Глава 9. Цифровые коммуникации в управлении процц

11;1уникационные протоколы

символов SYN в начале блока данных используется для синхронизации перед передачей данных (рис, 9.16). Блочный режим используется при передо"!"

прерывной последовательности от нескольких байт до нескольких сотен байт т

передача обычно осуществляется в синхронном режиме, при котором импульс " носящиеся к отдельным битам, управляются синхросигналом.

данные

Рис. 9.16. Синхронная передача блоков: SYN - символ синхронизации STX - символ "Начало текста" ЕТХ - символ "Конец текста"

В зависимости от реализации (протокола) для управления потоком используются символы АСК (ACKnowledge - положительное квитирование, т. е. подтверждение приема) и NAK (Not AcKnowledge - отрицательное квитирование или неприем) В одной из модификаций приемник должен явно квитировать прием каждого блока, в другой - приемник запрашивает только повторную передачу поврежденных блоков. Как правило, простои линии отсутствуют - если нет данных, приемник и передатчик могут обмениваться синхронизирующими символами.

В общем случае синхронная передача данных более эффективна, чем асинхронная, так как лучше использует пропускную способность линии и сокращает простои Она применяется при скоростях передачи, превышающих 2 Кбит/с. С другой стороны, синхронная передача требует более сложного и, соответственно, более дорогого оборудования, чем асинхронная. Синхронная передача эффективна при передаче длинных блоков данных, например при передаче файлов. Для приложений, не требующих высокой скорости, и в случае посимвольной передачи, например, для связи ЭВМ с терминалом или принтером, обычно достаточно асинхронного режима.

9.4.8. Верхние уровни модели ВОС (уровни с 3-го по 7-й)

Уровни модели ВОС выше 2-го за исключением 7-го не имеют большого значенИ

для промышленных задач. Поэтому здесь они будут рассмотрены очень

коротко

занны дениия

Верхние уровни используются для обмена файлами или для приложении, свя с базами данных в больших информационных сетях. Стоит отметить, что тенд к применению сложных межсетевых приложений проявляется и в задачах про-ленного управления.

-6cf

В модели ВОС 3-й уровень (сетевой) отвечает за организацию и работу вир У ного канала между двумя узлами, находящимися в разных сетях. Этот УР",,, печивает маршрутизацию сообщения, т. е. его прохождение через последов ность промежуточных узлов до узла назначения

*овкУ и разрыв соединения между ЭВМ. Сеансовый уровень обеспечивает так-" ирение услуг 4-Г( - - - х.......

ЭВМ на другую, нь 6(представл ых. Здесь играю

Описание абстрактного синтаксиса 1 (Abstract Syntax Notation 1 - ASN.l) "таментирует структурирование данных, подлежащих передаче. Нотация ASN.1

gj формате от отправителя к получателю. Уровень 5 (сеансовый) отвечает за

"сширение услуг 4-го уровня, в частности в том, что касается передачи файлов

Уровень 6 (представления данных) относится к кодированию и структурирова-.(Жданных. Здесь играют важную роль два стандарта модели ВОС. Спецификация Ф . - .......

•jer.

„ -дставляет собой абстрактный язык для описания объектов и услуг в соответствии .)(Оделью "клиент-сервер". Спецификация ISO 8825 Основные правила кодировали (Basic Encoding Rules - BER) определяет способ двоичного кодирования, т. е. j5j3b между содержанием сообщения и передаваемыми двоичными разрядами.

В течение длительного времени двумя наиболее распространенными стандарта-лидляпредставления символов были ASCII и EBCDIC. В ASCII (American Standard Code for Information Interchange - Американский стандартный код для обмена информацией) символ (буква, цифра, другой символ) кодируется уникальной 7- или 3-битовой комбинацией, которая позволяет представить 127 или 255 различных сим-юлов. Код EBCDIC (Extended Binary-Coded Decimal Interchange Code - Расширений двоично-десятичный код для обмена информацией) использует другие битовые .шбинации, чем ASCII, для отображения более или менее тех же символов. EBCDIC рменяется в основном на мэйнфреймах компании IBM.

Использование для символов только 255 кодов существенно ограничивает ото-оражение технических символов и символов иностранных языков. Новый расширен-«ыи4-байтовый код стандарт ISO 10646 Универсальный многооктетный кодирован-«ый набор символов (Universal Multiple-Octet Coded Character Set - UCS), позволяет Тображать все известные на Земле символы и символы, которые, возможно, появят-будущем. Для того чтобы обойтись более скромными ресурсами при обработке *ных, используется 2-байтов BMP коде (Basic Multilingual Plan), который является «множеством стандарта ISO 10646 и содержит 65535 символов, это достаточно включения даже китайских иероглифов Каньчжи.

