Основы проектирования приборов и систем. Лекции

Рисунок 88 Соединение повторителем двух сегментов сети

Концентратор является набором повторителей, одна сторона которых присоединена к рабочим станциям, серверам и другому оборудованию, а другая объединена в общую шину. Концентраторы представляют собой несколько соединенных между собой повторителей, размещенных в едином корпусе

(см. рис. 89).

Концентраторы служат для объединения в сеть нескольких сегментов (см. рис. 90). Концентраторы работают на физическом уровне.

Рисунок 89 Структура концентратора

Рисунок 90 Работа концентратора на физическом уровне

Конверторы (трансиверы) служат для соединения сетей Ethernet с различным типом кабеля, но одинаковой скоростью передачи. Например, для подключения сегмента 10Base2 к концентратору 10Base-T, для этого многие концентраторы 10Base-T имеют дополнительный вход с разъемом BNC для подсоединения сегмента на тонком коаксиальном кабеле. Трансиверы усиливают сигналы, преобразуют их уровни или преобразуют сигналы в другую форму (например, из электрической в световую и обратно).

При установке повторителей и концентраторов для сети на коаксиальном кабеле следует помнить правило «5-4-3»: количество сегментов не более пяти, количество повторителей не более четырех, сетевые устройства можно подключать только к трем сегментам (см. рис. 91).

Рисунок 91 Правило «5-4-3»

Для сетей на витой паре это правило превращается в правило «5-4»: между двумя любыми сетевыми устройствами может располагаться не более пяти сегментов кабеля и четырех концентраторов. В общем случае, для смешанной сети, один концентратор считается за один повторитель.

Таблица 10. Спецификации 802

При методе доступе с соревнованием станция начинает передачу немедленно, как только в этом возникает необходимость. Однако столь простое решение приводит к чересчур большому количеству столкновений (коллизий), то есть ситуаций, когда пакеты от двух или более станций накладываются друг на друга. Поэтому для доступа с соревнованием применяется более сложный, но дающий лучшие результаты метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection множественный доступ с прослушиванием несущей/обнаружение коллизий). Заключается он в следующем, прежде чем начать передачу, станция короткое время прослушивает среду CS (Carrier Sense - прослушивание несущей). В случае если среда занята, станция откладывает передачу. Обнаружив, что среда свободна, станция начинает передавать пакет. При передаче производится контроль соответствия того, что передается, и реального состояния среды.

Несоответствие означает коллизию CD (Collision Detection - обнаружение коллизий). Коллизия может случиться вследствие задержек сигнала в кабеле и аппаратуре, из-за чего несколько станций одновременно принимают решение о том, что среда свободна. Обнаружив коллизию, станция вместо остатка пакета начинает передавать случайную помеху (jam) продолжительностью 32 - 48 бит для того, чтобы коллизия продолжалась достаточно долго и все передающие станции ее обнаружили. После завершения передачи помехи станция замолкает на некоторое случайное количество периодов тактовой частоты.

В случае нескольких коллизий подряд происходит перезапуск. Таким образом, первый источник потерь времени (следовательно, снижения пропускной способности сети) - это время на обнаружение несущей. В случае столкновения вторым источником становится передача помехи и вынужденный простой на случайный период времени, а третьим - время, затраченное на передачу испорченного пакета. Так как количество столкновений растет с увеличением нагрузки, то наступает момент, когда все полезное время уходит на вышеперечисленные потери. В результате полезная пропускная способность падает до нуля.

Метод доступа с передачей маркера заключается в том, что каждой из станций поочередно дается право на передачу путем пересылки ей специального служебного пакета - маркера. Это может происходить централизованно (для чего требуется топология типа звезда и активное центральное устройство) или децентрализовано (станции просто передают маркер друг другу).

2) Сетевые устройства канального уровня.

На канальном уровне работают такие сетевые устройства как мосты (Bridge) и коммутаторы (Switch). Основное их отличие от концентраторов состоит в том, что они анализируют принимаемые по сети кадры, по крайней мере их адресную часть.

Мосты служат для объединения сетей с разными стандартами обмена, например, Ethernet и ARCnet, или нескольких сегментов одной и той же сети, например, Ethernet. В последнем случае мост, как и коммутатор, разделяет нагрузку сегментов, повышая производительность сети в целом. В отличие от коммутаторов мосты принимают поступающие пакеты целиком и в случае необходимости производят их простейшую обработку. Мосты, как и коммутаторы, работают на втором уровне модели OSI. В последнее время мосты быстро вытесняются коммутаторами, которые становятся более функциональными.

