Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Структура и принцип работы вычислительных сетей АСУ: Учебное пособие

Голосов: 1

В учебном пособии рассмотрены основные структуры и принципы работы вычислительных сетей АСУ. Учебное пособие предназначено для использования студентами специальности 220200 при изучении дисциплин "Вычислительные сети АСУ", "Проектирование автоматизированных систем", "Автоматизация технологических процессов", а также при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных работ. Подготовлено на кафедре информационно-измерительных технологий и систем управления Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ



                                                                                                                         коммутаторов.    Примерами          протоколов        канального         уровня     являются      узлами только в сети с соответствующей типовой топологией, например

                                                                                                                         протоколы   Ethemet, Token Ring, FDD1.                                                            топологией иерархической звезды. Это очень жесткое ограничение, которое

                                                                                                                               В   локалЬН~IX    сетях   протоколы        канального          уровня    используются       не позволяет строить сети с развитой структурой, например сети, объ­

                                                                                                                         компьютерами,        мостами,       коммутаторами            и     маршрутизаторами.        В     единяющей        несколько     сетей. предприятия           в      единую      сеть,     или

                                                                                                                         компьютерах     функции      канального         уровня       реализуются       совместными        высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между

                                                                                                                         усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.
                                                                                                                                                                                                                           узлами. Чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи

                                                                                                                               ~ обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях                                данных для Типовых топологий, а с другой            -   допустить использование про­

                                                                                                                                                                                                                           извольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень                   [5].
                                                                                                                         любых топологий и технологий функций канального уровня оказывается не­

                                                                                                                         достаточно, поэтому в 'модели        081   решение этой задачи возлагается на два                      Внутри      сети   доставка      данных     обеспечивается         соответствующим

                                                                                                                         следующих уровня     - сетевой и    транспортный.
                                                                                                                                                                                                                           канальным уровнем, а доставкой данных между сетями занимается сетевой

                                                                                                                              Канальный        уровень       обеспечивает         передачу        пакетов     данных,     уровень,     который     и   поддерживает       возможность        правильного         выбора

                                                                                                                         поступаюЩJ!Х    от   протоколов      верхних     уровней,         узлу   назначения,    адрес
                                                                                                                                                                                                                          маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда характер структуры

                                                                                                                         которого также указывает протокол верхнего уровня. Протоколы канального
                                                                                                                                                                                                                          связей между составляющими сетями отличается от принятого в протоколах
                                                                                                                                                                                                                          канального уровня.
                                                                                                                         уровня оформляют переданные им пакеты в кадры собственного формата,

                                                                                                                         помещая указанный адрес назначения в одно из полей такого кадра, а также
                                                                                                                                                                                                                                Сети     соединяются      между      собой     специальными            устройствами,

                                                                                                                         сопровождая кадр контрольной суммой. Протокол канального уровня имеет
                                                                                                                                                                                                                          называемыми       маршрутизаторами.        Маршрутизатор             -   это   устройство,

                                                                                                                                                                                                                          которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее
                                                                                                                         локальный   смысл,     он   предназначен        для   доставки        кадров   данных,    как
                                                                                                                                                                                                                          основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы
                                                                                                                         правило, в пределах сетей с простой топологией связей и однотипной или
                                                                                                                                                                                                                          передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю,
                                                                                                                         близкой технологией, например в односегментных сетях                     Ethernet   или же в
                                                                                                                                                                                                                          находящемуся      в   другой   сети,    нужно     совершить      некоторое      количество
                                                                                                                         многосегментных сетях,      Ethernet   и Тоkеп        Ring       иерархической топологии,
                                                                                                                                                                                                                          транзитных     передач       между   сетями,    каждый     раз     выбирая     подходящий
                                                                                                                         разделенных только мостами и коммутаторами. Во всех этих сетях адрес
                                                                                                                                                                                                                          маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность
                                                                                                                         назначения имеет локальный смысл            для данной сети и не           изменяется при
                                                                                                                                                                                                                          маршрутизаторов,       через   которые     проходит       пакет.    Проблема       выбора
                                                                                                                         прохождении кадра от узла исто~ника к узлу назначения.

                                                                                                                                                                                                                          наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является
                                                                                                                              Сетевой уровень
                                                                                                                                                                                                                          одной из главных задач сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем,
                                                                                                                              Сетевой уровень        (Network layer)      служит для образования единой
                                                                                                                                                                                                                          что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при вы­
                                                                                                                         транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети
                                                                                                                                                                                                                          боре маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно
                                                                                                                         мотуг использовать совершенно разные принципы                        передачи сообщений
                                                                                                                                                                                                                          зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика,
                                                                                                                         между конечными узлами          и   обладать произвольной структурой                   связей.
                                                                                                                                                                                                                          которая   может    изменяться    с     течением   времени.       Некоторые      алгоритмы
                                                                                                                         Функции сетевого уровня достаточно разнообразны. Протоколы канального
                                                                                                                                                                                                                          маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время
                                                                                                                         уровня локальных сетей обеспечивают доставку данных между любыми

                                                                                                                                                                                                                                                                     59
                                                                                                                                                                    58


НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ



                                                                                                                                                                                                                               межсетевого взаимодействия                IP    стека ТСР    /IP   и протокол межсетевого
                                                                                                                         как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное
                                                                                                                                                                                                                               обмена пакетами         IPX стека Novell.
                                                                                                                         время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям,
                                                                                                                                                                                                                                    Транспортный уровень
                                                                                                                         например надежности передачи. В общем случае функции сетевого уровня
                                                                                                                                                                                                                                    На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены
                                                                                                                         шире, ~ чем фун~ции передачи сообщений по связям снестандартной
                                                                                                                                                                                                                               или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства
                                                                                                                         структурой. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных
                                                                                                                                                                                                                               обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь
                                                                                                                         технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и
                                                                                                                                                                                                                               дело с надежным соединением. Транспортный уровень (Тгапsроrt                                  layer)
                                                                                                                         гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.
                                                                                                                                                                                                                               обеспечивает приложениям или верхним уровням стека                             -   прикладному и
                                                                                                                                Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами                          (packet).   При
                                                                                                                                                                                                                               сеансовому       -    передачу данных с той степенью надежности,                      которая им
                                                                                                                         организации    доставки       пакетов    на     сетевом      уровне    используется        понятие
                                                                                                                                                                                                                               требуется. Модель             OSI   определяет пять классов сервиса, предоставляемых
                                                                                                                         «номер сети». В этом случае адрес получателя состоит из старшей части                             -
                                                                                                                                                                                                                               транспортным            уровнем.        Эти      виды    сервиса       отличаются       качеством
                                                                                                                         номера сети и младшей - номера узла в зтой сети. Все узлы одной сети
                                                                                                                                                                                                                               предоставляемьlX              услу г.   срочностью,       возможностью             восстановления
                                                                                                                         должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину «сеть»
                                                                                                                                                                                                                               прерванной           связи,    наличием        средств   мультиплексирования           нескольких
                                                                                                                         на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное определение: сеть
                                                                                                                                                                                                                               соединений между разли~ными прикладными протоколами через общий
                                                                                                                         -   зто совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же
                                                                                                                                                                                                                               транспортный протокол, 'а главное - способностью к обнаружению и
                                                                                                                         номер сети.
                                                                                                                                                                                                                               исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование
                                                                                                                                Н? сетевом уровне определяются два вида протоколов. Первый вид                             -
                                                                                                                                                                                                                               пакетов   [5].
                                                                                                                         сетевые протоколы         -   реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно
                                                                                                                                                                                                                                    Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной
                                                                                                                         эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого
                                                                                                                                                                                                                               стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается
                                                                                                                         уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов,
                                                                                                                                                                                                                               самими     приложениями             И протоколами более высоких, чем транспортный,
                                                                                                                         называемых протоколами обмена маршрутной информацией                                  или просто
                                                                                                                                                                                                                               уровней,    а с        другой       стороны,    этот выбор    зависит       от того,    насколько
                                                                                                                         протоколами маршрутизации. С помощью этих протоколов маршруги­
                                                                                                                                                                                                                               надежной является система транспортировки данных в сети, обеспечиваемая
                                                                                                                         заторы    собирают   информацию            о     топологии          межсетевых      соединений.
                                                                                                                                                                                                                               уровнями, расположенными ниже транспортного                        -   сетевым, канальным и
                                                                                                                         Протоколы      сетевого       уровня     реализуются            программными              модулями
                                                                                                                                                                                                                               физическим. Т ак, например, если качество                   каналов        передачи   связи   очень

                                                                                                                         операционной системы, а также программными и аппаратными средствами
                                                                                                                                                                                                                               высокое      и        вероятность       возникновения        ошибок,         не    обнаруженных
                                                                                                                         маршрутизаторов. На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа,
                                                                                                                                                                                                                               протоколами          более низких уровней, невелика, то разумно воспользоваться
                                                                                                                         которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом
                                                                                                                                                                                                                               одним из облегченных сервисов транспортного уровня, не обремененных
                                                                                                                         уровне,   в   локальный        адрес    сети.        Такие    протоколы       часто       называют
                                                                                                                                                                                                                               многочисленными               проверками,        квитированием         и    другими     приемами

                                                                                                                         протоколами разрешения            адресов.       Иногда        их   относят    не     к   сетевому
                                                                                                                                                                                                                               повышения надежности. Если же транспортные средства нижних уровней
                                                                                                                         уровню, а к канальному уровню.
                                                                                                                                                                                                                               изначалъно ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому
                                                                                                                                Примерами     протоколов           сетевого           уровня    являются           протокол

                                                                                                                                                                                                                                                                                  61
                                                                                                                                                                         60


НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

                                                                                                                                                                                                                                    этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных,
                                                                                                                         сервису    транспортного    уровня,   который      работает,     используя    максимум
                                                                                                                                                                                                                                    благодаря которым секретность обмена данными обеспечивается сразу для
                                                                                                                         средств для обнаружения и устранения ошибок, включая предварительное
                                                                                                                                                                                                                                    всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол
                                                                                                                         установление логического соединения,             контроль доставки сообщений по
                                                                                                                                                                                                                                    Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен
                                                                                                                         KOHТP~ЬHЫM суммами циклической нумерации пакетов, установление тайм­

                                                                                                                         аутов доставки и т. п
                                                                                                                                                                                                                                    сообщениями для протоколов прикладиого уровня стека TCP/IP.