Ровень 7 (прикладной) охватывает несколько вопросов, относящихся к обработ-адных. На этом уровне определены, в частности, понятие виртуального устрой-машинно-независимыми командами (раздел 9.2.3), служба передачи, доступа аци*"" файлами (File Transfer Access and Management - ETAM), абстрактная %no "писания различных характеристик файла (дата создания, управление ом, защитные пароли, информация о множественном доступе и т. д.). Еще од-

спр л, ------ ..i.A, i..iiv.pvp,.iciu,j-i u 1У1пилсс1всниом доступе и т. д.;. еще од-

"ЙР уровня является Система обработки сообщений (Message S lu.Jf! ~ - ~ Р"" стандартов МККТТ Х.400. Она представляет собой

СТЬ ИрОМеЖу ГОЧМЫА уЗЛиВ ди yJJiO. паона .-ijrii. «нЫ" \

Уровни С 1-ГО по 3-й называются внешними, сетевыми или коммуникацио j

Роцедур для передачи электронной почты в форме сообщений.

уровнями. Уровни с 5-го по 7-й являются внутренними или прикладными, т • фотокол TCP/IP

они реализуются программным обеспечением ЭВМ, на которой решается пр ная задача. Уровень 4 (транспортный) представляет собой интерфейс ежДУ кладными программами и внешней сетью. Хотя на нижних уровнях существу сколько протоколов и методов для обеспечения надежности передачи

.отокол TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol - протокол

ЬНия ч---- - / . - протокол уп-

передачей/межсетевой протокол) представляет собой семейство протоко-:;,,ДИазначенных для работы в сложных объединенных сетях. В последнее время °Дит Широкое применение в вычислительных сетях промышленной автоматики.

TCP/IP - это сокращенное название набора нескольких стандартов с разд ми характеристиками и функциями, из которых основным является Jp q

Protocol - межсетевой протокол). Более правильное название TCP/IP j-Protocol Suite (IPS), т. е. семейство межсетевых протоколов. Однако первый

inte,

проток,.

получил настолько широкое распространение, что он будет использоваться нейшем. Следует иметь в виду, что TCP и IP являются всего лишь двумя из лов, образующих IPS.

Хотя TCP/IP, как и модель ВОС, имеет уровневую структуру, прямого соотв ствия между этими двумя архитектурами нет. Разница между ними, вероятно лучц всего видна на примере истории их развития. В середине 1980-х годов TCP/IP включен как набор процедур в операционную систему UNIX V4.2 BSD {Berkeh Software Distribution); эта работа, относящаяся к TCP/IP, финансировалась прав] тельством США через Министерство обороны. В это же время быстро росла not лярность персональных компьютеров, а для обмена сообщениями пользователи П подключались к мэйнфреймам с помощью модемов и телефонных линий. Иныу словами, проявилась огромная потребность в организации взаимодействия меж; компьютерами и выработке решений (оборудование, программы и протоколы св> зи), достаточно простых для того, чтобы соответствовать уровню опытных пользов.г телей ПК. Протокол TCP/IP удовлетворял этим требованиям. Благодаря включ нию в ОС UNIX, которая быстро завоевывала популярность как у научных, так коммерческих пользователей, TCP/IP оказался практически обреченным науспе. Более того, в то же самое время появилась многоуровневая модель ВОС, но стандар ты в этой модели еще не были полностью определены, и TCP/IP немедленно запо, НИЛ вакуум.

Видимо, наибольшим различием между TCP/IP и моделью ВОС является пр цесс их разработки. TCP/IP создавался и совершенствуется непосредствен1 пользователями с помощью механизма под названием RFC (Requests for Comments предложения для обсуждения) в основном через саму компьютерную сеть. Дополн1 ния и изменения архитектуры вносятся и оцениваются самими пользователями учеными, сотрудниками коммерческих компаний и даже частными лицами. Мо ВОС разработана международными комитетами, для которых характерны меД-тельность и сложные процедуры согласования. Хотя существует определенное модействие и обмен идеями по развитию модели ВОС и TCP/IP, каждое на р ние сохраняет самостоятельность. Кроме того, модель ВОС распространена м чем TCP/IP, поскольку она представляет собой значительно более сложную

.11 вза1"

цию, которую трудно реализовать в полном объеме, и потому что она сф оу лась позднее. Пользователи обычно неохотно изменяют что-либо, Рботаюш летворительно, и учитывают время, требуемое для возврата вложенных „ г ,тт .... „„ „„.,,"„,,", о?;г,чг.имом оуд.-

ЕСЛИ

рассматривать TCP/IP с точки зрения модели ВОС, то можно считать, что ".j.gHT из пяти уровней, первые три из которых функционально практически со-""afO моделью ВОС (рис. 9.17). На рисунке показаны названия порций инфор-" и на различных уровнях. Дейтаграммы в TCP/IP формируются способом, похо-„априменяемый в модели ВОС. Понятие одноранговых процедур также сходно "рдределением в модели ВОС.

