Коммутируемые транспортные сети (ктс).

КТС называется сеть, в которой между предающим и приемным устройством связь устанавливается по запросам. Существуют следующие виды КТС:

• Коммутация каналов;

• Коммутация сообщений;

• Коммутация пакетов.

Отличительная особенность: необходимость предварительной договоренности между передатчиком и преемником, наличие сквозного канала.

Достоинство: возможность работы в режиме реального времени и отработанность технологии.

Недостаток: потеря времени на коммутацию и неравномерность загрузки каналов.

Следует заметить, что при наличии нескольких коммутаторов возможна организация связи между несколькими абонентами. Отсутствие связи может быть только в случае использования ресурсов коммутатора или занятостью одного из абонентов приемом сигнала от другого коммутатора.

Коммутация сообщений и пакетов объединяется понятием коммутацией с промежуточным хранением данных. Эта коммутация отличается от коммутации каналов тем, что передаваемая информация может сохраняться в буферной емкости коммутатора до того момента, пока не появится возможность для ее дальнейшей передачи.

При коммутации сообщений информация передается в целом от начала до конца сообщений.

Достоинство: отсутствие необходимости сквозного канала связи, высокая скорость, реальный режим времени.

Недостаток: задержка информации, наличие буферной емкости для хранения информации, отсутствие активного диалога.

Коммутация пакетов сочетает в себе достоинство коммутации каналов и коммутации сообщений. При коммутации пакетов исходное сообщение делится на определенное количество пакетов. Каждый пакет характеризуется следующей информацией:

• Код начала и конца пакета;

• Адрес отправителя/получателя;

• Номер пакета.

Таким образом, передаваемая информация в виде пакета приобретает определенную независимость. Тем самым увеличивается скорость передачи информации.

Существует понятие символьная коммутация. Она появилась в связи с необходимостью нахождения оптимальной длины пакета.

Лекция 11. Маршрутизация пакетов данных в транспортных сетях.

Задачей маршрутизации является выбор маршрута передачи информации по каналам связи от источника сообщений к его потребителю. Эта задача возникает в сетях с коммутацией каналов, сообщений и пакетов.

Основными целями маршрутизации являются:

• Минимальная задержка пакета в пунктах временного хранения;

• Максимальная пропускная способность сети;

• Максимальная защита информации, содержащейся в пакете;

• Надежность доставки пакета адресату;

• Минимальная стоимость пакета по каналам связи.

Различают следующие способы маршрутизации:

• Централизованная маршрутизация;

• Распределенная (децентрализованная);

• Смешанная.

Централизованная маршрутизация реализуется в сетях с централизованным управлением. В этом случае выбор маршрута для каждого пакета осуществляется в центральной ЭВМ.

Соответственно в сетях с децентрализованным управлением реализуется распределенная маршрутизация. Функции управления маршрутизацией распределяются между узлами (коммутаторами) сети, которые обладают необходимыми для этого требованиями. Эта маршрутизация сложнее, но обладает большей гибкостью.

Смешанная маршрутизация отличается сочетанием двух выше рассмотренных.

Для задачи маршрутизации пакетов в транспортных сетях характерны: постоянная динамика топологии сети, пропускная способность ее узлов и каналов, зависящей от объемов свободной буферной памяти и коммутационных ресурсов коммутаторов.

Различают три вида методов маршрутизации:

• Простая;

• Фиксированная;

• Адаптивная.

Простая маршрутизация не учитывает изменений топологии сети и временной загрузки ее элементов. Здесь не осуществляется направленная передача пакетов. Эта маршрутизация не гарантирует высокой эффективности передачи, но имеет простую реализацию и обеспечивает устойчивую работу сети при выходе из строя ее элементов.

Разновидности простой маршрутизации:

• Случайная;

• Лавинная.

Случайная характеризуется тем, что из каждого очередного узла пакет может быть направлен по любому свободному, случайно выбранному каналу связи. Используя случайный свободные каналы, пакет блуждает до тех пор, пока не доберется до адресата.

