Цифровые коммуникации в управлении процессами (стр. 1 )

Цифровые коммуникации в управлении процессами

Основные понятия и принципы передачи информации. Модель взаимодействия открытых систем. Стандарты и протоколы пе­редачи информации. Промышленные решения

Обзор

Коммуникации[1] — обмен информацией — основа функционирования любой орга­низованной системы. Управление производственными процессами — не исключение. Эта глава посвящена коммуникационным технологиям, в первую очередь, на основе электрических сигналов. Она не претендует на исчерпывающее изложение предмета. Круг тем и количество стандартов столь велико, а оборудование столь разнородно, что для более или менее подробного освещения потребовались бы сотни и сотни страниц. Поэтому вначале описываются основные понятия, а затем рассматриваются наиболее распространенные технологии и решения, представляющие интерес для систем управления производственными процессами.

Коммуникации в приложениях промышленного управления могут опираться как на простую технологию и протоколы — системы со скоростью передачи данных 50 бит в секунду все еще находятся в эксплуатации, — так и на очень сложное современ­ное оборудование, способное работать при скоростях свыше 100 Мбит/с, что превос­ходит простейшие системы в 2 миллиона (!) раз. Поэтому весьма вероятно, что инже­нер по промышленной автоматике может столкнуться с более разнообразными задачами и устройствами, чем его коллеги, работающие в области "чистой" связи, на­пример с офисными сетями и распределенными вычислительными системами. Сле­довательно, для промышленных приложений очень важно понимать фундаменталь­ные физические принципы связи.

В разделе 9.1 рассмотрена общая физическая модель связи. Модель взаимодей­ствия открытых систем, представляющая собой основу для разработки коммуникаци­онных стандартов, обсуждается в разделе 9.2. Эта модель используется в качестве базы при анализе других стандартов на протяжении всей главы. Раздел 9.3 посвящен физи­ческим каналам, а раздел 9.4 — протоколам. Локальные сети рассматриваются в разде­ле 9.5. В этих разделах описываются распространенные стандарты, в частности, интер­фейс EIA-232. В разделе 9.6 рассматриваются потоки информации при управлении производственными процессами. Здесь, в частности, обсуждаются проблемы взаимо­действия, т. е. открытости, в промышленных коммуникациях. Раздел 9.7 посвящен шинам локального управления Fieldbus — тип локальных сетей для промышленных условий. В эту главу включены также данные о сетях общего пользования (раздел 9.8), поскольку знакомство с соответствующими понятиями полезно и с точки зрения про­мышленных приложений.

9.1. Информация и коммуникации

9.1.1. Что такое информация?

Информация — понятие, о котором мы имеем более или менее интуитивное пред­ставление. Эту фундаментальную величину нельзя выразить через другие основные величины аналогично тому, как, например, вводится понятие скорости в виде отно­шения пути ко времени. Информация является внутренним свойством — любая сис­тема содержит информацию о себе самой, и ее можно передавать при малых затратах энергии: чертежи дома содержат достаточно много структурной информации о са­мом доме, и в отличие от дома их можно передать куда угодно с очень небольшими усилиями. Замечательным и весьма важным свойством информации является то, что ее можно копировать без ухудшения качества.

Математически информация определяется как мера упорядоченности множества, состоящего из различных объектов. Абстрактно состояние объекта можно обозна­чить некоторым символом. Например, цифры 0-9 представляют десять различных объектов. Если объект может принимать любое из определенного числа состояний, выявление его текущего состояния эквивалентно получению некоторой информа­ции о нем. Чем больше состояний может принимать объект, тем больше информации можно получить на основе его текущего состояния.