уровень

приложений (NFS, FTP и т.д.)

дейтаграмма 3

сообщение (message)

сегмент (segment)

дейтаграмма (datagram)

канальный уровень

кадр (frame)

физический интерфейс

биты

Поэтому TCP/IP сохранит свои позиции, по крайней мере в обозримом У--р. 8к,"°УТ быть использованы существующие стандарты, например входя-Несмотря на то что TCP/IP был первоначально предложен вместе с о ., р,- w ль ВОС; TCP/IP подразумевает, что существует физическое соединение

..ТТХТТТГ „„„.., ..... „т- ,TOTi„.,.T,To ОГ-ГЛ.ЗимиОНП пямками , V СТВУЮТТГРР VrrnannoUTo „о„„„„,.

Несмотря на то что TCP/IP был первоначально предложен вместе с ной системой UNIX, это не означает, что его действие ограничено Раками ды. Наоборот, TCP/IP был разработан для работы с различными опера р ] системами, аппаратными платформами и типами сетей. Например, служь,,

физическая среда передачи

"епи*! ««ая структура протокола TCP/IP (уровни 1 и 2 не являются частью ""Ификаций TCP/IP)

\ъТ l?!" определены следующим образом.

Sbi Зде Фсй) и 2 (канальный) в TCP/IP явным образом не специфици-" ""ЧелъВС) использованы существующие стандарты, например входя-

ответ -/ нидразумев; РовнЗ" управление каналом.

Ъос TCP/IP в определенной степени похожи на соответствующие уровни V. хотя они непосредственно не совместимы с каким-либо из ее стандартов

С0ОТКРТГТТЗЛГ£.Т A*Ciw..T.TiTi гтГ.,ТП1ПИ tp К-ПТ/тт -------

системами, аппаратными udi4jupiviaiviiri ijfjucii.ijn .lhl. хг.., - „„дден Овм!,-, q i-liJ.L,A.lDcппu «с njDiviv-ijrji.iui лллим-лиоо из ее стандартов,

позволяют копировать файлы между станциями, работающими под упр f,oi 3 соответствует межсетевой протокол IP, который является ядром всего

разных операционных систем, обеспечивая при необходимости автоматичес!- .ц Доколов. Этот уровень обеспечивает передачу дейтаграмм по сети от одной

вертацию форматов данных. TCP/IP в настоящее время доступен на всех о Другой. Дейтаграммы представляют собой порции информации, передава-

компьютерных платформах. и независимо друг от друга, которые могут быть предназначены для од-

-1Р2Цее,

ной, нескольких или всех станций; соответственно, они могут иметь уникад групповой или широковещательный адрес (раздел 9.5.3). На этом уровне полу не должен подтверждать доставку дейтаграммы. IP был разработан для пеп* дейтаграмм по сети, но он не контролирует ни того, что дейтаграмма попала к ал ту, ни того, что доставка прошла без ошибок.

В IP не существует понятия последовательности дейтаграмм, составляют;,,; общение. Служба дейтаграмм не предусматривает их доставку в том же поря в котором они были посланы. Это входит в функции протоколов верхнего vn стека TCP/IP.

Уровень IP использует специальную структуру для адресации узлов сети. Ддре IP представляет собой 32-битовое число, разбитое на четыре 8-битных блока, разд ленных точками; его десятичным эквивалентом являются четыре числа в диапазон 1-255 (например, "137.19.7.224"). Назначение адресов узлам представляет собой нетривиальную задачу и должно выполняться по определенным правилам; дальнейшие подробности описаны в соответствующей литературе.

Для устройств, подключенных к Интернету, должны использоваться адреса, уникальные в рамках всей глобальной сети. К системам управления производственными процессами это относится в меньшей степени, поскольку они обычно являются замкнутыми и не зависят от какой-либо внешней сети. Поэтому не имеет значения, если система управления роботом имеет тот же адрес, что и компьютер библиотеки университета или сервер Web в глобальной сети. Однако в случае, если системауправ-ле-ния подключена к Интернету, то она больше не работает в изолированном режиме,и при выборе адресов это необходимо учитывать. Для того чтобы отделить часть сети, связанную с системой управления, от Интернета, можно использовать межсетевои экран (firewall), выполняющий роль фильтра.

Уровень 4 (транспортный) включает в себя средства, расширяющие базовые Службы IP. Протокол UDP ((ЛегDategra/wProtoco/ - пользовательский дейтаграм-м-ный протокол) представляет собой простую службу, осуществляющую транспорт дейтаграмм между приложениями, которые не требуют особой надежности, по**"- ку и DP не имеет средств для создания и поддержки виртуального соединения, ер дача каждой дейтаграммы представляет собой законченный процесс. Это о тельство снижает накладные расходы и соответственно увеличивает передачи. При использовании UDP каждое приложение-адресат должно сам тельно осуществлять проверку и исправление ошибок. итПР"

UDP предназначен для систем с несколькими получателями, в которых квр вание приема каждой отдельной дейтаграммы было бы неудобно и дорого, р-Я-в случае, когда информация не обладает очень большой ценностью и "J"" nf

ется. При управлении производственными процессами это может Ьыть ф редача информации о процессе, которая должна постоянно выводиться ких рабочих станциях, поэтому небольшие нарушения и спорадические о д. имеют особого значения. Разумеется, аварийная сигнализация, требуюш ,111 ,5

имеют OCOUU1U .тачспухя. ± аоут.. cAjjupjfj*iii>i ---,----, пнер"

ленных действий оператора, не может использовать ненадежный и непр

транспорт. тваМ*"/к

TCP Представляет собой развитый протокол с подтверждением, среде \0 новки и завершения виртуального соединения, обнаружения и коррекипй, и управления потоком. TCP не поддерживает групповую и широковещател fa редачи. Более высокая надежность достигается за счет накладных расходов

и поддержку соединения. Блок данных приложения вместе с дополнительным "Ibkom TCP, передаваемый на уровень IP для транспортировки по сети, называ-ierMCHTOM (segment).

Пятый (прикладной) уровень TCP/IP представляет собой совокупность служб, дназначенных для пользователя сети, включая удаленную регистрацию (rlogin - ? login), протокол виртуального терминала (Telnet), протокол передачи файлов tleTransferProtocol - FTP), сетевую файловую систему (NetworkFile System - NFS) которые другие.

Сетевая файловая система NFS - это дополнение к комплекту протоколов TCP/ f разработанное компанией Sun Microsystems. Служба NFS передает информацию оструктурс каталога и файлах станций, подключенных к сети, в том виде, который ярлнят на запрашивающей станции. Например, на компьютере, работающем под Windows, NFS показывает файлы, размещенные в других узлах сети, в том же самом древовидном формате, как и локальные файлы. В системе UNIX каждый удаленный даалог показывается как дополнительный.

Протокол передачи файлов (FTP) включает простые средства для перемещения дашовсодной станции на другую; он также обеспечивает операции с файлами на уда-,1енных системах - изменение текущего каталога, копирование, удаление, переимено-мие файла и т. п. Операции FTP работают с файлами целиком вне зависимости от их содержания: например, в протоколе FTP не предусмотрено открытие файла для досту-закотдельным записям. Каждый файл рассматривается лишь как поток байт.

Пятый уровень TCP/IP нельзя сравнивать с 5-7-м уровнями модели ВОС, так Ион вместо описания коммуникационных протоколов включает специфические прикладные программы, использующие средства TCP/IP. В частности, в TCP/IP «уровня представления данных (6-й уровень модели ВОС), определяющего кодирование символов.

В настоящее время TCP/IP пользуется популярностью для обмена данными в си-*«ах промышленной автоматики, в которых несколько серверов и рабочих станций *Динены в одну или несколько сетей. Основной аргумент в его пользу - TCP/IP J. "вует как зрелый продукт с проверенной функциональностью, работающий на УйГ*"" "Р°Р""Ь1х и аппаратных платформах, не слишком сложный и не третий чрезмерных накладных расходов. Чаю Разрабатывался как практичный и простой протокол. Такой подход сыфал *1Ив судьбе. Для сравнения: единственными стандартами, разработан-сяс °°™ии с моделью ВОС и получившими широкое распространение, явля-\ всТ сообщений Х.400 и служба каталогов Х.500. Однако модель ВОС будет иг-.jy,e большую роль при определении новых услуг, а TCP/IP не будет меняться, по

задат ° "" решать появляющиеся проблемы. Для промышлен-

ч TCP/IP будет во многих случаях наиболее целесообразным решением.

, "вокальные сети

-ети передачи данных

основное внимание уделялось тому, как соединить два отдельных узла или Лля большинства практических приложений такой подход не совсем адек-оскольку коммуникации обычно осуществляется более чем между двумя