи большого объема данных, и поэтому основное внимание сосредоточено на прикладных вопросах - базах данных, управлении процессами, автоматизированном производстве. Прикладному инженеру не нужно полностью концентрировать свое внимание на множестве деталей системы передачи данных, однако на всех уровнях должна быть обеспечена стыковка между системами, начиная с уровня бит доданных и функций, которые они представляют. Все более мощные средства связи и общепринятые стандарты являются определяющими для организации взаимодействия.

Для того чтобы преодолеть трудности, возникающие из-за большого количеств* несовместимых стандартов. Международная организация по стандартизат»-{International Organization for Standardization - ISO) разработала эталонную моде* взаимодействия открытых систем (ВОС, Open System Interconnection - "j рая представляет собой не только еще один стандарт, но и базу для разработки но стандартов. Эталонная модель ВОС, подробно рассматриваемая в следующем Ра ле, предлагает структуру для идентификации и разграничения различных сое ющих коммуникационного процесса. Дополнительно ВОС включает в стандартов, разработанных в строгом соответствии с базовой схемой. Модель абсолютно ие связана с конкретными реализациями и описывает коммун ный процесс только в абстрактных понятиях.

Эталонная модель ВОС не определяет уровни напряжений, скорость или протоколы, которые необходимо использовать для достижения совместИ,. между системами. Она просто декларирует, что уровни напряжений, скоростИ,. дачи и протоколы, а также большое количество других параметров должны "(тг вместимы. Практической целью модели ВОС является обеспечение совмести-

взаимодействия открытых систем (ВОС)

345-

себя сотн 1ельВ0 икаЦИ"-

переД!

в русскоязычной литературе иногда используется термин "модель взан.мос крытых систем".

ВЯЗ"

меняем ости. Совместимость {interoperability) означает, что обмен данны-33aH*°ggygT непропорциональных расходов на их преобразование. Взаимозаме-{interchangeability) означает, что устройства, выпускаемые различными """ителями для выполнения одной и той же функции, могут замещать друг дру--"нх-либо проблем при условии, что их работа основывается на одних и тех же щах и правилах.

ептуальная простота модели ВОС не означает, что ее описание также является " - соответствующие документы насчитывают несколько тысяч (!) страниц. ,остЫМ была первоначально опубликована Международной организацией по "птизации в 1984 году в документе под названием ISO 7498. Другая важная сродная организация по стандартизации - Международный союз электро--зи (МСЭ, International Telecommunications Union - ITU), ранее называвшийся еждународным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии (МККТТ, (апЫ Consultatif International de Telegraphie etde Telephonic - CCITT), - опублико-5а1автомже году похожую рекомендацию под названием Х.200. Эта рекомендация оы.та выпущена в новой редакции в 1988 году, и в дальшейшем ее предполагается :ересматривать каждые четыре года.

9 2.2. Основы взаимодействия открытых систем

Модель ВОС - это концептуальная модель процесса коммуникации, основанная на разбиении этого процесса на несколько функциональных уровней, каждый из которых взаимодействует только со своими непосредственными соседями, аналогично тому, как это делается при разработке операционных систем. Такой подход позволяет предоставлять услуги, скрывая при этом механизм реализации, а значит, обеспечить определенную степень совместимости и взаимозаменяемости.

В модели ВОС определены семь функциональных уровней (рис. 9.2). Каждый Я>овень напрямую взаимодействует только с непосредственными соседями, запра-я услуги у нижележащего и поставляя их вышележащему уровню. Запросы на *ивание в модели ВОС похожи на запросы операционной системы или прин- Клиент-сервер" в распределенных системах - запрашивающий уровень переда-«аки"" параметры на нижний уровень и ждет ответа, игнорируя детали того, щ образом выполняется запрос. Объекты, расположенные на одном уровне в раз-TjjJ коммуникационной сети, называются одноранговыми {peers). Эти объек-

ни""- ежду собой на основе протоколов, определяют форматы сооб-

и Правила их передачи, одель ВОС определяет услуги, которые каждый уровень должен предоставлять ь, g"°y уровню. Услуги - что делать - четко отделены от протоколов - какде-

заимодействие базируется на том, что разные системы структурированы вокруг 11, g? *е служб и протоколы на каждом уровне совпадают. В соответствии с прави-"Дип ™Л° одноранговые объекты могут общаться друг с другом. Основные Ные" можно кратко сформулировать следующим образом: "не смешивать В )и пости" и "обеспечить взаимодействие одинаковых сущностей друг с другом". 1 ф ВОС определены следующие уровни. Физический уровень (Physical Link Layer) - представляет собой физическую

Реду передачи - электрическую или оптическую - с соответствующими ин-Рфейсами к сопрягаемым объектам, которые называются станциями {station)

