выработки и потребления мощности энергосистемы). Эта информация, конечно является существенной для работы системы, и любой сбой в работе Интернета будет иметь неприятных последствий. Интернет не является приемлемым варид том при жестких требованиях к качеству и времени передачи.

Коммутация пакетов

Современное состояние в области цифровых коммуникаций - это коммутация пакетов (packet switching), устанавливающая виртуальный канал связи между узла ми. Сообщение от передатчика делится на пакеты ограниченной длины (до нескольких сот байт). Каждый пакет содержит протокольную информацию, в частности, последовательный номер пакета и адрес получателя. Пакеты направляются к адресату по виртуальным каналам. Маршрут каждого пакета вырабатывается независимо поэтому возможна ситуация, когда пакеты, предназначенные одному адресату, передаются по разным физическим каналам. Более того, пакеты могут поступать адресату не в том порядке, в котором они были отправлены источником. Ответственность за переупорядочение поступающих пакетов на основе их номеров и восстановление исходного потока данных несет последнее устройство в сети, к которому непосредственно подключен абонент-получатель.

Пакеты от различных пользователей мультиплексируются в магистральных каналах, поэтому пропускная способность сети используется более эффективно, че.м при выделенных линиях или коммутации цепей. Загрузка сети может стать более равномерной, поскольку каждый абонент не использует постоянно всю емкость канала связи, а спорадически передает значительные объемы данных в течение коротких промежутков времени. Поэтому в среднем пользователи загружают канал более или менее равномерно. Другим важным достоинством коммутации пакетов является возможность прозрачного для пользователя изменения маршрута при выходе из строя промежуточного узла или канала связи. Благодаря этим свойствам, сети с коммутацией пакетов обычно имеют хороший показатель готовности. Стоимость обслуживания в сети коммутации пакетов зависит от общей длительности виртуального соединения (поскольку, даже ничего не передавая, абонент занимает порт у поставщика услуг) и объема переданных данных. Вообще говоря, сто имость передачи цифровых данных по виртуальным сетям меньше по сравнению

другими способами.

Доступ к пакетным сетям обычно осуществляется по протоколу Х.25; соотв ствующие рекомендации МСЭ включают первые три уровня модели ВОС. На фи ческом уровне интерфейс между ООД и АКД (раздел 9.3.6) - это Х.21; этот интР фейс определяет электрическое соединение и протокол установки соедин ориентированный на работу в телефонной сети ("набор номера", "линия занята , единение установлено" и т. д.). Интерфейс Х.21 использует 15-штырьковый Р, в котором задействовано только 8 контактов. Стандарт Х.21, однако, применя достаточно редко; поэтому разработана его модификация Х.21-bis, позволяю применять соединение ООД и АКД с помощью EIA-232-D. pg

На канальном уровне стандарта Х.25 определен специальный протокол J--(Link Access Procedure-Balanced), являющийся подмножеством протокола g. (раздел 9.4.5). На сетевом уровне протокол Х.25 обеспечивает команды для уста ки, управления и завершения виртуального соединения.

g 8,3. Цифровая сеть с комплексными услугами (ISDN)

Аналоговый способ передачи удовлетворителен для голосовой связи, но плохо подходит для цифровых данных, которые необходимо предварительно преобразовывал, в аналоговую форму. Для передачи данных наилучшим решением является сквозное применение цифровых технологий.

Этой задаче отвечает сеть ISDN (Integrated Sendees Digital Network - цифровая сеть (комплексными услугами), которая была разработана в соответствии с моделью ВОС. рдавная идея ISDN заключается в том, что основная масса информации - это .дибо цифровые данные (потоки между ЭВМ, факсимильные сообщения, мониторинг удаленных объектов), либо информация, которую можно преобразовать к цифровой форме (для голосовых сообщений - дискретизацией), так что лучшим способом передачи являются полностью цифровые каналы, из конца в конец, включая абонентское оборудование (телефон или другое устройство). ISDN является основной концепцией развития телефонной сети в настоящее время и, видимо, останется таковой и в начале XXI века.