                                                                                                                              Протоколы нижних четырех уровней обобщенно называют сетевым                                                    Прикладной уровень

                                                                                                                         транспортом или транспортной подсистемой, так как они полностью решают
                                                                                                                                                                                                                                            Прикладной     уровень    (Application      layer)     это    просто    набор
                                                                                                                                                                                                                                    разнообразных       протоколов,   С   помощью       которых   пользователи       сети
                                                                                                                         задачу    транспортировки      сообщений     с    заданным     уровнем      качества    в

                                                                                                                         составных сетях с произволъной топологией и различными технологиями.
                                                                                                                                                                                                                                    получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или

                                                                                                                         Оставшиеся три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных
                                                                                                                                                                                                                                        гипертекстовые web-страницы и т.д. Единица данных, которой оперирует

                                                                                                                         сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.
                                                                                                                                                                                                                                        прикладной уровень, называется сообщением (тessage).

                                                                                                                                                                                                                                             Сетезависимые и сетенезависимые уровни
                                                                                                                              Сеансевый уровень
                                                                                                                                                                                                                                             Функции всех уровней модели OS1 могут быть отнесены к одной из
                                                                                                                              Сеансовый       уровень     (Session    layer)    обеспечивает          управление
                                                                                                                                                                                                                                        двух групп: либо к фуЩ(циям, зависящим от конкретной технической
                                                                                                                         взаимодействием станций в сети: фиксирует, какая                 из сторон является
                                                                                                                                                                                                                                        реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с
                                                                                                                         активной   в   настоящий    момент,   предоставляет      средства синхронизации.
                                                                                                                                                                                                                                        приложениями.
                                                                                                                         Последние позволяют вставjIять контрольные точки в длинные передачи,
                                                                                                                                                                                                                                             Три нижних уровня - физический, канальный и сетевой - являются
                                                                                                                         чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной
                                                                                                                                                                                                                                        сетезависимыми,   то   еС1Ъ   протоколы       этих   уровней    тесно   связаны   с
                                                                                                                         точке, а не    начинать все с начала. На практике немногие приложения
                                                                                                                                                                                                                                        технической   реализацией     сети   и    используемым         коммуникационным
                                                                                                                         используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных
                                                                                                                                                                                                                                        оборудованием. Например, переход на оборудование FDD1 означает полную
                                                                                                                         протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями
                                                                                                                                                                                                                                        смену протоколов физического и канального уровней во всех узлах сети.
                                                                                                                         прикладного уровня' и реализуют в одном протоколе         [5].
                                                                                                                                                                                                                                              Три верхних уровня - прикладной, представительный и сеансовый -
                                                                                                                              Представительный уровень
                                                                                                                                                                                                                                        ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей
                                                                                                                              Представительный уровень         (Presentation layer)     имеет дело с формой
                                                                                                                                                                                                                                        построения сети. На протоколы этих уровней не влияют какие бы то ни бьmо
                                                                                                                         представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее
                                                                                                                                                                                                                                         изменения в топологии сети: замена оборудования или переход на другую
                                                                                                                         содержания.    За   счет   уровня   представления      информация,         передаваемая
                                                                                                                                                                                                                                         сетевую технологию. Транспортный уровень является промежуточным, он
                                                                                                                         прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню
                                                                                                                                                                                                                                         скрывает детали функционирования нижних уровней от верхних. Это
                                                                                                                         другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных
                                                                                                                                                                                                                                         позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств
                                                                                                                         уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных

                                                                                                                         или же различия в кодах символов, например кодов               ASCII   и   EBCDIC.     на                       транспортировкИ приложений.


                                                                                                                                                                                                                                                                                 63
                                                                                                                                                                 62

                                                                                                                                                                                                                     -~.,   .....   ~


НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ




                                                                                                                                5.2. Стек протоколов             ТСРЛР
                                                                                                                                                                                                                                                                                              l               '   Данные приложения     ,
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            I
                                                                                                                                TCPIIP - собирательное' название для набора (стека) сетевых протоколов
                                                                                                                         разныхуровней, используемых в INТЕRNEт. Особенности                                               TCPIIP:
                                                                                                                                                                                                                                                             TCP-cerм ент:                          тсь
                                                                                                                            •     открытые       стандарты            протоколов,                разрабатываемые               независимо   от                                                    заголовок
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  Данные TCP-cerмeнra


                                                                                                                                  программного и аппаратного обеспечения;
                                                                                                                                                                                                                                                             IP-дейта грамма:          IP-             Данные IР-дейтаграммы
                                                                                                                            • независимость от физической среды передачи;                                                                                                           за галовок