Глава 9. Цифровые коммуникации в управлении

ЛРоЦесс

или узлами (nodes). Все детали, касающиеся среды передачи, уровня с

и частот, рассматриваются на этом уровне. Физический уровень является ственной материальной связью между двумя узлами. 2. Канальный уровень или уровень звена данных (Data Link Layer)

един-

" беспечий

ет функции, связанные с формированием и передачей кадров (frames) ото го узла к другому, обнаружением и исправлением ошибок, возникаюигит °" зическом уровне. При появлении ошибки, например из-за помех на линии этом уровне запрашивается повторная передача поврежденного кадра В зультате канальный уровень обеспечивает верхние уровни услугами по безо шибочной передаче данных между узлами. Если несколько устройств исполь зуют общую среду передачи, то на этом уровне также осуществляется управление доступом к среде.

3. Сетевой уровень (Network Layer) - устанавливает маршрут и контролирует прохождение сообщений от источника к узлу назначения. Маршрут может состоять из нескольких физических сегментов, не все из которых связаны непосредственно.

4. Транспортный уровень (Transport Layer) - управляет доставкой сообщений "из конца в конец", т. е. от источника к приемнику. Этот уровень представляет собой интерфейс между прикладным программным обеспечением, запрашивающим передачу данных, и физической сетью, представленной первыми тремя уровнями. Одна из главных задач транспортного уровня - обеспечить независимость верхних уровней от физической структуры сети, в частности от маршрута доставки сообщений. Транспортный уровень несет ответственность за проверку правильности передачи данных от источника к приемнику и доставку данных к прикладным программам.

5. Сеансовый уровень (Session Layer) - отвечает за установку, поддержку синхронизации и управление соединением (сеансом связи, диалогом) между объектами уровня представления данных. На этом уровне, в частности, происходит удаленная регистрация в сети.

6. Уровень представления данных (Presentation Layer) - обеспечивает синтаксическую модель данных, т. е. кодирование и преобразование неструктурирован ного потока бит в формат, понятный приложению-получателю или, иначе го воря, восстановление исходного формата данных - сообщение, текст, рисунок и т. п.

7. Прикладной уровень (Application Layer) - самый верхний уровень, накоторо решаются собственно прикладные задачи - передача файлов, операции с р пределенными базами данных и удаленное управление.

Физический уровень - единственный, имеющий материальное воплощение. Ос тальные уровни представляют собой наборы правил или описание вызовов ФУ ций, реализованные программными средствами. Три нижних уровня называю сетевыми или коммуникационными уровнями, так как они отвечают за доставкУ общений. Три верхних уровня

рдель взаимодействия открытых систем (ВОС)

Уровень Узел 1

7 прикладной

Узел 2

ГП сообщение [р

представления данных

сеансовый

транспортный

сетевой

канальный

прикладной

представления данных

сеансовый

транспортный

сетевой

канальный

физический

физический

физический тракт передачи данных

Рис. 9.2. Модель взаимодействия открытых систем

Основная идея модели ВОС довольно проста. Два одноранговых объекта соединены виртуальной (логической) связью. Для объектов виртуальная связь представляет-реальным каналом связи, хотя виртуальное и физическое соединения совпадают только на первом уровне. Объекты обмениваются данными в соответствии с протоко-определенным для их уровня. На самом деле объекты запрашивают услуги непо-Дственно у нижележащего уровня с помощью вызова процедур (рис. 9.3), при этом j Ранние механизмы недоступны запрашивающему объекту и могут измениться vaT момент без его уведомления. Между объектами, принадлежащими одному fioc Уленными друг от друга более чем на один уровень, т. е. не являющимися не-Чьщ "нными соседями, так же как и между объектами, принадлежащими к раз-

Раль и расположенными на разных уровнях, нет непосредственной связи - ни овать

Твор" виртуальной. Например, объект уровня 4 одного узла может взаимодей-

ь только с объектами уровней 3 и 5 того же узла и уровня 4 другого узла. ок-А представляет собой набор правил, определяющих начало, проведение

-г-зпкусо нпь. " представляет собой набор правил, определяющих начало, проведение

,ыми уровнями, так как они отвечают за став у кончание процесса связи между одноранговыми объектами. Сообщения, которы-

относятся к прикладному программному Обеа „.обмениваются оттнппангоятте о,ртт,, соттепят т.пп,,яп«..грп.п,.м.

нию и связаны с содержательной стороной сообщений. Четвертый, транспорт уровень осуществляет связь между коммуникационно-ориентированными И " блемно-ориентированными уровнями.

Ибо тся одноранговые объекты, содержат либо пользовательские данные, fw кзтся протокольными (управляющими) сообщениями. Перед передачей на Щий, нижележащий, уровень к сообщению добавляется управляющая инфор- ~- заголовок уровня - в соответствии с протоколом, принятым на данном

Глава 9. Цифровые коммуникации в управлении

процес

уровне. Результат напоминает русских матрешек, которые вкладываются flpyj, га (рис. 9.4). Самая маленькая матрешка соответствует исходному сообщению прикладным данным, самая большая - тому, что в действительности передае. физическому тракту. Протоколы и вызовы процедур описаны в документах м ВОС и соответствующих стандартах с указанием конкретного синтаксиса к-

функции и ее параметров.