В качестве основного набора услуг для стандартного абонента ISDN предоставляет два канала 64 Кбит/с и один 16 Кбит/с, называемые соответственно В- и D- каналами. Два В-канала используются для двух параллельных соединений, например одновременной передачи голоса и данных. К одному абонентскому окончанию можно присоединить до 8 устройств, хотя одновременно могут работать только два из них. D-канал с пропускной способностью 16 Кбит/с применяется для вспомогательной информации и управляющих сигналов, например подачи коротких сообщений на дисплей телефонного аппарата, когда абонент разговаривает. Голос оцифровывается с частотой 8 кГц и восстанавливается на противоположном конце линии; все другие виды сообщений, которые имеют цифровую природу, передаются непосредственно. Абонентское подключение выполняется с мультиплексированием кана.тов по витой rape, пропускной способности которой для этого достаточно. Конфигурация из двух и одного D-канала называется базовой (Basic Rate Interface - BRI). Пользователи с большими объемами трафика могут пользоваться так называемой Первичной (Primary Rate Interface - PRI) конфигурацией, которая в Северной Аме-liKe и Японии состоит из 23 В-каналов и 1 D-канала, с общей пропускной способностью около 1.5 Мбит/с, а в Европе - из 32 В-каналов и 1 D-канала, что в сумме со-тавляет 2 Мбит/с. В качестве канального протокола в ISDN используется протокол APD Access Procedure D-Channel - процедура доступа к D-каналу), который Чяется подмножеством HDLC, но с расширениями, выходящими за рамки после-его. Другим интересным решением является широкополосная ISDN с пропускной 0° 150 Мбит/с. Новым элементом широкополосной ISDN яв.п;яется то,

«л !к° ""Увание переключаемого типа, т. е. может адресоваться как обычный ь фонный вызов и не ограничено соединением типа быстрой связи "точка-точка", честве физического носителя для широкополосной ISDN применяется оптичес- "кабель.

азовая конфигурация (2B-I-D) была предложена исходя из маркетинговых со-а i./*""- Обычный абонент, заинтересованный только в голосовой связи, заме-лР** бы толт,п ТТЛ,,,,,,.. .--------- --------.........

•Осо гТ""" качество сигнала и меньшее время соединения по сравне-

ос " ""1™" "-Фой сетью аналогового типа, „о в одиночку это вряд %,Т1 Рьезным аргументом в пользу ISDN. Решающим фактором

•лась возможность предоставления одновременно двух услуг, например го-

лосовой и факсимильной связи. Другим аргументом в пользу ISDN является что не требуется замена существующей кабельной инфраструктуры пользова ля - присоединение к новой цифровой телефонной станции можно выполнит основе старой проводки.

В случае применения ISDN не требуются специальные сети для передачи данны поскольку ISDN сама по себе является цифровой сетью. Благодаря тому, что Isj была в деталях определена прежде, чем началось ее внедрение, все телекоммуника ционные компании в разных странах могут строить ISDN, следуя одинаковы принципам, что позволяет свести к минимуму проблемы совместимости сетей и обо рудования. Промышленность, выпускающая аппаратуру ISDN на мировой рынок больше не имеет необходимости производить несколько версий одного и того же продукта для разных стран, как это случалось до недавнего времени.

9.8.4. Асинхронный режим передачи (ATM)

Асинхронный режим передачи (Asynchronous Transfer Mode ~ ATM) представляет собой очень быструю технологию, разработанную для объединения разнородньк потоков цифровых данных, включая оцифрованные голос и видео, которые требуют как высокой пропускной способности, так и отсутствия каких-либо ощутимых запаздываний при передаче. При использовании ATM не делается различий между типами трафика, а вся информация передается пакетами длиной по 53 байта, которые называются ячейками (cells). Каждая ячейка содержит 5-байтовый заголовок, несущий информацию о протокол, и 48 байт данных пользователя. Фиксированная длина необходима для высокоскоростной и эффективной коммутации. Длина пакета может показаться странной и в действительности является результатом компромисса между двумя наборами противоположных требований. Короткие ячейки больше подходят для передачи голосовой и видеоинформации, а длинные - для передачи данных. В ходе определения стандарта была найдена компромиссная величина, составляющая 48 байт. При использовании ATM данные, превышающие по длине 48 байт, разбиваются на ячейки в первом узле и восстанавливаются в последнем, аналогично сети ко.ммутации пакетов типа Х.25 или ISDN. Комл!уникационные каналы явля ются виртуальными, но после установления соединения все промежуточные уст ройства сети владеют информацией о маршруте, поэтому ячейки могут немедленно продвигаться дальше по направлению к получателю без анализа служебной инф V мации, содержащейся в заголовке. р.

