Передача информации в распределенных информационно-управляющих сист

ском приборостроении. Сегодня CAN стандартизирован (Международные стандарты ISO 11898 для высокоскоростных приложений и ISO 11519 для низкоскоростных приложений).

Таблица 3.2 Соответствие уровней CAN уровням модели OSI/ISO

пом к каналу; LLC (logical Link Conti > 1) – управление логическими связями.

Основополагающие решения формирования CAN-интерфей- са определила специфика автомобилестроения. Выбор последовательного метода передачи информации в этом протоколе обусловлен необходимостью минимизации кабельного хозяйства ав-

91

томобиля. Автомобильный кабель должен быть стойким к истиранию, а разъем – устойчивым к вибрации и прочным, оба компонента должны быть малогабаритными и недорогими. Параллельный интерфейс с его громоздким хозяйством здесь практически неприемлем.

Все узлы CAN, в том числе ведущий передачу, анализируют логический уровень на линии. На основе этого анализа передатчик делает выводы об «отношении» к информации, поступающей от других узлов. Этот механизм широко применяется в CANинтерфейсе для арбитража шины и обнаружения ошибок передачи. А поскольку он работает в ходе передачи сообщения, то является очень экономичным по времени: отдельная линия и отдельные приемники и передатчики в узлах не нужны. Таким образом, в CAN-технологии реализована шинная топология.

Рассмотрим арбитраж шины. В CAN-протоколе сообщения не являются адресными. В них предусмотрен «идентификатор», содержащий адрес регистра передачи. Наиболее приоритетным считается сообщение с численно меньшим идентификатором. Все узлы синхронизируют работу своих тактовых генераторов по отношению к перепадам (фронтам) сигналов на линии.

Линия представляет собой логический элемент «монтажное И», из таблицы истинности которого видно, что уровень «логическая 1» формируется на линии (на выходе «монтажное И») только тогда, когда уровни «логической 1» присутствуют на всех его входах.

Уровень «логический 0» формируется на линии (на выходе «монтажное И»), если уровень «логический 0» присутствует на любом из его входов. Таким образом, «логический 0» на любом входе имеет однозначный приоритет (он называется «dominant»). Будем считать «recessive» – уровнем «логической 1», а «dominant» – уровнем «логического 0».

Перед передачей сообщения узел проверяет линию на свободность. Таким образом, несколько узлов могут одновременно начать выдачу сообщений, передав стартовый бит с уровнем «ло-

92

гический 0», после чего линия уже не считается свободной. Заняв линию, узлы приступают к передаче идентификатора, начиная со старшего бита. Пока идентификаторы побитно совпадают, одновременная передача сообщений остается незамеченной для всех узлов сети, в том числе и передающих. Когда же один из узлов передает уровень «логической 1», а другой – уровень «логического 0», на линии, как уже говорилось, формируется уровень «логический 0».

Узел, передающий уровень «логическая 1» и при этом зафиксировавший на линии уровень «логический 0», прекращает передачу. Идентификатор его сообщения численно больше идентификатора, передаваемого другим узлом, который продолжает передачу более приоритетного сообщения.

Таким образом, приоритетный узел был выявлен без потери времени на арбитраж простым побитным сравнением идентификаторов (т.е. приоритетов) непосредственно в ходе передачи.

По логике организации обмена данными CAN отличается от традиционных интерфейсов. Организация обмена событийно-

ориентированная. Это означает, что как только узел получает сообщение о событии, о котором необходимо информировать другие узлы системы (с учетом описанной выше процедуры арбитража), он начинает широковещательную передачу сообщения. Такая процедура выполняется без программного опроса, прерываний и без контроллера, управляющего обменом. В результате возрастает живучесть системы: даже будучи разделенной на две части, она сохраняет жизнеспособность каждой из них («принцип дождевого червя»). При этом обе подсистемы смогут функционировать независимо. Другое следствие равноправности всех узлов – экономия времени на доставку сообщения до адресата за счет децентрализации системы.

Как уже отмечалось, в CAN-протоколе понятие «адрес» отсутствует, а имеется понятие «идентификатор», который фактически является адресом регистра передачи (в узлах CAN-интерфейса нет программно доступных по записи регистров приема). Каждый

93

идентификатор жестко связан со своим массивом данных, который может быть передан в линию при инициации передачи соответствующим узлом (т.е. разным типам сообщений соответствуют разные идентификаторы). Остальные узлы «прослушивают» линию и анализируют идентификаторы передаваемых сообщений, принимая только «свои» данные и игнорируя остальные. Данные могут одновременно принимать несколько узлов. Это значительно ускоряет работу интерфейса благодаря отсутствию дублирования передачи одинаковых данных разным узлам.