Рассмотрим работу моста, называемого прозрачным (он прозрачен для всех уровней модели OSI, начиная с сетевого и выше) и имеющего два порта. На первой фазе происходит обучение - мост анализирует кадры, приходящие по обоим портам, и формирует базы данных физических адресов устройств, имеющихся в обоих сегментах. Затем начинается фаза полезной работы: кадр принимается и анализируется. Некорректные кадры (неверная контрольная сумма, мала или велика длина) отбрасываются. Если

физический адрес кадра, принятого из порта, содержится в базе данных соответствующего порта, то этот кадр просто удаляется из памяти.

Если в базе данных порта, из которого принят кадр, нет его адреса, то он в нее добавляется, то есть обучение продолжается все время, благодаря чему можно подключать новые устройства. Если адрес имеется в базе данных другого порта, то мост, как обычное устройство, получает доступ к среде и передает кадр (см. рис. 93). Если адрес отсутствует в базе данных или он широковещательный (предназначен для всех устройств), то кадр также передается. В процессе работы происходит даже обновление баз данных, так как через определенный промежуток времени адреса из них удаляются. Если устройство, адрес которого удален, более не работает по какой-либо причине, то в базе данных очищается место. Если устройство продолжает работу, то в процессе обучения его адрес вновь заносится в базу.

Рисунок 93 Работа моста на канальном уровне

Из описания работы видно, что мост эффективно разделяет трафик двух и более сегментов сети, локализуя его внутри сегментов и обеспечивая межсегментную передачу только тогда, когда это требуется

(см. рис. 94).

Рисунок 94 Мост

При напряженном трафике в сети снижение нагрузки может быть реализовано при помощи внутренних мостов. Известно, что пропускная способность сетей Ethernet нелинейно зависит от нагрузки, быстро уменьшаясь по мере увеличения трафика. Приближение к критическому пределу можно определить по большому количеству столкновений, замедленной работе сети и высокой загрузке процессора обработкой запросов от сетевой платы. В таком случае может помочь разбиение сети на несколько сегментов, присоединенных каждый к своей сетевой плате (см. рис. 95). В результате трафик в каждом из сегментов снижается, пропускная способность увеличивается, нагрузка на процессор уменьшается, так как столкновений, испорченных кадров и повторных передач кадров становится меньше.

Рисунок 95 Внутренний мост

Для радикального снижения нагрузки на сеть и улучшения характеристик как структуры, так и безопасности, широко применяется разбиение сети на рабочие группы с выделением каждой рабочей группе своего сегмента сети и файл-сервера (см. рис. 96). Это позволяет изолировать трафик рабочих групп внутри сегмента, сохраняя целостность всей корпоративной сети для управления обмена данными.

Рисунок 96 Магистральная структура с применением внутреннего моста

Коммутаторы, обладая большим набором функций, выделены в отдельный класс. Они также служат для соединения сегментов в сеть. В основе работы коммутаторов лежит анализ физических адресов сетевого оборудования, но по сравнению с мостами применяемые алгоритмы более сложные, количество

При построении сети на коммутаторах следует иметь в виду, что правило 5-4-3 в данном случае неприменимо, то есть между двумя рабочими станциями или рабочей станцией и сервером может быть любое количество коммутаторов, мостов и маршрутизаторов. Это объясняется тем, что данные устройства в отличие от концентраторов и повторителей работают на канальном уровне или выше, то есть кадры полностью перетранслируются и передаются в другой сегмент сети, при этом вносимая задержка происходит не на физическом, а на канальном уровне.

Построение сетей на коммутаторах производится на основе древовидной топологии.

Для корпоративных систем, когда требуется объединить большое количество компьютеров, обменивающихся большими объемами информации, требуются другие решения, основанные прежде всего на специальной аппаратуре высокоскоростных сетевых картах, концентраторах и коммутаторах.

3) Сетевые устройства сетевого уровня.