Узел 1

услуга

Узел 2

виртуальное соединение

услуга

уровеньп

вызов процедуры

услуга

уровни)

вызов процедуры

физическое соединение

услуга

уровень 1

Рис. 9.3. Виртуальное соединение одноранговых объектов в модели ВОС Уровень

Заголовки (служебная информация уровня)

исходные данные 7 - прикладной 6 - представления 5 - сеансовый 4 - транспортный 3 - сетевой 2 ~ канальный 1 - физический

данные

данные

данные

#5 #6

данные

#5 #6

данные

#3 #4 #5 #6

данные

#3 #4 #5 #6

данные

#5 #6

#7 данные

Рис. 9.4. Общая схема передачи информации между уровнями (CRC - циклически" избыточный код или контрольная сумма)

Одноранговые объекты могут обмениваться между собой различными У*,. ми (протокольными) данными, например для начала или прекращения сеанса Эта информация передается отдельно от прикладных сообщений. Рис. 9.4 иллЮ рует основной принцип, а коммерческие продукты обычно устроены проще. 1Р д. колы, требующие активного обмена данными, необходимы только для некоторь"

, взаимодействия открытых систем (ВОС)

эвЫХ объектов, а взаимодействие может осуществляться в обход некоторых

ми органами по стандартизации (приложение "Стандарты и организации по птизации"). Некоторые ранние стандарты, относящиеся к физическому и ка-С .....„пнам вкпючены R моттелк ВОС, ТТля Trnvrnx упокней пязпяботяньт но-

ноР"*" „ естественно, при условии, что все партнеры, участвующие в оЬмене, деи-<Годинаково.

каждого зровня модели ВОС имеются наборы стандартов, выпущенные основными;

ноМУ уровням, включены в модель ВОС. Для других уровней разработаны но-"епротоколы в соответствии с идеологией модели ВОС. Полная совместимость между отдельными уровнями в смысле модели ВОС пред-гает, что, в принципе, можно создавать работоспособные приложения на базе 3VKT0B от различных производителей. Однако в действительности обычно все обстоит иначе. Промежуточные уровни не поставляются как отдельные программ-Hbie продукты, а производители программ предлагают вместо этого пакеты, реализующие весь стек протоколов от 3-4 до 6-7 уровней. Внутренние интерфейсы не обязательно должны удовлетворять требованиям модели ВОС, и этому на практике не придается слишком большого значения. Вместо того чтобы поддерживать структуру протоколов модели ВОС, программное обеспечение разрабатывается исходя из соображений его наибольшей эффективности.

Модель ВОС постоянно подвергается справедливой критике. Разделение уровней от 4 до 7 имеет несколько академический характер. Поскольку программа исполняется на одной машине, ее внутренняя организация, скорее всего, представляет интерес только для разработчиков. Протоколы, определенные для верхних уровней, далеко не эффективны. Поэтому производители программного обеспечения и оборудования обычно не используют целиком всю модель ВОС, а поставляют продукты, содержащие лишь необходимые уровни, и не включают в них уровни, не требующиеся в конкретном приложении. Не случайно в настоящее время во всем мире как для Юкальных, так и для глобальных сетей передачи данных наиболее широко используется протокол TCP/IP, который проще, чем модель ВОС (раздел 9.4.9). Модель ВОС представляет интерес не только для передачи информации на боль- Ра™яния, но и для автоматизации. Эффективная автоматизация требует, что-разные приложения, выполняющиеся в распределенной среде, могли взаимодей-йзаГ ез дополнительных усилий; модель ВОС обеспечивает базу для такого де„ ""Дбйствия. Новейшие стандарты в области промышленных и офисных прило-"bvn ~ протоколы MAP и ТОР, описываемые в разделе 9.6.3, - базируются намно-Ровневой модели ВОС. Эльн""" •" системы управления должны интегрироваться в гло-акие РРиториально распределенную систему. Модель ВОС гарантирует, что стн* управления, как складирование, производство и статистика, будут со-"ч Пп *"°-""ься, обмениваясь данными в рамках общего подхода к автоматиза-Дппи" "ок и планирования, независимо от места расположения ""Рац " " учреждений. Модель ВОС представляет собой базу для формирова-

g пональной структуры системы обмена данными. Чал""" части главы более детально рассматриваются 1-й (физический), 2-й "Чьгм"" п 7-й (прикладной) уровни. Основное внимание будет уделено совре-8Ир реализациям и тенденциям развития связи в производственных условиях ожениях управления производственными процесса.ми.