В событийно-ориентированную логику работы интерфейса органично включена процедура запроса данных. Если узлу потребовались данные, формируемые другим узлом, он посылает (широковещательно) сообщение с запросом этих данных, указывая в нем идентификатор данных. В ответ узел – держатель данных передает соответствующее сообщение. Таким образом, событие узла, вызвавшее необходимость в данных, инициирует их доставку этому узлу.

3.8. Сетевые характеристики РИУС

Рассмотрим сетевые характеристики РИУС (МСТМ). Все множество характеристик качества транспортных услуг сети можно отнести к одной из следующих групп:

производительность;

надежность;

безопасность;

характеристики, имеющие значение только для поставщика услуг:

– планирование и контроль расходования ресурсов в процессе передачи пользовательского трафика;

– производительность коммутатора (количество потоков пользователей, которое можно обработать с помощью данного коммутатора).

Первые три группы соответствуют трем наиболее важным для пользователя характеристикам транспортных услуг, свиде-

94

тельствующим об эффективности сети – возможности без потерь и перерывов в обслуживании (надежность) передавать с заданной скоростью и задержкой (производительность) защищенную от несанкционированного доступа и подмены информацию (безопасность).

Существует и другой тип договора между поставщиком услуг и пользователем (потребителем, клиентом), называемый соглашением об уровне обслуживания (Service Level Agreement, SLA). В таком соглашении поставщик услуг и клиент описывают качество предоставляемой услуги в количественных терминах, пользуясь характеристиками эффективности сети.

Например, в SLA может быть записано, что поставщик обязан передавать трафик клиента без потерь и с той средней скоростью, с которой пользователь направляет его в сеть. При этом оговорено, что это соглашение действует только в том случае, если средняя скорость трафика пользователя не превышает, например, 3 Мбит/с, в противном случае поставщик получает право просто не передавать избыточный трафик.

В целом количественные характеристики производительности позволят оценить, насколько быстро и качественно сеть передает трафик потребителя (клиента, заказчика, терминала, датчика, администратора, оператора и пр.).

Рассмотрим передачу пакетов идеальной сетью (рис. 3.11, на котором обозначены задержки d1, d2 и d3 пакетов 1, 2 и 3 соответственно).

Идеальная сеть доставляет все пакеты к узлу назначения:

не потеряв ни один из них (и не исказив информацию ни

водном из них);

в том порядке, в котором они были отправлены;

с одной и той же и минимально возможной задержкой

(d1 = d2 и т.д.);

задержка передачи пакета определяется как интервал вре-

мени между моментом отправления первого бита пакета в канал связи узлом отправления и моментом поступления первого бита пакета в узел назначения соответственно.

95

Существуют и другие определения времени задержки пакета. Например, эту величину можно определить как время между моментом отправления первого бита пакета в канал связи узлом отправления и моментом поступления последнего бита пакета в узел назначения соответственно.

Рис. 3.11. Передача пакетов идеальной сетью

В реальной сети может нарушаться одно или несколько из этих требований. Передача пакетов реальной сетью приведена на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Передача пакетов реальной сетью

96

Пакеты доставляются сетью к узлу назначения с различными задержками (это неотъемлемое свойство сетей с коммутацией пакетов). Случайный характер процесса образования очередей приводит к случайным задержкам, при этом задержки отдельных пакетов могут быть значительными, в десятки раз превосходя среднюю величину задержек. Неравномерность задержек приводит к неравномерным интервалам между соседними пакетами.

Оценку производительности систем коммуникации можно проводить различными методами (табл. 3.3)

Методы – это косвенные вычисления и анализ характеристик с использованием известных (измеренных) параметров системы (анализ составляющих задержек, вносимых процессорами NC).

Для проведения анализа производительности систем, еще не реализованных в виде конкретных устройств, решающее значение имеет метод имитации. Под имитацией понимается создание модели, воспроизводящей работу системы с различной степенью адекватности, анализ которой производят с учетом реальных событий, но в отрыве от реального масштаба времени. Имитация имеет ряд преимуществ: гибкое изменение параметров, влияющих

97

на работу системы; возможность проиграть наихудший вариант и т.д. Например, применение программ имитационного моделиро-

вания (opnet, SCADA-пакетов и др.).

Математический анализ Fieldbus-системы предполагает построение аналитической модели, описываемой детерминированными или вероятностными функциями (например, использование аппарата СМО, сетей Петри, автоматных моделей и пр.). В связи с разнообразием протоколов (гетерогенностью) и требований к Fieldbus-системам построение адекватных математических моделей отдельных сегментов и всей сети – это сложная задача. При ограниченных требованиях к точности результатов этот метод позволяет получать оценку производительности системы, точность которой обусловлена точностью и корректностью исходных данных и используемых моделей.

Технология benchmark – это традиционный способ измерения производительности ИВС, ИУС и ИКС. Он заключается в выборе какого-либо фиксированного задания и выполнении его на каждой из тестируемых систем. На основании полученных результатов производят сравнение производительности. Метод позволяет получать хорошие результаты даже в том случае, если, например, не известна внутренняя структура протокола. Benchmark-тесты могут применяться и для отраслевых испытаний.

Benchmark-тесты по назначению можно подразделить на следующие группы:

для системы из двух узлов;

для системы из нескольких узлов;

для системы с высокой нагрузкой;

для выполнения специальных функций.

Для того чтобы представить характеристики качества передачи последовательности пакетов через сеть в компактной форме, применяются статистические методы. Статистические методы служат для оценки характеристик случайных процессов, а именно такой характер имеют процессы передачи пакетов сетью. Сами характеристики производительности сети, такие как, например, задержка пакета, являются случайными величинами.

98

Для получения устойчивых результатов нужно наблюдать поведение сети, по крайней мере, в течение минут, а лучше – нескольких часов.

Рассмотрим характеристики производительности сети, от-

носящиеся к задержкам и потерям пакетов. Как и в любой области, в сфере измерений имеются стандарты, создающие основу для одинаковой трактовки наиболее важных характеристик сети.

Разработкой таких стандартов занимается рабочая группа

IETF под названием IPPM (IP Performance Metrics – метрики про-

изводительности IP-сетей). И хотя из названия группы видно, что ее стандарты ориентированы на характеристики именно IPпакетов, эти стандарты носят достаточно общий характер, так что за исключением некоторых деталей могут применяться как основа для описания характеристик любых других протоколов (что и происходит на практике). Каждый стандарт имеет однотипную структуру (в том числе и методическую).

Исследуемая характеристика описывается как случайная величина, то есть дается определение ее единичного значения, которое является также значением ее единичного измерения.

Односторонняя задержка пакетов (One-Way Delay Metric, OWD) входит в число стандартов IPPM и описана в RFC 2679.

Единичное значение односторонней задержки пакетов (т.е. случайное значение измеряемого временного параметра) определяется как интервал времени между моментом помещения в исходящую линию связи первого бита пакета узлом-отправителем и моментом приема последнего бита пакета с входящей линии связи узла-получателя.

Единичное значение этой метрики описывается как время передачи пакета определенного типа между некоторыми двумя узлами сети.

Под определенным типом понимается пакет, который имеет определенный набор заранее заданных признаков. Стандарт жестко не оговаривает эти признаки, но указывает, что ими могут быть, например, размер пакета, тип протокола транспортного

99

уровня, который доставил пакет (например TCP, UDP), тип приложения, сгенерировавшего пакет, а также некоторые другие. Смысл используемого набора признаков состоит в том, чтобы выделить из общего потока пакетов, приходящего в узел назначения, те пакеты, характеристики которых интересуют специалиста, проводящего измерения (см. технологию benchmarks).

Время реакции сети представляет собой интегральную характеристику производительности сети с точки зрения пользователя. Именно эту характеристику имеет в виду пользователь, когда говорит: «Сегодня сеть работает медленно».

Время реакции сети определяется как интервал времени между отправкой запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос.

Еще одной характеристикой скорости передачи является коэффициент пульсации трафика – это отношение максимальной скорости на каком-либо небольшом периоде времени к средней скорости трафика, измеренной на длительном периоде времени.

Иногда вводится в рассмотрение и такая характеристика, как текущая скорость: это отношение общего объема данных к некоторому интервалу времени, в течение которого указанный объем наблюдается. Выбираемый интервал времени больше периода пульсации, но значительно меньше интервала наблюдения при вычислении SIR.

Для анализа и настройки сети очень полезно знать данные о пропускной способности отдельных элементов сети.

Из-за последовательного характера передачи данных различными элементами сети общая пропускная способность любого составного пути в сети будет равна минимальной из пропускных способностей составляющих элементов маршрута.

Совокупность приведенных частных характеристик производительности сети (метрик производительности) может рассматриваться как кортеж или вектор производительности.

Под надежностью понимают свойство системы выполнять требуемые функции в течение определенного времени с вероятностью не хуже заданной.

100