                                                                                                                            •    система уникальной адресации;
                                                                                                                                                                                                                                                            Кадр       /:Ethemet-       "
                                                                                                                            •    стандартизованные протоколы высокого уровня для распространенных                                                                      заголовок
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  Данные Ethemet-Kaдp а
                                                                                                                                                                                                                                                            Ethemet:
                                                                                                                                 польэовательских.сервисов,




                                                                                                                                                                                                                                                                   Рис. 5.3. Пример инкапсуляции пакетов в стеке TCPIIP
                                                                                                                                                                  тер                                       UЮР


                                                                                                                                                                                                            I message (сооБЩE!:lие) I
                                                                                                                                       APplicatioo Layer
                                                                                                                                                                                                                                                       Примерное        соотношение уровней              стеков 081 и TCPIIP показано
                                                                                                                                 (Урооень припожений)
                                                                                                                                 -_                         -_   1--    stream
                                                                                                                                                                               -
                                                                                                                                                                                    (поток)
                                                                                                                                                                                        _.. -          .
                                                                                                                                                                                                                                                  на рис.   5.4.
                                                                                                                                       TransportLayer
                                                                                                                                cI'ранспсртный уровень)          I segment (сегмент) I 1'---                       packet     (пакет)   _
                                                                                                                                                                                                                                                                                     OSI                           тсрлр

                                                                                                                                         Intemet LayEr                    datagram                                       datagram                                                Прикладной
                                                                                                                                 (Межсетевой уровень)
                                                                                                                                                                  --11--
                                                                                                                                                                 1-     (дейтаграмма)                                  (дейтаграмма)
                                                                                                                                                                                                                                                                                Представления

                                                                                                                                                                                                                                                                                 Сеансовый
                                                                                                                                                                                                                                                                                                              Прикладной


                                                                                                                                                                                                                                                                                                           Транспортный
                                                                                                                                 Network Access Layer                                                                                                                           Тр анспоотный
                                                                                                                                      (Уроаень доступа к
                                                                                                                                                                                                                       trame (кадр)                                                                           Межсетевой
                                                                                                                                       среде передачи)
                                                                                                                                                                         trame(кадр)
                                                                                                                                                                                                      I I                                                                           Сетевсй


                                                                                                                                                                                                                                                                                 канальный                        Доступа к
                                                                                                                                                           Рис.   5.2. Стек         протоколов             TCPIIP                                                                                          среде передачи
                                                                                                                                                                                                                                                                                 Физический

                                                                                                                                Стек протоколов'         TCPIIP        (рис.       5.2)         делится на         4    уровня: прикладной

                                                                                                                         (application), транспортный (transport), межсетевой (internet) и уровень                                                                  Рис. 5.4. Соотношение уровней стеков 081 и TCP/IP

                                                                                                                         доступа 1< среде передачи                    (network access).               Термины, применяемые для                       Ниже кратко рассматриваются функции каждого:

                                                                                                                         обозначения         блока   передаваемых данных,                            различны           при    использовании         Прикладной уровень (уровень приложений)

                                                                                                                         разных протоколов транспортного уровня                                 -   ТСР и    UDP,        поэтому на рисунке          Приложения, работающие со стеком                     TCPIIP, могут также выполнять
                                                                                                                         изображено два стека. Как и в модели                            081,       данные более верхних уровней                 функции уровней представления                    и частично сеансового модели 081;
                                                                                                                         инкапсулируются в пакеты нижних уровней (рис.                                     5.3).                                 например, преобразование данных к внешнему представлению, группировка

                                                                                                                                                                                                                                                 данных для передачи и т.п.




                                                                                                                                                                                   64                                                                                                             65


НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ


                                                                                                                                                                                                                       получателя и другую служебную информацию, и сформированная таким
                                                                                                                               Примерами приложений являются КПР-серверы и клиенты                           (WWW-
                                                                                                                                                                                                                       образом дейтаграмма    передается на уровень доступа к       среде передачи
                                                                                                                          броузеры), программы работы с электронной почтой.
                                                                                                                                                                                                                       (например, одному из физических интерфейсов) для отправки по каналу
                                                                                                                              Для пересыл~и данных другому приложению, приложение обращается к
                                                                                                                                                                                                                       передачи данных.
                                                                                                                         тому или иному модулю транспортного уровня.
                                                                                                                                                                                                                           Не все компьютеры могут непосредственно связаться друг с другом;
                                                                                                                              Транспортный уровень
                                                                                                                                                                                                                       часто для того, чтобы передать дейтаграмму по назначению, требуется
                                                                                                                              Протоколы транспортного уровня обеспечивают прозрачную (сквозную)
                                                                                                                                                                                                                       направить ее через один или несколько промежуточных компьютеров по
                                                                                                                         доставку данных        (end-to-end delivery service)          между двумя прикладными
                                                                                                                                                                                                                       тому ИЛИ иному маршруту. .Задача определения маршрута для каждой
                                                                                                                         процессамн. Процесс, получающий или отравляющий данные с помощью
                                                                                                                                                                                                                       дейтаграммы решается протоколом IP.
                                                                                                                         транспортного уровня,идентифицируется на этом уровне номером, который
                                                                                                                                                                                                                           Уровень доступа к среде передачи
                                                                                                                         назы~ается номером          порта.    Таким образом,         роль адреса отправителя и
                                                                                                                                                                                                                           Функции этого уровня:
                                                                                                                         получателя на транспортном уровне выполняет номер порта (или проще                        -
                                                                                                                                                                                                                          • отображение IP-адресов в физические адреса сети (MAc-адреса,
                                                                                                                         порт).
                                                                                                                                                                                                                              например, Еthеmеt-адрес в случае сети Ethemet). Эту функцию
                                                                                                                              Анализируя       заголовок      своего   пакета,       полученного   от    межсетевого
                                                                                                                                                                                                                              выполняет протокол ARP(CM. раздел 3.5);
                                                                                                                         уровня, транспортный         модуль определяет по             номеру    порта получателя,
                                                                                                                                                                                                                          • инкапсуляция IР-дейтarpамм в кадры для передачи по физическому
                                                                                                                         какому из прикладных процессов направлены данные, и передает эти данные
                                                                                                                                                                                                                              каналу и извлечение дейтаграмм из кадров. При этом не требуется
                                                                                                                         соответствующеМ)' прикладному процессу (возможно, после проверки их на
                                                                                                                                                                                                                              какого-либо контроля безошибочности передачи (хотя он может и
                                                                                                                         наличие      ошибок    и    т.п.)." Номера         портов    получателя   и     отправителя
                                                                                                                                                                                                                              присугствовать), поскольку в стеке   TCPIIP такой контроль возложен на
                                                                                                                         записываются    в заголовок транспортным модулем, отправляющим данные;