Лавинная маршрутизация отличается тем, что очередной пакет из узла передается одновременно по всем свободным каналам. Так, если каналы 2 и 4 заняты, то очередной пакет будет отправлен сразу по двум свободным каналам 1 и 3.

Применение лавинной маршрутизации приводит к резкому увеличению копий одного и того же пакета, что значительно увеличивает нагрузку на сеть и снижает ее пропускную способность. Поэтому в каждом узле организуется уничтожение копий, кроме одного, который снова отправляется по всем свободным каналам. Лавинная маршрутизация гарантированно обеспечивает оптимальное время доставки пакета адресату.

Фиксированная маршрутизация учитывает изменение топологии сети, но не учитывает изменение ее загрузки. Метод заключается в том, что для каждого узла назначения направление передачи пакетов выбирается по таблице маршрутов (каталог маршрутов), которая определяет (указывает) кратчайшие пути в сетях передачи данных. Однако, совершенно не учитывается загрузка каналов и узлов сети, что приводит к задержкам в передаче пакетов по заданным маршрутам.

Фиксированная маршрутизация делится на:

• Однопутевая;

• Многопутевая.

Таблицы однопутевой фиксированной маршрутизации предусматривает только один путь между двумя адресатами, что порождает отказы в сети.

Таблицы многопутевой маршрутизации предусматривают несколько вариантов соединения каждой пары абонентов, что дает возможность выбора лучшего из возможных маршрутов.

Адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, имеющейся в каждом узле, которая включает:

• Таблицу маршрутов передачи пакетов из этого узла;

• Данные о состоянии линий связи, выходящих из данного узла;

• Длину очереди ожидаемых пакетов.

Таким образом, выбор маршрута передачи очередного пакета из данного узла осуществляется на основании самых последних данных о его состоянии. Недостаток метода заключается в том, что состояние сети в целом не учитывается.

Распределенная адаптивная маршрутизация учитывает также наряду с состоянием узла и состояние смежных узлов. В каждом узле формируется таблица маршрутов ко всем смежным узлам с указанием минимального времени задержки пакета (таблицы задержек). В процессе работы сети узлы обмениваются между собой такими таблицами задержек, что позволяет каждому узлу корректировать свою таблицу маршрутов, учитывая при этом длину собственной очереди пакетов.

Централизованная адаптивная маршрутизация отличается тем, что задача маршрутизации для каждого узла сети решается в центре маршрутизации. Каждый узел периодически формирует сообщение о своем состоянии и передает его в центр маршрутизации, по этим данным центр маршрутизации для каждого из узлов сети составляет новые таблицы маршрутов, на основе которых и производится маршрутизация пакетов.

Гибридная маршрутизация сочетает в себе принцип централизованной и локальной адаптивной маршрутизации, т. е. использование таблицы маршрутов, рассылаемых центром маршрутизации узлам сети и анализа длины очередей в узлах. Гибридная маршрутизация сочетает достоинства этих методов и их недостатки.

Лекция 12.

Локальные вычислительные сети в системах

сбора и обработки информации.

Вычислительная сеть представляет собой систему распределенной обработки данных, охватывающую значительную территорию и включающей в свой состав большие ЭВМ.

В отличие от вычислительных сетей, локальные вычислительные сети (ЛВС) охватывает сравнительно небольшую территорию (≈ до 10 км в диаметре) и создаются на базе ПЭВМ. Такие системы могут быть созданы в пределах одного завода, предприятия, НИИ, ВУЗа, банка и т. д.

ЛВС характеризуются:

• Сравнительно низкой стоимостью;

• Высокой живучестью;

• Оснащенностью современными операционными системами, высокоскоростными средствами передачи данных и памятью (оперативной и внешней) большой емкости.

Поэтому они нашли широкое применение для автоматизации управленческой деятельности в учреждениях, на предприятиях (АСУП), а так же для создания на их основе информационных, измерительных и управляющих систем автоматизации технологических процессов (АСУТП).

Классификация ЛВС.

Все множество видов ЛВС можно разделить на 4 группы.

К первой группе относятся ЛВС, ориентированные на массового пользователя. Такие ЛВС объединяют, в основном, ПЭВМ с помощью систем передачи данных, имеющих низкую стоимость и обеспечивающих передачу информации на расстояние 100-500 м. со скоростью 2400-19200 бод (1 бит в сек.).