Стандарт ATM обеспечивает разные виды обслуживания в зависимости от при жения. Основным является выбор между постоянной (Constant Bit Rate - С переменной (Variable Bit Rate - VBR) скоростью передачи от источника к "Р*,,, ттг----- ч „„„ гт.,(г;отттт1ч ттпа чяяяч. тле нсдопустимы произвольные запаздыв

переменной ( Variable tsit Kaie -

ку. Первый тип необходим для задач, где недопустимы произвольные запаздывай, в частности передача голосовых сообщений. Второй тип приемлем для электро почты и пересылки файлов, где величина разрыва между моментами отправки с щения и его приема не играет большой роли, особенно в случае, когда это сня*

стоимость услуг связи. jrf

Наиболее известным стандартным интерфейсом для ATM является SO (Synchronous Optical Network - синхронная оптоволоконная сеть), обеспечиваю пропускную способность 2 Гбит/с для оптоволоконного кабеля и 155 Мбит/с витой пары.

дд. Заключение

(оМмуникации играют определяющую роль в работе сложных систем, в которы.х олжен происходить обмен данными между различными компонентами. Распределенное управление производством - пример такой системы.

j(flro4eBbiM параметром, описывающим коммуникации, является пропускная способность каналов связи. Пропускная способность есть функция полосы пропускания канала, уровня шума и применяемого способа кодирования.

Для того чтобы упорядочить содержание понятий "коммуникации" и "совместимость", была разработана эталонная модель взаимодействия открытых систем. В моде-да ВОС процесс коммуникаций разбит на семь уровней, начиная с физического (кабе-1И, разъемы и величина электрических сигналов) и до уровня приложений, на котором происходит обмен прикладной информацией (файлы, данные о производстве). На каждом уровне специфицирован набор стандартных услуг и механизм их предоставления. Набазе модели ВОС разработаны несколько коммуникационных стандартов.

Некоторые решения на физическом и канальном уровнях имеют особое значение Д.ПЯ промышленной автоматизации и систем управления процессами. Для передачи данных применяются витая пара, коаксиальный и оптоволоконный кабель. Важнейшими электрическими интерфейсами являются EIA-232-D и RS-485, рассмотренные в этой главе. Широко распространенными протоколами для передачи данных являются HDLC и его производные (например, протокол Ethernet) и протокол TCP/IP. Последний был первоначально разработан для передачи информации по сложным, взаимосвязанным сетям, но оказался вполне подходящим продуктом для задач промышленного производства.

Двумя важными концепциями, на которых основан обмен информацией в промышленности, являются MAP иТОР. Они ориентированы иаразличные составляющие промышленной деятельности, соответственно производство и общее управле-чие), но в значительной мере совместимы друг с другом. Как MAP, так и ТОР вляются сложными продуктами и поддерживают взаимодействие большого количества устройств на производстве среднего и крупного масштаба.

Решения, применяемые на нижнем уровне (уровень участка) промышленной авто-*атизации, обычно базируется на 1,2 и 7 уровнях ВОС. Шины локального управления "Редставляют собой устройства, специально разработанные для использования в про- ленных условиях. Развитие техники локальных вычислительных сетей, доступ-ть недорогого, гибкого и стандартизированного коммуникационного оборудования leH" успешного применения цифровой техники на всех уровнях промыш-ои автоматизации, вплоть до датчиков и исполнительных механизмов. Благодаря щ цифровым решениям, например обеспечиваемым шинами локального управле-датчики и исполнительные механизмы могут обладать некоторыми собственны-Ь1числительньтмы пап,-....,------------

........1,,пыс механизмы могут обладать некоторыми собствениы-

"ичислительными ресурсами и непосредственно взаимодействовать с управляю-""и ЭВМ, минуя этапы обработки и согласования аналоговых сигналов. „ вероятно, не существует другой области, кроме связи, где потребность в стандарти-"*"и была бы столь велика В случае, когда возникает потребность в применении но-техники, но соответствующие стандарты либо отсутствуют, либо не полностью .Деляют ситуацию, целесообразно использовать продукцию одного признанно.о зводителя. Последний должен взять на себя ответственность по обеспечению бу-"*ей интеграции его продукции в рамках постепенно со.-«йваемых стандартов.

Рекомендации по дальнейшему чтению

Классическим трудом по основам теории связи является [Shannon/Weaver, 1949] собрание классических статей по статистическому анализу процессов передачи ин формации.

Книга [Tanenbaum, 1996] на очень высоком уровне излагает практически все что необходимо о коммуникациях между ЭВМ, и при этом не утомляет читателя а [Tanenbaum, 1995] посвяпюна работе сетей как важнейшей части распределенных вычислительных систем. Обе книги рекомендуются для изучения, поскольку Tanenbaum является одним из немногих авторов, которые способны дать весьма солидное техническое обоснование и, не выходя за рамки устоявшихся способов изложения, сообщить новые идеи и взгляды, не отрываясь в то же время от реальных практических задач.

[Black, 1989] является современным и глубоким справочным руководством по общим вопросам связи, включая решения по передаче голоса и данных, ведущих телекоммуникационных компаний. Текст содержит детальную информацию о протоколах связи. [Held, 1989] описывает передачу данных, уделяя основное внимание оборудованию (модемы, мультиплексоры, интерфейсы). Это весьма современный материал, в деталях иллюстрирующий передачу информации по сетям общего пользования. Протокол TCP/IP детально описан в [Washburn/Evans, 1996]cco6.m-дением очень удачного баланса между теоретическими положениями и практическими требованиями. Эта книга содержит также и хорошее описание общих принципов построения сетей.

Описание шины PROFIBUS дано в [Bender, 1990]. Полный стандарт существует в виде документа DIN 19245, часть 1 и 2. Обзор предложений и требований к общему стандарту шин локального управления (Fieldbus) дан в [Wood, 1988]. Соображения, связанные с проблемой открытых стандартов для взаимодействия с устройствами типа Fieldbus, рассмотрены в [Warrior/Cobb, 1988].

В статье [Kaminski, 1986] описаны главные идеи, положенные в основу MAP В том же журнале [Earowich, 1986] представляет и протокол ТОР. Позднее был вылущен целый ряд книг, посвященных описанию протоколов MAP и ТОР.

Документацию по всем упомянутым нормативам и стандартам можно затреоо вать в национальных организациях по стандартизации. Некоторые адреса приведены в приложении "Стандарты и организации по стандартизации".

Программирование систем реального времени

Методы программирования. Управление ресурсами. Обмен.ин-формацией между процессами. Операционные системы и язьци реального времени

Обзор

Производственные процессы обычно управляются группой связанных друг с другом ЭВМ, каждая из которых решает свои задачи; этот подход обсуждается в разделе 9.6. Способ программирования в основном зависит от требуемого времени реакции. На верхних уровнях иерархии обычно используются программы управления базами данных и статистического анализа. Эти программы могут выполняться, например, раз в сутки, и поэтому здесь нет жестких требований ко времени реакции; используется обычная техника программирования для административных систем, подробно описанная в соответствующих учебниках. Иначе обстоит дело на нижних уровнях, которые осуществляют непосредственное управление физическим процессом. Здесь время реакции обычно настолько жестко ограничено, что требуются специальные методы и техника программирования. Эти методы являются предметом рассмотрения настоящей главы.

Для создания эффективных систем реального времени вычислительная техника имеет не меньшее значение, чем программные средства. В определенном смысле технические средства и программы являются логически эквивалентными - многие за-йчи можно решить с помощью как аппаратных, так и программных средств. Аппа-йтные средства должны обладать достаточными ресурсами, а программные - эффективно их использовать. Однако бывает, что программное обеспечение сводит "нет все достоинства оборудования.

Целью настоящей главы является практическое знакомство с программировани--*< в реальном времени. В идеальном случае предполагается, что программист не вы-*ДИт за пределы защищенной среды языка программирования, в рамках которой - соответствии с учебниками по программированию - можно решить все задачи. Реальности программисты работают непосредственно с операционной системой, зрабатывают резидентные программы и в рамках одного проекта смешивают язы-Программирования разного уровня, В этой главе не обсуждаются преимущества и %1х "и иной техники программирования, а на основе теории операцион-

систем приводятся практические решения некоторых проблем, аздел 10.1 посвящен основным понятиям, связанным с программами и процесса-Раздел 10.2 вводит некоторые концепции операционных систем как для однопро-борных, так и для распределенных конфигураций. В разделах 10.3 и 10.4 рассмат-, Эются проблемы защиты ресурсов и взаимного исключения и вводятся средства IHx решения (например, семафоры). В разделе 10.5 обсуждается взаимодействие .*ДУ процессами, а в разделе 10.6 - практические методы программирования для реального времени. Завершает главу обзор некоторых языков и операционных