                                                                                                                                                                                                                              транспортный уровень или на само приложение;
                                                                                                                         заголовок транспортного уровня содержит также и                        другую    служебную
                                                                                                                                                                                                                          • определение метода доступа к среде передачи - то есть способа, с
                                                                                                                         информацию; формат заголовка зависит от используемого транспортного
                                                                                                                                                                                                                              помощью     которого   компьютер      устанавливает   свое   право   на
                                                                                                                         протокола.

                                                                                                                                                                                                                              произведение передачи данных;
                                                                                                                              на транспортном уровне работают два основных протокола;                    UDP и ТСР.
                                                                                                                                                                                                                          • определение представления данных в физической среде;
                                                                                                                              Межсетевой уровень
                                                                                                                                                                                                                          •   пересылка и прием кадра.
                                                                                                                              Основным протоколом этого уровня является                     протокол     IP (Intemet
                                                                                                                         Protocol).
                                                                                                                              Протокол   IP    доставляет блоки данных, называемых дейтаграммами, от

                                                                                                                         одного IP-aдpeca       к   другому.    IP-aдpec      является    уникальным      32-битным

                                                                                                                         идентификатором компьютера (точнее, его сетевого интерфейса). Данные для

                                                                                                                         дейтаграммы     передаются      IР-модулю          транспортным     уровнем.      IР-модуль

                                                                                                                         предваряет эти данные заголовком, содержащим IP-aдpeca отправителя и

                                                                                                                                                                                                                                                              67
                                                                                                                                                                       66


НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ




                                                                                                                                                    6. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ
                                                                                                                                6.1. HART -      протокол


                                                                                                                                Пелевой коммуникационный протокол НART широко применяется в

                                                                                                                         промышленности как стандарт для цифровой                    коммуникации со           "smart"-
                                                                                                                         приборами.       Протокол      НART    (Highway Addressable Remote Transducer)
                                                                                                                         разработан       фирмой      Rosemount Inc.       в   середине       80-х   годов,   реализует
                                                                                                                                                                                                                          дН8ЛОroвыИ
                                                                                                                         известный стандарт         BELL 202 FSK (Frequency Shift Keying).                                смrнaЛ


                                                                                                                                Его особенность в том, что он использует для передачи цифровых
                                                                                                                                                                                                                                              к
                                                                                                                         даннь?, низкоуровневую частотную модуляцию, наложенную на аналоговый

                                                                                                                         сигнал    4-20   тА (токовая петля). Обмен данными по НART протоколу                                                                                      к - КОМ8НА8
                                                                                                                                                                                                                                                                                   о . ОТКЛИК

                                                                                                                         происходит !Ia скорости        1200 Бод.   Эта единица названа в честь Эмиля Бодо
                                                                                                                                                                                                                                       о                                          BpeмR (сек)               2
                                                                                                                         (Jean Maurice-Emile Baudot) (1845·1903),                 французского          инженера    по

                                                                                                                         телеграфии, изобретателя первого печатающего устройства для телеграфа.
                                                                                                                                                                                                                                                    Рис.б.Г, Схема работы НART протокола
                                                                                                                         Схема, поясняющая работу приборов по НART протоколу, представлена на