Ко второй группе относятся ЛВС, объединяющие кроме ПЭВМ, микропроцессорную технику, встроенную в технологическое оборудование, а также средства электронной почты. Система передачи данных таких ЛВС обеспечивает передачу информацию на расстояние до 1 км со скоростью от 19200 бод до 1 Мбод. Стоимость передачи данных здесь возрастает на 30% по отношению к 1 группе.

К третьей группе относятся ЛВС, объединяющие ПЭВМ, мини-ЭВМ и ЭВМ среднего класса. Эти ЛВС используются для организации управления сложными производственными процессами, а так же для создания крупных систем автоматизации. Системы передачи данных в таких ЛВС имеют среднюю стоимость, обеспечивают передачу информации на расстояние до нескольких километров со скоростью ≈120 Мбод.

Для ЛВС четвертой группы характерно объединение в своем составе всех классов ЭВМ. Такие ЛВС включают в себя элементы всех предыдущих групп. Такие ЛВС применяются в сложных системах управления крупным производством и даже отдельной отраслью. Расстояние до 10 км, скорость от 10 до 50 Мбод. По своим функциональным возможностям ЛВС этой группы мало чем отличаются от региональных вычислительных сетей, обслуживающих крупные города, районы, область.

По топологическим признакам ЛВС подразделяются на сети следующих типов:

1. с общей шиной;

2. кольцевые;

3. иерархические;

4. радиальные;

5. многосвязные.

1. С общей шиной.

В ЛВС с общей шиной одна из машин служит в качестве системного обслуживающего устройства, обеспечивающего централизованный доступ к общим файлам и базам данных, печатающим устройствам и другим вычислительным ресурсам. ЛВС данного типа приобрели большую популярность благодаря низкой стоимости, высокой гибкости и скорости передачи данных, легкости расширения сети (подключение новых абонентов не сказывается на основных характеристиках).

К недостаткам можно отнести необходимость использования довольно сложных протоколов и уязвимость в отношении физических повреждений кабеля.

2. Кольцевая топология.

Кольцевая топология характеризуется тем, что информация по кольцу может передаваться только в одном направлении, и все подключенные ЭВМ могут участвовать в ее приеме и передаче. Для того, чтобы не появлялись заблудившиеся данные, мешающие нормальной работе сети, необходима маркировка информации. Эта конфигурация особенно уязвима в отношении выхода из строя какого-то участка кольцевого кабеля, что приведет к прекращению обслуживания всех пользователей.

Защита от повреждений или отказов обеспечивается либо замыканием кольца на обратный (дублирующий) путь, либо переключением на запасное кольцо, общая кольцевая топология сохраняется.

3. Иерархическая ЛВС (дерево) представляет собой более развитый вариант структуры ЛВС, построенной на основе общей шины.

Дерево образуется путем соединения нескольких шин с кольцевой системой, где располагаются самые важные компоненты ЛВС. Дерево обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами ЛВс нескольких этажей в здании или несколько зданий на одной территории и реализуется, как правило, в сложных системах, насчитывающих 10 и даже 100 абонентов.

4. Радиальная (звездообразная).

В центре сети обычно размещается коммутирующие устройство, обеспечивающее жизнеспособность системы. ЛВС подобной конфигурации находит применение в автоматизированных учреждениях системах управления (1С – программа), использующих центральную базу данных. Они менее надежны, чем сети с общей шиной или иерархической, но эта проблема решается дублированием аппаратуры центрального узла.

К недостаткам можно также отнести значительное потребление кабеля по сравнению с шиной и иерархической топологии. Наиболее сложной и дорогой является многосвязная топология, в которой каждый узел связан со всеми другими узлами сети.

Эта топология применяется редко, в основном там, где требуется исключительно высокая надежность сети и скорость передачи данных. На практике чаще встречаются гибридные ЛВС, приспособленные к требованиям конкретного заказчика и сочетающие фрагменты всех топологий.

Сетевое оборудование ЛВС.