Мера информации /, ассоциируемая с системой, которая может принимать N воз­можных состояний, есть логарифм N. Если логарифм вычисляется по основанию 2, то результирующая мера в битах (bit) есть

I=log2N (9.1)

Если объект или переменная может принимать только одно из двух состояний, его информационное содержание равно 7 = Iog2(2) = 1 бит. Информационное содержа­ние множества десятичных цифр {0,..., 9} равно / = Iog2(10) = 3.32 бит. Логарифмы можно также вычислять и по другому основанию. Для логарифмов по основанию е единицей информации является них (nit), а для логарифмов по основанию 10 — дит (dit) или Hartley. Основания логарифмов, отличающиеся от 2, редко используются на практике и в теории информации. Уравнение (9.1) справедливо в предположении, что различные состояния являются равновероятными.

Бит представляет собой удобную единицу для схем цифровой логики, в которых его легко представить двумя различными уровнями энергии в электрической цепи. Для передачи или хранения информации, относящейся к переменной, требуется некоторое число элементарных цепей или ключей, равное или превосходящее соответствующую меру информации. В случае цифр {0,... ,9} с информационным содержанием 3.32 бита требуются по крайней мере четыре ключа, которые позволяют представить 24 = 16 раз­личных состояний; три ключа обеспечивают только 23 = 8 состояний.

В соответствии с данным выше определением аналоговая переменная, т. е. пере­менная, которая в заданном диапазоне может иметь бесконечное число значений, имеет бесконечное информационное содержание. В цифровой технике используются только дискретные величины; допускается соответствующая потеря информацион­ного содержания при дискретизации и цифровом преобразовании аналогового сиг­нала (разделы 5.1. и 5.2). Например, при оцифровке напряжения, изменяющегося в пределах от 0 до 10 В, аппроксимация в 0.1 В означает, что 7 бит достаточно для описания 100 результирующих состояний (27=128).

Применение логарифма для измерения информации удобно потому, что:

- он представляет собой возрастающую функцию числа возможных состояний;

- если возможно лишь одно состояние, значение логарифма равно нулю, т. е. ин­формационное содержание константы — ноль;

- логарифмирование делает меру информации аддитивной; для сравнения: чис­ло комбинаций состояний независимых переменных есть произведение числа состояний, которое может принимать каждая переменная.

Иначе говоря, если число возможных состояний для каждого символа равно v, то, соответственно, число комбинаций для п символов равно vn. Если информационное содержание каждого символа равно /, то п символов должны иметь общее информа­ционное содержание п • I. Функция log п удовлетворяет этому условию. Важным следствием логарифмического характера меры информации является то, что она всегда положительна.

9.1.2. Коммуникации

Коммуникации — это процесс перемещения информации в пространстве. Связь играет фундаментальную роль во всех организованных системах. Например, внутри живых организмов перенос информации происходит с помощью химических и элек­трических сигналов. Внешние коммуникации живого организма, — информация, по­лучаемая/передаваемая органами чувств/голосом — помогают выжить в окружаю­щем мире. В современном обществе существует развитая коммуникационная инфраструктура, включающая телефонную сеть, прессу и телевидение.

Теория коммуникаций (связи) играет важную роль во многих приложениях. Экс­перт по маркетингу, стремящийся убедить множество людей купить определенный товар, использует понятия, похожие на применяемые инженером-связистом, проек­тирующим системы радиосвязи. Коммуникации играют, естественно, центральную роль в системах управления — информация о состоянии системы непрерывно пере­дается от датчиков к центральному процессору, а управляющие сигналы — от него к исполнительным механизмам.

Теория связи зародилась как инженерная дисциплина для решения проблем пере­дачи информации. Впоследствии ее результаты стали применяться в других — нетех­нических — областях, например в психологии и лингвистике. Здесь были открыты новые закономерности, в свою очередь нашедшие применение в технике. Основные подходы и результаты в разных областях одинаковы и приводят к обобщенным моде­лям. В течение долгого времени инженеры проявляли интерес к передаче информа­ции "на нижнем уровне", а лингвисты и психологи уделяли больше внимания назна­чению процесса коммуникации, т. е. тому, как достичь цели. В настоящее время различные подходы постепенно сближаются, и в технической сфере теперь уделяют внимание семантическим (связанным со значением) и прагматическим (целевым) аспектам процесса коммуникации. Передача информации рассматривается не как са­моцель, а как средство достижения определенных результатов.