                                                                                                                         рис.б.Г.:
                                                                                                                                                                                                                                   6.2. Одноточечный      режим передачи данных
                                                                                                                                Для передачи логической         "1"   НART использует один полный период
                                                                                                                                                                                                                                   Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым
                                                                                                                         частоты     1200 Гц,   а для передачи логического "О"            -   два неполных периода
                                                                                                                                                                                                                          сигналом представлен на рис.б.2. Обычно в этом режиме датчик работает в
                                                                                                                         2200   Гц. Как видно на рис.б.l, НART составляющая накладывается на
                                                                                                                                                                                                                          аналоговых         АСУ   т,     а   обмен       по   НАRТ-протоколу        осуществляется
                                                                                                                         токовую петлю       4-20   мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период
                                                                                                                                                                                                                          посредством НART коммуникатора или компьютера. При этом можно
                                                                                                                         равно "О", то НART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал                       4-20 мА,
                                                                                                                                                                                                                          удаленно         (расстояние   до   3000   м)    осуществлять         полную   настройку   и
                                                                                                                         который поэтому тоже может использоваться.
                                                                                                                                                                                                                          конфигурирование датчика. Теперь оператору нет необходимости обходить
                                                                                                                                НART протокол построен по принципу "гла8НЫЙ                      •   подчиненный", то
                                                                                                                                                                                                                          все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со
                                                                                                                         есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает
                                                                                                                                                                                                                          своего рабочего места.
                                                                                                                         наличие      двух      управляющих         устройств      (управляющая           система    и

                                                                                                                         коммуникатор).

                                                                                                                                Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен

                                                                                                                         данными по НART протоколу.




                                                                                                                                                                      68
                                                                                                                                                                                                                                                                          69


НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ



                                                                                                                                                                                                                                       Обычно            в         аналоговой                    АСУШ              присутствует         множество

                                                                                                                                                                                                                          интеллектуальных полевых приборов, работающих в режиме 4-20мА                                                            +
                                                                                                                                                                                                                          НART. В этом случае удаленная настройка и конфигурирование да1ЧИКОВ

                                                                                                                                                                                                                          при           помощи               НARТ-коммуниiaтора                            или          НART-MoдeMa        требует




                                                                                                                                                                                  •      .........    .1                  последовательного подключения коммуникационного устройства к каждой

                                                                                                                                                                                                                          линии          4-20 мА, идущей от соответствующих приборов. для решения
                                                                                                                                                                                                                          поставленной задачи предлагается использовать НARТ-мультиплексор. При

                                                                                                                                                                                                                       таком              подходе             приборы                продолжают                  передавать       измерительную

                                                                                                                                                                                                                       информацию в систему по токовому выходу                                                   4-20   мА, а их конфигурация
                                                                                                                                       Рис.б.2. Одноточечный режим передачи цифровой информации
                                                                                                                                                                                                                      может быть изменена с одногоцифрового выхода управляющей системы .
                                                                                                                                   . 6.3. Многоточечный режим передачи данных
                                                                                                                                                                                                                      Связь              мультиплексора                 с         системой             управления             осуществляется      по
                                                                                                                                   В мноroточечном режиме (рис.б.3) датчик передает и получает
                                                                                                                                                                                                                      интерфейсу                  RS485      или   RS232.          При этом можно объединить в сеть около                        500
                                                                                                                           информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически
                                                                                                                                                                                                                      приборов (например,                          30     мультиплексоров                    соединенных           по   RS485,    lб
                                                                                                                          фиксируется на минимальном значении (только питание устройства _4 мА) и
                                                                                                                                                                                                                      каналов каждый). Структурная схема работы мультиплексора в аналоговой
                                                                                                                          не содержит       информации          об   измеряемой       величине.   Информация      о
                                                                                                                                                                                                                      системе представлена на рис.б.4 (линии                                         2,3,..0).
                                                                                                                          переменных процесса считывается по НARТ-протоколу.
                                                                                                                                                                                                                                                        ACvm
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             nк
                                                                                                                                                                                                                                                       .4.20""                                                                            ПроrpаUUI,

                                                                                                                                                                                                                                        I L--U===U===tf:=~==~~~~х~, --г
                                                                                                                                                                                                                                                                  . RS48~I.
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          МUХ-Мазlе,
                                                                                                                                                                                                                                        1;
                                                                                                                                                                                                                                              НART'


                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          :_~,
                                                                                                                                                                                                                          ....... ,                                                                                       t
                                                                                                                                                                                                                      д




                                                                                                                                                                                                                                                   л_н"" 2    ЛИНМJII 3 ... ЛМНИ,.    n
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          ,
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          •
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          I
                                                                                                                                                                                                                                                                            (п   - в. 16. 32)
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          I
                                                                                                                                                                                                                                                                                                         I'НARТL
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  -
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      __•
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        I
                                                                                                                                          Рис.б.3. Многоточечный режим передачи информации                            Датч •• 2

                                                                                                                                                                                                                                                                                                        ~                 I
                                                                                                                               К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. их                                                                                                                             ,
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          I

