Промышленные сети нижнего уровня (полевые шины)

Локальные вычислительные сети, обеспечивающие физическую и логическую связь между распределенными промышленными контроллерами, измерительными преобразователями и исполнительными механизмами и их интеграцию в единую систему управления технологическим процессом, называются локальными промышленными сетями (ЛПС) (Fieldbus — «полевая» шина).

Основными требованиями к сетям, эксплуатирующимся в промышленных условиях, являются:

— высокая надежность;

— высокая скорость передачи данных (что отличает их, например, от глобальных сетей, которые могут вносить в передачу данных значительные задержки);

— простота монтажа.

В настоящее время существует большое разнообразие локальных промышленных сетей, которые условно разделены на два уровня и связаны посредством мостов между собой и с верхними уровнями АСУ: уровень датчиков и уровень производственного процесса:

— ЛПС для уровня ввода-вывода (sensor/actuator level) — объединение простых устройств: датчиков и исполнительных механизмов распределенной АСУ. Каждое из этих устройств должно иметь специальную интерфейсную микросхему. Сети данного уровня обеспечивают высокоскоростную передачу коротких сообщений. Длина сегмента сети обычно порядка 100 м, число узлов — несколько десятков, цикл опроса шины — порядка 10 мс, объем передаваемых данных за цикл — от одного до нескольких десятков байт. Примерами этих сетей являются ASI и Profibus DP;

— ЛПС для уровня производственного процесса (field level) — объединение промышленных контроллеров для сбора, обработки информации и управления технологическим процессом. Сеть может объединять сотни узлов и предназначена для передачи больших объемов данных (цикл шины — порядка 100 мс). Примерами таких сетей являются Profibus FMS и Bitbus.

Основой работы ЛПС служит стандарт, разработанный Международной организацией по стандартизации (International Standards Organization — ISO), описывающий правила соединения аппаратных и программных средств в единую систему. Он носит название модели взаимодействия открытых систем — (Open System Interconnection — OSI). Как правило, производители сетевого оборудования определяют свои изделия в терминах OSI-модели. Архитектура OSI-модели разбита на семь независимых уровней. В соответствии с этим передача информации в сети сводится к семи подзадачам, соответствующим определенным уровням модели. OSI-модель определяет назначение и правила взаимодействия уровней. Отдельные уровни отличаются по специфике выполняемых процессов и по технологиям реализации. Каждый уровень обеспечивает полный набор услуг для уровня, расположенного выше.

В табл. 1.1 указаны конкретные примеры реализации всех семи уровней OSI-модели. Нижние два уровня — физический и канальный — реализуются аппаратно-программным способом, остальные пять — в основном программным. Так, сетевой уровень реализуется драйверами операционной системы, а также аппаратными и программными средствами маршрутизаторов. Верхние четыре уровня реализуются средствами сетевой операционной системы.

1 Физический: Физическое (механическое и электрическое) соединение среды передачи данных

2 Канальный: Передача по физическому адресу в сети, доступ к среде передачи данных

3 Сетевой: Логическая адресация и маршрутизация

4 Транспортный: Прозрачная передача пакетов данных по сети

5 Сеансовый: Управление диалогом между устройствами сети

6 Представительный: Преобразование данных при передаче информации между устройствами с различными форматами данных

7 Прикладной: Предоставление сетевого сервиса для программ пользователя

При передаче информации между прикладными программами, находящимися на разных узлах сети, передаваемая информация проходит вниз через все уровни системы и преобразуется к виду, пригодному для передачи по физическим каналам связи. После доставки по требуемому адресу информация проходит через все уровни наверх и преобразуется в исходный вид.

Более подробнее рассмотрим каждый уровень. Физический уровень реализует физическое управление и относится к физической цепи, по которой передаются биты информации, на-

пример телефонной. На этом уровне модель OSI определяет физические, электрические, функциональные и процедурные характеристики цепей связи, а также требования к сетевым адаптерам и модемам.

Канальный уровень осуществляет управление звеном сети (каналом) и относится к пересылке блоков (совокупности битов) информации по физическому звену. Осуществляет такие процедуры управления, как определение начала и конца блока, обнаружение ошибок передачи, адресация сообщений и др. Канальный уровень определяет правила совместного использования сетевых аппаратных средств компьютерами сети.

Сетевой уровень относится к виртуальной (воображаемой) цепи, которая не обязана существовать физически. С помощью интерфейса, обеспечиваемого этим уровнем, удается «спрятать» сложности управления передачей на физическом уровне. Программные средства дан-

ного уровня обеспечивают определение маршрута передачи пакетов в сети. Маршрутизаторы, обеспечивающие поиск оптимального маршрута на основе анализа адресной информации, функционируют на сетевом уровне модели OSI. В качестве простейшего маршрутизирующего устройства между сегментами сети или различными локальными сетями может выступать и устройство, называемое мостом и функционирующее на более низком канальном уровне модели OSI.

Транспортный уровень. Первые три уровня образуют общую сеть, которую коллективно могут использовать многие пользователи. На транспортном уровне контролируется очередность пакетов сообщений и их принадлежность. Таким образом, в процессе обмена между компьютерами поддерживается виртуальная связь, аналогичная телефонной коммутации.

Сеансовый уровень. В некоторых случаях трудно организовать процесс взаимодействия между пользователями из-за обилия способов такого взаимодействия. Для устранения этих трудностей на данном уровне координируются и стандартизируются процессы установления сеанса, управления передачей и приемом пакетов сообщений, завершения сеанса. На сеансовом уровне между компьютерами устанавливается и завершается виртуальная связь по такому же принципу, как при голосовой телефонной связи.

Представительный уровень. Программные средства этого уровня выполняют преобразования данных из внутреннего формата передающего компьютера во внутренний формат компьютера-получателя, если эти форматы отличаются друг от друга (например, IBM PC и DEC). Данный уровень включает функции, относящиеся к используемому набору символов, кодированию данных и способам представления данных на экранах дисплеев или печати. Помимо конвертирования форматов на данном уровне осуществляются сжатие передаваемых данных и их распаковка.

Прикладной уровень относится к функциям, которые обеспечивают поддержку пользователю на более высоком прикладном и системном уровнях, например:

— организацию доступа к общим сетевым ресурсам — информации, дисковой памяти, программным приложениям, внешним устройствам (принтерам, стримерам и др.);

— общее управление сетью (управление конфигурацией, разграничение доступа к общим ресурсам сети, восстановление работоспособности после сбоев и отказов, управление производительностью);

— передачу электронных сообщений, включая электронную почту;

— организацию электронных конференций;

— диалоговые функции высокого уровня.

Модель OSI представляет собой стандартизированный каркас и общие рекомендации, требования же к конкретным компонентам сетевого программного обеспечения задаются протоколами. Локальные промышленные сети, как правило, реализуют физический, канальный и прикладной уровни OSI-модели, остальные уровни в большинстве случаев избыточны.