Сетевой адаптер представляет собой интерфейсную плату, которая служит для соединения процессорной и микропроцессорной техники с кабелем транспортной сети.

По выполняемым функциям сетевые адаптеры делятся на 2 группы:

1. реализующие функции физического и канального уровней базовой модели взаимодействия открытых информационных систем.

2. реализующие функции первых четырех уровней базовой модели взаимодействия открытых информационных систем: физического, канального, сетевого и транспортного.

Сетевые адаптеры первой группы обеспечивают прием – передачу данных из сети в ЭВМ и обратно, согласование скорости приема – передачи информации.

Такие адаптеры применяются в сетях с простой топологией, где отсутствует маршрутизация пакетов.

Сетевые адаптеры второй группы наряду с перечисленными выше функциями осуществляют следующие функции:

• маршрутизация пакетов данных;

• формирования пакетов из сообщений и сборку пакетов в сообщения;

• согласование протоколов различных сетей.

Технически адаптеры второй группы выполняются на базе микропроцессоров и встроенных моделей. Все сетевые адаптеры ориентированны на определенную топологию ЛВС и каждый из них поддерживает либо шинную, либо кольцевую, либо звездообразную, либо древовидную или комбинированную топологию сети.

Концентраторы (хабы) обычно имеют несколько портов, к которым отдельными кабелями подключаются конечные элементы сети, в частности компьютеры. Концентратор объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяющую среду, доступ к которой осуществляется в соответствии с одним из протоколов ЛВС.

Приемопередатчики или трансиверы предназначены для работы в сетях с шинной топологией.

Трансиверы – это устройство, которое принимает пакеты от рабочих станций сети и передает их в шину.

Мосты в настоящее время применяются для соединения сетей, имеющих различие на физическом и канальном уровнях.

На рисунке показано, как с помощью трех мостов три кольцевые сети объединяются в единую сеть.

Основное различие между мостом и коммутатором в том, что мост обрабатывает кадры последовательно, а коммутатор параллельно.

Лекция 13.

Сеть Кампуса

Рис. 1. Сеть Кампуса.

Пример Корпоративной сети

сервер

Рис. 2. Корпоративная сеть.

Сетевое оборудование ЛВС

Сотни фирм в разных странах создают различное сетевое оборудование, различные программные обеспечения, базы и банки данных. Создается множество локальных сетей. Постоянно возникает необходимость подключения локальной сети к более значительной вычислительной сети, глобальной сети Интернет и т. д.

Появляется необходимость стандартизации сетевого оборудования, программного и информационного обеспечения. Подобной стандартизацией занимаются ряд международных организаций, к одной из них относится ISO -международная организация стандартизации.

Основное значение в сетях имеют документы MKKTT- Международного консультативного комитета телефонии и телеграфии, который разрабатывает стандарты двух типов:

• регламентирующие передачу данных через телефонную сеть (стандарты «V»)

• регламентирующие построение общественных сетей передачи данных (стандарты «X» )

В соответствии со стандартами MKKTT любой источник или потребитель информации называется оконечным оборудованием данных и обозначается (DTE) .

Рекомендациями MKKTT введено понятие коммутатор обмена данными (DSE) .

Под каналом связи MKKTT понимают каналообразную аппаратуру, связанную некой физической средой ( в частности кабелем ). Выделяется аппаратура передачи данных (DCE ), к которой относят модемы, устройства преобразования сигналов, устройства защиты от ошибок и т. д.

Мультиплексоры обеспечивают уплотнение информации, что обеспечивает эффективную загрузку каналов связи.

Для связи различных типов общественных сетей передачи данных используются транзитные коммутаторы обмена данными, спутники связи.

Рекомендациями MKKTT определяют 3 класса соединения общественной сети передачи данных:

• локальные;

• национальные;

• международные.

Под локальным понимается соединение оконечного оборудования данных с национальным коммутатором обмена данных.

Национальное соединение образуют все коммутаторы обмена данными, расположенные в одной стране.

Международное соединение осуществляет объединение всех национальных соединений.

По протяженности все соединения делятся на 5 типов:

• 1000- средней длины;

• 10000- длинны;

• 25000- самые длинные наземные;

• 80000- магистральные через спутник;

• 160000- магистральные международные через 2 спутника.

Рекомендация X.1 MKKTT определяет 11 классов пользователей общественных сетей передачи данных:

класс	скорость передачи	способ передачи
1	50-200	Асинхронная
2	300
3	600	Синхронная
4	2400
5	4800
6	9600
7	48000
8	2400	Пакетная
9	4800
10	9600
11	48000

Рекомендация X.92 MKKTT вводит понятие логического модуля сборки, разборки пакетов ( РАD ). Таким образом, построение общественных сетей полностью регламентировано стандартами X… MKKTT.

Другим примером сетевых стандартов служат стандарты графических данных. В настоящее время существует целый ряд графических редакторов (Autocod…, Компас), которые могут функционировать в составе информационных систем.

Примером графического стандарта может служить стандарт IGES , любая графическая информация только в этом стандарте передается по каналам связи.

Соединения общественной сети передачи данных

Рис. 3. Общественные соединения.

Обозначения:

• Коммутаторы обмена данных

- Транзитные коммутаторы

- Спутники связи

- Оконечное оборудование

Лекция 14

Микроконтроллеры в системах сбора и обработки информации

Встроенные системы управления

Встроенными системами управления (ВСУ) называют системы, конструктивно интегрированные в технологическое оборудование. Как правило, ВСУ имеют 3 интерфейса связи:

1. с технологическим оборудованием;

2. с пультом управления;

3. с централизованной системой управления (АСУП).

Интерфейсы имеют программно-аппаратную реализацию.

Рис.1 Интерфейсы встроенной системы управления.

ВСУ с использованием микропроцессорной техники позволяют реализовать концепцию распределённой системы управления:

Рис.2 Распределённая система управления

В распределённой системе управления (Рис.2) функции управления определённым технологическим оборудованием распределены между встроенными системами управления, а управление всей технологической линией передано ЦСУ. Пульты операторов встроенных систем управления (ВСУ) обеспечивают информацией технологов лишь по определённому технологическому оборудованию. Пульт оператора ЦСУ поставляет информацию, необходимую для начальников смен, цехов, главного технолога и др. по работе всей технологической линии.

ВСУ, технологическое оборудование и пульт управления в совокупности образуют модуль распределённой системы управления (РСУ). Конструктивно этот модуль может быть организован в следующем виде:

• ВСУ, технологическое оборудование и пульт управления находятся в одном корпусе;

• ВСУ совмещена с пультом оператора и вынесена от технологического оборудования;

• пульт оператора вынесен на достаточно большое расстояние от технологического оборудования со встроенной системой управления.

Различают однопроцессорные и многопроцессорные (мультипроцессорные) встроенные системы управления. В случае двухуровневой РСУ – с мультипроцессорной ВСУ.

С мультипроцессорной системой управления на нижнем уровне отдельные задачи по управлению технологическим оборудованием решают индивидуально каждый из процессоров. По совокупности управления технологическим оборудованием вопросы решает мультипроцессорная ВСУ, а управление производством в целом осуществляет ЦСУ, представляющая собой верхний уровень управления.

На практике под ВСУ понимается программируемый промышленный микропроцессорный контроллер. Главное отличие компьютера, обслуживающего ЦСУ, от программируемого промышленного контроллера заключается в его практической направленности на предметную область как в части аппаратного, так и программного обеспечения.

Всё множество задач, решаемых микропроцессорным контроллером можно разделить на две части:

1. Управление технологическим процессом в режиме реального времени.

2. Обработка больших массивов информации.

В предпроектных исследованиях при разработке АСУ большое внимание должно быть уделено перечню входных дискретных, аналоговых, импульсных сигналов и выходных дискретных, аналоговых, импульсных сигналов с целью определения оптимального количества контуров регулирования и управления.

Главной задачей для решения вопросов управления процессом в режиме реального времени является своевременная выработка управляющих воздействий для контуров регулирования и управления.

Для решения второй задачи необходимо продумывать вопросы обеспечения необходимыми техническими средствами, как внутренними, так и внешними программируемыми контроллерами.