Сети, построенные на коммутаторах, в той или иной степени подвержены широковещательным штормам, когда кадры, направленные всем, всем, всем, проходят по сети, достигая каждого устройства. Для изоляции подсетей применяются маршрутизаторы (router). Работая на более высоком, чем мосты и коммутаторы, уровне модели OSI (сетевом), маршрутизаторы эффективно изолируют широковещательные кадры, так как имеют дело не с отдельными кадрами, а с пакетами - единицами информации сетевого уровня, которые собираются из кадров. На входе и выходе маршрутизатора физически происходят прием и передача кадров, но внутри него работа осуществляется на сетевом уровне - из принятых кадров собираются пакеты и анализируются их логические сетевые адреса. Затем пакеты снова разбираются на кадры и передаются далее, но включаемый в эти кадры физический адрес соответствует уже получателю, либо маршрутизатору, через который идет кратчайшим путь к получателю.

Маршрутизатор может соединять сети с существенно различающейся архитектурой, например Ethernet и Token Ring.

Маршрутизаторы осуществляют выбор оптимального маршрута для каждого пакета с целью исключения чрезмерной нагрузки отдельных участков сети и обхода поврежденных участков. Они применяются, как правило, в сложных разветвленных сетях, имеющих несколько маршрутов между отдельными абонентами.

Маршрутизаторы работают на третьем уровне модели OSI, так как они анализируют не только MACадреса пакета, но и IP-адреса. Работая на сетевом уровне, маршрутизаторы направляют пакеты в соответствии с логическими адресами. Они строят свои таблицы (подобно тому, как это делают коммутаторы на канальном уровне), однако они создаются не для всей сети, а по мере необходимости. Для каждого неизвестного сетевого адреса производится поиск маршрута путем опроса ближайших соседей, которые, в свою очередь, опрашивают собственных соседей. Маршрут считается построенным, если найден конечный адресат или промежуточный маршрутизатор знает весь остаток маршрута (см. рис. 99).

Рисунок 99 Корпоративная сеть

От маршрутизаторов требуется большая вычислительная мощность, чем от коммутаторов, так как они не только анализируют физические адреса, но и осуществляют сборку/разборку и анализ пакетов, поэтому они гораздо дороже, чем концентраторы.

4) Сетевые устройства верхних уровней.

Шлюзы это устройства для соединения сетей с сильно отличающимися протоколами, например, для соединения локальных сетей с большими компьютерами или с глобальными сетями. Это самые дорогие и редко

применяемые сетевые устройства. Шлюзы реализуют связь между абонентами на верхних уровнях модели OSI (с четвертого по седьмой). Соответственно, они должны выполнять и все функции нижестоящих уровней.

5) Система хранения данных.

Важным компонентом любого сетевого решения является централизованная система хранения данных. В ней для решения различных задач могут быть использованы различные технологии.

Задача номер один это хранение постоянно используемых данных, к которым должен быть обеспечен оперативный, быстрый доступ. Здесь накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) вне конкуренции: они обеспечивают самое малое время доступа, измеряемое единицами миллисекунд.

Магнитооптические (MО) накопители при меньшей стоимости единицы хранения обеспечивают время доступа в десятки миллисекунд, их достоинством является возможность смены носителя. Поэтому они используются для решения задачи номер два создания библиотек, в которых можно накапливать большое количество информации, обращение к которой происходит эпизодически, так что время доступа не слишком критично. Для хранения очень больших объемов информации используются МО-библиотеки с автозагрузчиками, то есть устройствами, обеспечивающими автоматическую загрузку и смену носителя для поиска необходимой информации. Такие библиотеки могут иметь емкость в сотни терабайт.

Задача номер три это обеспечение сохранности данных.

Для предотвращения потерь, могущих произойти при отказах НЖМД, предпринимаются различные меры как организационного, так и технического характера. В основе таких мер лежат резервирование и избыточность. Давно известен принцип зеркальных дисков - когда содержимое одного накопителя в точности повторяет содержимое другого.

В современных серверах все большее распространение находит технология RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks избыточный массив из недорогих дисков). В массивах RAID также используется интерфейс SCSI. Стандартизованными уровнями RAID являются 0, 1, 2, 3, 4, 5. Остальные являются комбинациями и улучшениями, произвольно нумеруемыми разработчиками. Например, для графических приложений, работающих с файлами большого размера, наиболее пригоден уровень 3, для банка и офиса уровень 5, для случаев, когда требуется скорость и безопасность любой ценой, - уровень 1.

Основной функцией RAID-массива (см. рис. 100) является не повышение емкости дисковой подсистемы, а

обеспечение бесперебойной работы дисковой системы даже в случае отказа одного из накопителей. Повышение степени готовности достигается при помощи горячей замены накопителя, то есть извлечения неисправного диска и установки взамен нового без выключения питания. При этом дисковая подсистема продолжает работать даже при одном неисправном накопителе.

Рисунок 100 RAID массив

RAID контроллер сам отключит вышедшее из строя устройство и задействует вместо него резервное. На время, пока происходит перенос данных на вызванный из резерва диск, скорость передачи снижается, но только на это время. Дальнейшее повышение надежности обеспечивается резервированием блоков питания с возможностью горячей замены.

6) Кластер.

Лекция 16

1) Промышленные сети.

Основная цель построения распределенных систем автоматизации - удешевление и упрощение технологий производства и эксплуатации конечной системы за счет обеспечения технологии сквозного сетевого доступа: от мощных супервизорных компьютеров и многофункциональных контроллеров до интеллектуальных пассивных элементов (датчики, регуляторы и т. п.). При этом такая связь должна удовлетворять всем современным требованиям по функциональности, надежности и открытости.

Коммуникационная технология построения единой информационной сети, объединяющей интеллектуальные контроллеры, датчики и исполнительные механизмы, определяется одним термином fieldbus (полевая шина или промышленная сеть).

Fieldbus - это, во-первых, некий физический способ объединения устройств (например, по интерфейсу RS-485) и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия.

Объединение в одну цифровую сеть нескольких устройств - это только начальный шаг к организации их эффективного и надежного взаимодействия. Там, где коммуникационные системы гомогенны (однородны), то есть построены из устройств одного производителя, там аппаратно-программные проблемы, решены. Но когда речь идет о построении систем с использованием устройств различных производителей, то неизбежно встают вопросы их совместимости.

Системы, работающие по уникальным протоколам связи и производимые и поддерживаемые одной компанией, получили название закрытых систем.

Интегрировать в единую систему изделия от различных производителей, позволяет использование принципов открытых систем, открытых технологий, открытых сетей.

Сеть считается открытой, если она удовлетворяет следующим критериям:

наличие полных опубликованных спецификаций с возможностью их приобретения за разумные

деньги;

наличие критического минимума доступных компонентов от ряда независимых поставщиков; организация процесса ратификации возможных дополнений к стандартам и спецификациям.

Более коротко каждый желающий имеет возможность использовать то, что уже наработано, или выполнять собственные разработки, в том числе и такие, которые могут использоваться другими.

Если fieldbus-технология относится к открытым системам, то она должна обладать следующим рядом принципиальных качеств:

включаемостью (interconnectivity) - возможностью свободного физического включения в общую сеть устройств от различных производителей;

взаимодействием (interoperability) - возможностью построения работоспособной сети на основе включения компонентов от различных поставщиков;

взаимозаменяемостью (interchangeability) - возможностью замены компонентов аналогичными устройствами от других производителей.

Fieldbus является цифровой, двунаправленной, многоточечной, последовательной коммуникационной сетью, используемой для связи изолированных друг от друга (по функциям) таких устройств, как контроллеры, датчики, силовые привода и др. Каждое field-устройство обладает самостоятельным вычислительным ресурсом, позволяющим относить его к разряду интеллектуальных (smart fieldbus device). Каждое такое устройство способно самостоятельно выполнять ряд функций по самодиагностике, контролю и обслуживанию функций двунаправленной связи.

Fieldbus - это сеть для промышленного применения, логически очень похожая на LAN-сети, применяемые в офисных приложениях. Однако промышленные сети должны отвечать специфическому набору требований:

жесткая детерминированность (предсказуемость) поведения; обеспечение функций реального времени;

работа на длинных линиях с использованием недорогих физических сред (например, витая пара); повышенная надежность физического и канального уровней передачи данных для работы в

промышленной среде (например, при больших электромагнитных помехах); наличие специальных высоконадежных механических соединительных компонентов.

Детерминированность поведения, предполагает, что все возможные события в сети могут быть заранее четко определены.

Переход на fieldbus-технологию обещает улучшение качества, снижение затрат и повышение эффективности конечной системы. Это основано на том, что принимаемая или передаваемая информация кодируется в цифровом виде. Каждое устройство может выполнять функции управления, обслуживания и диагностики. В частности, оно может сообщать о возникающих ошибках и обеспечивать функции самонастройки. Это существенно увеличивает эффективность системы в целом и снижает затраты по ее сопровождению. Ценовой выигрыш получается за счет проводников и монтажных работ. Аналоговая технология связи требует, чтобы каждое устройство имело собственный набор проводов и собственную