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          I
                                                                                                                         количество определяется длиной и качеством линии, а так же мощностью
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          ,
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          I
                                                                                                                         блока питания датчиков. Все да1ЧИКИ в многоточечном режиме имеют свой
                                                                                                                         уникальный      адрес   от
                                                                                                                                                                                                                                                                                                        l НART1
                                                                                                                                                                                                                                                                                                         MUX1         ---
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          I
                                                                                                                                                           до    15, и обращение к каждому идет по
                                                                                                                                                                                                                                      Л"н""   1                                                  НARТ·MUX    • мупьтммеа:ор
                                                                                                                         соответствующему        адресу.        Коммуникатор      или     система    управления
                                                                                                                                                                                                                                                    Рис.б.4. Структурная схема работы мультиплексора
                                                                                                                         определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым
                                                                                                                                                                                                                                      Существует возможность                           построения           с     помощью        мультиплексора
                                                                                                                         из них.
                                                                                                                                                                                                                      цифровой системы сбора и                                    визуализации информации.                       В этом случае


                                                                                                                                                                     70                                                                                                                         71


НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ



                                                                                                                          каждый      канал    мультиплексора       может        опрашивать        до       15    датчиков,          6.6. Сеть ASI (Actuator Sensor Interface)
                                                                                                                          подключенных к одной токовой петле. При таком подключении затраты на                                       Основная задача этой сети       -    связать в единую информационную

                                                                                                                          кабельную продукцюо существенно снижаются (рис.                  6.4).                              структуру устройства самого нижнего уровня автоматизируемого процесса

                                                                                                                                  6.4. Опрелелевне промышлеииой сети                                                          (датчики   и     разнообразные    исполнительные         механизмы)    с   системой

                                                                                                                                  Промышленная сеть       -     это набор стандартных протоколов обмена                       контроллеров.


                                                                                                                         данными,       позволяющих           связать        воедино    оборудование              (датчики,          АSI-интерфейс    позволяет    через      свои    коммуникационные     линии

                                                                                                                         исполнительные         механизмы,       промышленные           контроллеры)             различных    передавать не только данные, но и запитывать датчики. Здесь используется


                                                                                                                         производителей. а также обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего                                 принцип последовательной передачи на базовой частоте. Информационный

                                                                                                                         уровней АСУ.                                                                                         сигнал модулируется на питающую частоту.


                                                                                                                                  в промышленных сетях для передачи данных при меняют кабели,                                        В   качестве     физической         среды       используется    специальный

                                                                                                                         опговолоконные линии, беспроводную связь. Промышленные сети могут                                    неэкранированный двухпроводный кабель с трапециевидным профилем.

                                                                                                                         взаимодейс:вовать       с    обычными      компьютерными          сетями,           в   частности    Этот    кабель    позволяет   подключать         датчики,     устанавливаемые     на

                                                                                                                         использовать глобальную сеть          Intemet.                                                       подвижных частях механизмов. Топологией АSI-сети может быть шина,

                                                                                                                                  Выделяют три наиболее значимых параметра, по которым                                        звезда, кольцо или дерево с .циклом опроса       31 узла за 5 мс.

                                                                                                                         классифицируют сети         [4]: топология     сети, объем информационного сервиса,
                                                                                                                                                                                                                                     6.7. Сеть FOUNDAТION FIELDBUS
                                                                                                                         предоставляемого сетью, и способ доступа к физическому каналу передачи
                                                                                                                                                                                                                                     Основная область применения этой сети             -   самый нижний уровень
                                                                                                                         данных.
                                                                                                                                                                                                                              распределенной системы автоматизации с обвязкой устройств, работающих
                                                                                                                              Топология сетей (общая шина, кольцо, звезда) рассмотрена в                          1.7.
                                                                                                                                                                                                                              во взрывоопасных средах и использующих сеть как ДЛЯ информационного
                                                                                                                              6.5. Объем       информационного сервиса
                                                                                                                                                                                                                              обмена, так и для собственной запитки.

                                                                                                                              о модели         (081),· разграничивающей           и    формализующей функции,
                                                                                                                                                                                                                                     Foundation Fieldbus (FF) -          самый   молодой     и быстро растущий
                                                                                                                         выполняемые          различными       уровнями         аппаратного        и        программного
                                                                                                                                                                                                                              стандарт на промышленную сеть. FF представляет собой двухуровневый
                                                                                                                         обеспечения      сетевой структуры, рассказано в                 разд.        5.   На    практике
                                                                                                                                                                                                                              сетевой протокол, сочетающий черты мощной информационной магистрали
                                                                                                                         большинство промышленных сетей ограничивается только тремя уровнями:
                                                                                                                                                                                                                              для объединения компьютеров верхнего уровня и управляющей сети,
                                                                                                                         физическим, канальным и прикладным. Дешевые сети (например, ModВus)
                                                                                                                                                                                                                              объединяющей       контроллеры,     управляющие          компьютеры,    датчики    и
                                                                                                                         зачастую используют на физическом уровне интерфейс                   RS-232         или   R8-485,
                                                                                                                                                                                                                              Исполнительные механизмы.
                                                                                                                         а все остальные задачи, начиная с канального уровня, решают программным


                                                                                                                         путем.                                                                                                      На нижнем уровне в качестве физической среды передачи данных за

                                                                                                                                                                                                                              Основу взят стандарт IEC 61158-2, который позволяет использовать сеть FF

                                                                                                                                                                                                                              па   взрывоопасных     производствах       с    возможностью     запигки   датчиков




                                                                                                                                                                        72                                                                                               73


НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ


                                                                                                                                                                                                                               Протокол PROFIВUS-PA        -     сетевой интерфейс, физическая среда
                                                                                                                          непосредственно        от   канала связи.       Скорость   передачи       информации      на

                                                                                                                          нижнем уровне составляет         3 J,5 Кбит/с.                                                  передачи данных которого соответствует требованиям стандарта IEC 611.58-
                                                                                                                                                                                                                          2. Может   применяться для построения сети, соединяющей исполнительные
                                                                                                                                На верхнем -уровне) в настоящее время, как правило, используется FF                       устройства, датчики и контроллеры, расположенные непосредственно во
                                                                                                                         HSE   (Нigh     Speed Ethernet),     основанный, как видно из названия, на сети
                                                                                                                                                                                                                          взръmоопасной зоне. Он может использоваться в качестве замены старой 4-
                                                                                                                         Ethemet со     скоростью      100 Мбит/с.   Особенностью стандарта FF является то,               20mA-техн<iлогии связи. для коммутации устройств нужна всего одна витая
                                                                                                                         что в нем определен            дополнительный         пользовательский уровень           (User   пара, которая может одновременно использоваться и для информационного
                                                                                                                         Layer), позволяющий,         применяя предопределенные функциональные блоки,
                                                                                                                                                                                                                          обмена и для запитывания устройств,
                                                                                                                         строить промышленные сети с распределенным интеллектом.
                                                                                                                                                                                                                                На    одном   физическом       канале    (RS485 или    оптоволоконном)
                                                                                                                                                                                                                          одновременно могут работать устройства PROFIВUS всех трех типов .
                                                                                                                               . 6.8. Сеть PROFIBUS
                                                                                                                               при построении многоуровневых систем автоматизации, как правило,                           Рабочая скорость передачи может быть выбрана в диапазоне 9,6-

                                                                                                                         стоят задачи организации информационного обмена между уровнями. В                                 12000Ккбит/с.

                                                                                                                         одном случае необходим обмен сообщениями на средних скоростях. В
                                                                                                                                                                                                                                PROFIВUS широко используется для модернизации и расширения
                                                                                                                         другом    -    быстрый       обмен   короткими сообщениями           с     использованием
                                                                                                                                                                                                                           возможностей    существующих        систем.   Если   требуется   объединить   в
                                                                                                                         упрощенного протокола обмена (уровень датчиков). В третьем требуется
                                                                                                                                                                                                                          , детерминированную   сеть несколько контроллеров, оптимальным вариантом
                                                                                                                         работа' в опасных, участках· производства (переработка газа, химическое
                                                                                                                                                                                                                           будет PROFIВUS-FMS. Для создания сети с централизованным интеллектом
                                                                                                                         производство). Для всех этих случаев PROFIВUS имеет решение. Сегодня
                                                                                                                                                                                                                           и распределенным вводом/выводом лучше всего подойдет PROFIВUS-DP.
                                                                                                                         под PROFIВUS           понимается совокупность трех           отдельных протоколов:

                                                                                                                         PROFIВUS-FMS,           PROFIВUS-DP         и    PROFIВUS-PA.        Все    три    варианта

                                                                                                                         протокола используют общий канальный уровень (уровень                    2 ОSI-модели).
                                                                                                                               Протокол PROFIВUS~FMS ,включает в себя дополнительные типы

                                                                                                                         пакетов       (Fieldbus Message Specification),           появился       первым      и   был

                                                                                                                         предназначен для работы на так называемом цеховом уровне. Позволяет

                                                                                                                         организовывать в одной сети работу нескольких активных станций.

                                                                                                                               Протокол         PROFIВUS-DP         был       спроектирован    для     организации

                                                                                                                         быстрого (до     12 Мбит/с)      канала связи с датчиковым уровнем. Физическая

                                                                                                                         среда передачи     -    экранированная витая пара стандарта              RS-485.   В основе

                                                                                                                         алгоритма работы         лежит    модель    циклического      опроса      каналов.   Кроме

                                                                                                                         этого, существует       набор ациклических функций для конфигурирования,

                                                                                                                         диагностики и поддержки сигналов.


                                                                                                                                                                                                                                                                   7S
                                                                                                                                                                         74


НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ




                                                                                                                                           БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


                                                                                                                              1-" ХолмогорОв В. Компьютерная сеть свовмя-рукамв. Самоучител:ь.­
                                                                                                                          СПб.: Питер,   2004. -   171с.

                                                                                                                              2. Электрояная книга апваратвых средств. Нardware Вook -
                                                                                                                          http://www.hardwarebook.infoI
                                                                                                                              З. Прохоров А. Ишернет: как это работает-Сйб.: БХВ-Петербурr,    2004.
                                                                                                                         -280 с.
                                                                                                                              4. Мамаев М. телекоммувикационвыe техно.лоrии (Сети ТСРIIP):учеб .
                                                                                                                         . npcОбие.-Владивосток: ВГУ ЭиС, 2001.
                                                                                                                              5. ОлиферВ.Г., ОлиферН.А.    Компьютерные сети.-СПб.: Питер,   2003.-
                                                                                                                         863с.




                                                                                                                                                              76



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика