Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства передачи данных в автоматизированных системах. Учебное пособие
.pdf
1.3. Основные понятия и определения
11
3) локальные линии ближнего взаимодействия между двумя или бо-
лее устройствами на коротком расстоянии, например RFID-связь микропроцессорных пластиковых карт (snart-card), NFC (протокол коммуникации ближнего поля);
4) наземные коммуникации: это микроволновые передатчики и пара-
болические антенны, которые позволяют транслировать сигнал в нижнем
гигагерцевом диапазоне между приемником и передатчиком или между
направленными параболическими антеннами.
Одной из уже «классических» технологий радиочастотного взаимо-
действия является WiFi.
Технология WiFi (Wireless Fidelity) описывает беспроводную пере-
дачу данных между базовой станцией и клиентами. Технология WiFi использует формат передачи цифровых данных по протоколу Ethernet
(Wireless Ethernet).
Первоначально устройства в сети WiFi были предназначены исключительно для корпоративных пользователей, чтобы вытеснить «жестко закрепленные» и сформированные кабельные сети, предать «гибкость» компьютерным сетям и, самое главное, сделать возможным «свободное» подключение и отключение устройств от сети или обеспечить «гостевой» доступ клиентам без предварительного конфигурирования.
Для создания проводной сети требуется тщательная подготовка, которая включает в себя проведение специализированных расчетов, создание
топологии сети, а также прокладку кабель-каналов, формирование соединений и установку сетевого оборудования.
Для создания беспроводной сети общего назначения требуется лишь
установить в нужных точках базовые приемопередающие станции и подключить их к внешней сети или серверу по выделенному (обычно, проводному)
каналу. Далее необходимо просто использовать в каждом компьютере или
ноутбуке сетевую плату с WiFi антенной. После этого компьютеры можно
перемещать, как угодно, сеть будет существовать без особых проблем.
Единственной тонкостью здесь будет проницаемость препятствий
для радиоволн и удаленность приемников и передатчиков друг от друга.
Другой популярный радиоканал – это IrDA (Infra red Data
Assotiation). IrDA позволяет оборудованию передавать данные друг другу
без каких-либо специализированных кабелей. Передача выполняется при
Глава 1. Основы систем передачи данных
12
помощи одного инфракрасного излучателя и одного приемника. При этом
используется беспроводная линия связи с длиной волны до 880 нм.
Мы знаем этот протокол по абсолютно всем пультам управления бы-
товыми электроприборами и по старым моделям сотовых телефонов.
Недостатком порта IrDA является его «расстояние передачи»: он де-
лает возможным установку связи лишь на коротком расстоянии ‒ до 1 м в
режиме «точка-точка». Это значит, что в обычном режиме можно соединить
только два устройства межу собой на одной сессии или транслировать передачу от одного передатчика ко многим приемникам, если это имеет смысл.
IrDA никогда не применяется для создания «настоящих» локальных
сетей напрямую. Во-первых, сетевая передача данных сложна и требует
большой мощности. Это особенно видно при многоканальной передаче или
при подключении сразу нескольких устройств к одному “каналу” передачи
данных (моноканалу). Однако IrDA имеет чрезвычайно низкое потребление и высокую экономичность как приемника, так и передатчика, а значит
этот канал можно спокойно применять во встраиваемых устройствах с аккумуляторным питанием.
IrDA монополизирует достаточно узкий ИК-диапазон. Именно это
дает возможность использовать недорогую аппаратуру связи. Кроме того,
такая техника не требует сертификации в Федеральной комиссии по связи.
Любое ИК-устройство формируется из двух элементов:
1) преобразователь сигнала, состоящий из приемника-детектора и ди-
ода с управляющей электроникой;
2) кодер/декодер.
Данные между блоками передаются посредством оптического канала в не измененном виде. При этом в радиоканале данные упаковываются
в отдельные кадры простого формата, очень похожего на другой популярный формат связи ‒ RS232 (COM-порт).
COM-порт применяется в основном на персональной ЭВМ или в
микроконтроллерах. Там он называется universal asynchronous receiver
transmitter или UART. Похожим, но более функциональным решением является universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter или USART.
Порт стандарта RS232 обычно обеспечивает скорость передачи данных в пределах между 2400 и 115 200 бит в секунду, хотя его отдельные
1.3. Основные понятия и определения
13
реализации на близком расстоянии могут свободно и без ошибок транслировать информацию с пределом скорости в 1 МБит.
Практически во всех каналах связи (взаимодействия) между микро-
схемами используется принцип модуляции и демодуляции сигналов.
Для подключения к линиям связи часто используется Модем. Модем – это специализированное устройство для прямого и обратного преобразования аналоговых и цифровых сигналов к форме, используемой в канале связи определенного типа. Прямое преобразование называется «модуляция», а обратное ‒ «демодуляция». Внутри модема находится аналоговоцифровой (АЦП) и цифро-аналоговый (ЦАП) преобразователи.
Долгое время модемы были единственным средством доступа к сети
Интернет для частного или корпоративного использования, пока не были
вытеснены технологией Ethernet.
Сетевое программное обеспечение – это проприетарное (закрытое)
или программное обеспечение или программное обеспечение с открытым
исходным кодом, позволяющее пользователю работать в сети. Чаще всего
такое программное обеспечение пишется производителями сетевого оборудования и используется в качестве «моста» между локальными ресурсами и удаленными.
Существует несколько видов сетевого программного обеспечения.
Например, общее сетевое программное обеспечение включает в себя
такие распространенные вещи, как браузер, HTML-редактор, графические
веб-средства, переводчики, антивирусы и так далее.
Следует отметить, что браузер сейчас это уже не просто программа
для просмотра веб-страниц. Браузер сейчас содержит специальные средства для просмотра и управления веб-контентом, работы с мультимедиа,
документами, облачными ресурсами. Браузеры используются как полноценные средства разработки программного обеспечения, рисования, а
также как графические оболочки для компьютерных игр благодаря встроенным «движкам» для обработки JavaScript.
В некоторых случаях, современные браузеры способны заменить до
70 % другого программного обеспечения.
Другим видом сетевого программного обеспечения является системное программное обеспечение (СПО).
Системное ПО в общем случае объединяет следующие виды.
Глава 1. Основы систем передачи данных
14
Во-первых, саму по себе операционную систему (ОС) компьютера.
Это самая основная и обязательная часть любого крупного системного программного обеспечения. ОС гарантирует создание и переключение задач,
запуск программ, обмен информацией с пользователем, сопряжение с
внешними периферийными устройствами, а также сетью Интернет;
Во-вторых, сервисное ПО, которые дополняют возможности уста-
новленной операционной системы, предоставляя пользователю дополнительные функции в сетевой среде.
В-третьих, инструменты для технического обслуживания ЭВМ. Это
«утилиты» или программы специального назначения, которые делают диагностику, тестирование и поиск неисправностей оборудования.
Дополнительно к специальному сетевому обеспечению можно отнести программы и библиотеки для управления сетью, специальное серверное программное обеспечение, ПО для виртуализации, управления подключениями, балансировки нагрузки, хранения данных, а также обработки
и защиты информации.
Серверные операционные системы сейчас используются очень часто ‒ они являются основным звеном для организации облачных вычислительных систем, на их основе собираются образы виртуальных ОС (контейнеров), которые применяются на физических серверах для виртуализации
и распространения программного обеспечения. Все большие компании используют виртуальные машины с сетевыми операционными системами для
предоставления услуг клиентам, причем количество таких виртуальных машин может достигать тысяч для каждой компании.
К современным сетевым операционным системам можно отнести
MS Windows, MacOS, OpenSuse, Ubuntu, CentOS, Debian, Alpine. Причем,
первые четыре используются на рабочих станциях, а последние четыре
(включая Ubuntu) применяются в системах виртуализации.
В плане организации сетевого обмена в таких ОС можно выделить
выполнение следующих функций:
1) запуск и выполнение приложений пользователей;
2) взаимодействие пользователя с сетью;
3) установка и поддержание физического соединения с сетью.
К серверным функциям операционных систем мы также можем отнести:
1.3. Основные понятия и определения
15
1) контроль учетных записей пользователей;
2) организацию распределенного доступа к общим ресурсам;
3) вызов и выполнение кода программ;
4) защиту ресурсов и данных от несанкционированного доступа;
5) лицензирование и соблюдение авторских прав;
6) защиту персональных и корпоративных данных;
7) распараллеливание вычислений и многопроцессорную обработку
информации.
Следует также упомянуть такие средства для организации обмена
данными на «низком» уровне, как микроконтроллеры и микропроцессоры.
Дело в том, что практически все современные микропроцессоры и
микроконтроллеры оснащены средствами обмена данными с другими
устройствами.
В самом простом случае – это простой «порт», представляющий собой совокупность «ножек» микроконтроллера с общей логикой. Каждая
ножка «порта» может работать как вход или как выход микроконтроллера.
В таком случае мы можем запрограммировать «ножки» одного микроконтроллера для выдачи информационных импульсов, а «ножки» другого ‒
для приема. Таким образом, два устройства могут передавать друг другу
данные и обрабатывать их.
В более сложных случаях микроконтроллеры и микропроцессоры
имеют аппаратно-поддерживаемые порты ввода-вывода, реализующие какой-либо интерфейс связи. Самыми известными сейчас являются:
1) USB;
2) RS232;
3) I2C;
4) 1WARE;
5) CAN;
6) SPI.
Также существуют специализированные версии интерфейсов типа
ISO 7816 или RS485, которые также используются, но в отдельных случаях.
Поддержка со стороны аппаратуры здесь оговаривается как наличие
специального модуля внутри микроконтроллера, обрабатывающего потоки
данных в автоматическом режиме, модули (регистры) настроек скорости
передачи и параметров протокола, модули генерации сигналов прерываний
Глава 1. Основы систем передачи данных
16
для асинхронного режима работы (например, прерывание окончания передачи, окончания приема, переполнения буфера, превышения интервала
ожидания и так далее).
Отдельно можно упомянуть интерфейсы беспроводной связи, ко-
торые также присутствуют в некоторых современных микроконтроллерных системах. Но так как радиоканал подвержен помехам, то он монтируется на печатную плату устройства как отдельный модуль, с которым
устанавливается проводная связь со стороны микроконтроллера (а беспроводная ‒ между устройствами с разными микроконтроллерами на значительном расстоянии).
Рассмотрим далее сетевые операционные системы более подробно,
так как это важная тема для автоматизированных систем.
1.4. Сетевые операционные системы
автоматизированных систем
В сетевых операционных системах и в их установленном программ-
ном обеспечении обычно выделяется несколько частей:
1) инструменты для управления локальными ресурсами;
2) инструменты для распределения оперативной памяти и ее кон-
троля;
3) средства диспетчеризации процессов;
4) средства выделения памяти и управления процессорами;
5) средства управления периферийными устройствами;
6) средства распределения и предоставления доступа к собственным
ресурсам;
7) средства обработки внешних запросов (сервера веб-систем и си-
стем удаленного доступа);
8) средства для совместного использования файлов и других ресурсов.
Также выделяют дополнительные возможности, находящиеся
«выше» уровня системы:
1) справочные средства;
2) средства управления базами данных и другими системами хране-
ния;
1.4. Сетевые операционные системы автоматизированных систем
17
3) средства управления очередями запросов удаленных пользова-
телей;
4) средства перенаправления запросов;
5) средства коммуникации и обмена сообщениями;
6) средства информационной безопасности;
7) средства кэширования и буферизации;
8) средства маршрутизации.
Рис. 1. Структура сетевой ОС
Серверное программное обеспечение обычно характеризуется высокой стоимостью разработки и обслуживания, которая возрастает с увеличением числа потребителей (клиентов). Максимальную стоимость разработки и обслуживания имеют системы массового обслуживания и облачные системы. К ним приближаются удаленные и автоматизированные системы управления, распределенные вычислительные системы. Самыми
«дешевыми» являются обычные клиент-серверные системы «общего»
назначения, например новостные системы, системы развлекательного характера, электронные магазины и так далее.
Обычно расходы на содержание таких систем «удалены» во времени от момента создания и зависят от числа подключенных клиентов,
поэтому определение класса и «емкости» системы ‒ это важный этап проектирования.
Цены на клиентское программное обеспечение обычно ниже, чем на
серверное ПО. Поэтому существует множество сетевых программных
Глава 1. Основы систем передачи данных
18
средств, различающихся своими возможностями и условиями размещения
и эксплуатации. Есть программное обеспечение с открытым исходным кодом (open source), которое используется повсеместно и на серверах, и на
«клиентской» стороне.
Поэтому в качестве основных параметров, которые будут учиты-
ваться в процессе сравнения систем различного типа, являются следующие:
1) зависимость производительности ПО и его функций от числа фи-
зических или виртуальных ЭВМ на серверной стороне и числа подключенных клиентов;
2) требования к надежности и отказоустойчивости работы системы;
3) уровень предоставляемого сервиса, а именно: объем возможных
услуг, их качество, возможность усовершенствования программного обеспечения и расширение функционала прикладных программ, возможность
удаленного управления ресурсами и программами, удобство развертывания (установки), конфигурирования и настройки, своевременной профилактики, сбора статистики и мониторинга и так далее;
1) уровень защиты информации от несанкционированного доступа;
2) уровень потребление ресурсов вычислительной машины;
3) объем памяти и дискового пространства;
4) доступное процессорное время;
5) объем требуемого сетевого трафика;
6) возможность использования нескольких серверов;
7) возможность использования систем виртуализации;
8) типы поддерживаемых топологий в сети;
9) возможность изменения состава сети;
10) возможность создания приватных и виртуальных сетей.
В случае неоднородной сети со сложными прикладными программами или в случае распределенной сети с большим покрытием, может оказаться необходимой среда на базе нескольких сетевых операционных систем. При этом рассматриваются равнозначно как реальные ОС, так и операционные системы, размещенные в виртуальных машинах.
В таком случае мы можем выделить понятие ядра сетевой операционной системы. Ядро системы обеспечивает работу дополнительных пользовательских интерфейсов и различного прикладного программного обеспечения.
1.4. Сетевые операционные системы автоматизированных систем
19
Среди функций ядра ОС наиболее важными для нас являются:
1) контроль за выполнением процессов;
2) создание, завершение или приостановка процессов ОС;
3) организация взаимодействия между процессами;
4) планирование очередности предоставления времени центрального
процессора;
5) выделение оперативной памяти выполняемому процессу;
6) управление доступом к периферийным устройствам.
Программы выполняются на центральном процессоре ЭВМ. При
этом, независимо от числа ядер, соблюдается режим распределения вычислительных ресурсов процессора и распределения процессорного времени.
Центральный процессор ЭВМ поэтапно запускает на выполнение
каждый запущенный процесс. По завершении каждого выделенного кванта
времени каждый процесс останавливается, помещается в очередь и ядро системы активизирует выполнение другого следующего в очереди процесса.
Ядро операционной системы может запускать остановленный про-
цесс, если не нарушаются условия его возобновления. Условиями может
быть: число уже выполненных запусков, достигнутый предел использованного времени, объем используемых ресурсов, блокировка общих ресурсов
и так далее.
Ядро операционной системы дает процессам возможность обращаться к участкам адресного пространства при соблюдении соответствующих условий. Даже разделяемое адресное пространство процессора в любом случае остается защищенным от вмешательства извне.
Это действие называется «разделением памяти», и самое главное в
нем ‒ не допустить конфликтов между разными потребителями общей памяти и конфликтов при выполнении процедур чтения или записи данных в
одни и те же адреса.
Если системе для каких-либо операций требуется свободная память,
то ядро ОС ее освободит. Освобождение памяти также может сопровождаться временной выгрузкой использующего ее процесса на внешний носитель (жесткий диск).
Выделение внешней памяти в основном нужно для хранения данных
пользователя или других удаленных агентов системы. Основным активным
элементом в этом процессе обычно является файловая система.
Глава 1. Основы систем передачи данных
20
Ядро операционной системы управляет выделением памяти под
пользовательские файлы, оптимизирует неиспользуемую память, очищает
и дефрагментирует ее, а также защищает от НСД.
Ядро системы также обеспечивает управление доступом от разных
процессов к периферийным устройствам. Такими устройствами могут быть:
1) терминалы и подключаемые устройства управления;
2) аналоговые и цифровые датчики и сети датчиков;
3) считыватели внешних носителей;
4) различное подключаемое сетевое оборудование;
5) другие специальные устройства.
Рассмотрим далее возможные архитектуры распределенных автома-
тизированных систем на разных уровнях.
1.5. Возможные архитектуры распределенных
автоматизированных систем
Проведем обзор базовых структур компьютерных сетей. Мы будем
различать следующие типы структур (архитектур) компьютерных сетей:
1) компьютерная сеть с выделенным сервером или группой серверов;
2) одноранговая сеть, в которой нет четко выделенных серверов, а
само множество устройств разделяется на ряд независимых узлов, которые
можно называть равноправными с точки зрения доступа к ресурсам;
3) гибридная сеть, также часто называемая «клиент-серверной», с од-
норанговыми разделяемыми ресурсами.
Рассмотрим более подробно архитектуру автоматизированных си-
стем с отдельно выделенным виртуальным или физическим сервером.
Существуют следующие основные принципы управления в сетях:
1) централизованное управление;
2) децентрализованное управление.
Системы типа «клиент-сервер» ‒ это системы, в которых сервер вы-
полняет только процедуры организации, хранения и выдачи информации.
Примечательно то, что в сетях, которые основаны по принципу централизованного управления, все функции по управлению обменом данными возложены на основные серверы.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]