9.1.3. Модель процесса коммуникации

Общая модель процесса коммуникациии показана на рис. 9.1. Эта модель не огра­ничена кругом инженерных приложений и может применяться в других областях при условии, что ее элементы идентифицированы соответствующим образом.

Рис. 9.1. Общая модель процесса коммуникации

Все процессы коммуникации включают в себя передатчик и приемник. Передат­чик (sender) передает сообщение (message), состоящее из последовательности симво­лов, приемнику (receiver) по каналу связи (channel) или носителю (medium), который является общим для передатчика и приемника. Сообщение относится к какрму-либо внешнему объекту. Общее количество передаваемой информации представляет со­бой сумму информационного содержания каждого из символов, составляющих сооб­щение. Поскольку информация сама по себе не имеет физических (материальных) характеристик, для передачи сообщения должен применяться какой-либо код (code), в соответствии с которым передатчик изменяет некоторые физические свойства ка­нала, а приемник восстанавливает сообщение по изменениям, которые он обнаружи­вает в канале. На канал обычно влияет шум (noise), искажающий сообщение и за­трудняющий распознавание приемником изменений в. канале и правильную ин­терпретацию сообщения.

В большинстве случаев сообщение касается чего-либо внешнего по отношению к процессу связи, однако иногда оно относится к одному из его объектов. Известным примером является "алло" при телефонных разговорах, которое представляет собой сообщение о состоянии самого канала, - его целью является проверка работоспособ­ности канала и индикация приемнику, что разговор может начаться.

Основной проблемой передачи данных является доставка за заданное время сооб­щения от пункта А в пункт Б при минимизации влияния шума, или иначе, получение и восстановление сообщения, искаженного шумом. Эту же проблему можно сформу­лировать по-другому: как обеспечить, чтобы приемник Б выполнил то, ради чего А передает сообщение (такая трактовка применяется при создании рекламы, где она имеет очевидное значение). В системах автоматического управления устройство А либо просто передает информацию устройству Б, либо А имеет целью вынудить Б совершить какое-либо действие.

Пример 9.1

Рукописная информация

Автор (передатчик) передает информацию читателю (приемнику) на бума­ге (среда передачи, носитель, канал). Сообщением является содержание, ко­дом — язык, символами — буквы и слова. Читатель может декодировать (по­нять) сообщение, если он использует тот же язык, что и передатчик.

Пример 9.2

Передача данных

Средой является электрический кабель, а передаваемая информация пред­ставляет собой цифровые данные. Кодирование осуществляется просто — "0" и "1" соответствуют разным уровням напряжения в кабеле.

Пример 9.3

Электронная передача текста

Текст кодируется (записывается) на каком-либо языке, символами являют­ся буквы и слова. Текст можно хранить на электронном носителе, где каждый символ кодируется, например, разным уровнем намагниченности. Для вторич­ного кодирования перед записью на электронный носитель часто используется код ASCII, в котором каждый символ (буква, цифра или иной символ) кодиру­ется с помощью 7 или 8 бит.

При электронной передаче текста каждый бит вызывает изменения какого-либо из физических параметров канала, и текст представляется набором нулей и единиц, |не имеющих очевидного значения. На более высоком уровне абстракции их содержание становится понятным, если используется один и тот же язык, например английс­кий или русский. С этой точки зрения не имеет значения, выполняется ли внутреннее машинное кодирование в ASCII, или используется другой код, например EBCDIC, битовая кодировка которого отличается от ASCII.

Пример 9.4

Передача печатного текста

Лист бумаги (канал) может содержать 2000 букв; если каждая буква коди­руется в 7-битном коде ASCII, общее количество информации, хранящейся на листе, составляет 14000 бит. Если лист посылают по почте и он достигает адре­сата за один день, то эквивалентная пропускная способность канала равна 14000/(24*3600) или около 0.16 бит/с. Книга объемом 200 страниц насчиты­вает примерно букв. При передаче ее с той же скоростью достигается в 150 раз большая пропускная способность или 24.3 бит/с.

Заметим, что в примере 9.4 расстояние между передатчиком и приемником не имеет существенного значения — это справедливо при условии, что почтовая достав­ка требует одинакового времени независимо от места назначения! В действительнос­ти расстояние, на которое осуществляется передача данных, играет роль лишь в тех случаях, когда задержка передачи имеет тот же порядок, что и постоянные времени технического процесса. Реальной проблемой системы связи является не расстояние, а пропускная способность канала. Тем не менее, уже в локальных сетях длина физи­ческого соединения оказывает косвенное влияние на пропускную способность кана­ла из-за координации доступа к коммуникационной среде различных устройств, по­скольку в этом случае должны приниматься во внимание скорость распространения и затухание электрических сигналов в канале.

9.2. Модель взаимодействия открытых систем (ВОС)

9.2.1. Изменение требований к передаче данных

При первых попытках передачи цифровых данных по существующим телефон­ным линиям основное внимание было сосредоточено на нижнем звене системы — физической линии. В то время, в 1950-е годы, программисты работали в машинном коде на битовом уровне, поэтому им не требовалось более абстрактного представле­ния данных. Программисты были вынуждены заниматься техническими деталями канала связи. Современная технология располагает дешевыми средствами для пере­дачи большого объема данных, и поэтому основное внимание сосредоточено на при­кладных вопросах — базах данных, управлении процессами, автоматизированном производстве. Прикладному инженеру не нужно полностью концентрировать свое внимание на множестве деталей системы передачи данных, однако на всех уровнях должна быть обеспечена стыковка между системами, начиная с уровня бит до данных и функций, которые они представляют. Все более мощные средства связи и общепри­нятые стандарты являются определяющими для организации взаимодействия.

Для того чтобы преодолеть трудности, возникающие из-за большого количества несовместимых стандартов, Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization - ISO) разработала эталонную модель взаимодействия открытых систем1 (ВОС, Open System Interconnection — OSI), кото­рая представляет собой не только еще один стандарт, но и базу для разработки новых стандартов. Эталонная модель ВОС, подробно рассматриваемая в следующем разде­ле, предлагает структуру для идентификации и разграничения различных составля­ющих коммуникационного процесса. Дополнительно ВОС включает в себя сотни стандартов, разработанных в строгом соответствии с базовой схемой. Модель ВОС абсолютно не связана с конкретными реализациями и описывает коммуникацион­ный процесс только в абстрактных понятиях.

Эталонная модель ВОС не определяет уровни напряжений, скорость передачи или протоколы, которые необходимо использовать для достижения совместимости между системами. Она просто декларирует, что уровни напряжений, скорости пере­дачи и протоколы, а также большое количество других параметров должны быть со­вместимы. Практической целью модели ВОС является обеспечение совместимости

В русскоязычной литературе иногда используется термин "модель взаимосвязи от­крытых систем". и взаимозаменяемости. Совместимость (interoperability) означает, что обмен данными не потребует непропорциональных расходов на их преобразование. Взаимозаменяемость (interchangeability) означает, что устройства, выпускаемые различными производителями для выполнения одной и той же функции, могут замещать друг друга без каких-либо проблем при условии, что их работа основывается на одних и тех же принципах и правилах.

Концептуальная простота модели ВОС не означает, что ее описание также является простым, — соответствующие документы насчитывают несколько тысяч (!) страниц. Модель ВОС была первоначально опубликована Международной организацией по стандартизации в 1984 году в документе под названием ISO 7498. Другая важная международная организация по стандартизации — Международный союз электросвязи (МСЭ, International Telecommunications Union — ITU), ранее называвшийся Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии (МККТТ, omite Consultatif International de Telegraphie etde Telephonie — CCITT), — опубликовала в том же году похожую рекомендацию под названием Х.200. Эта рекомендация была выпущена в новой редакции в 1988 году, и в дальнейшем ее предполагается пересматривать каждые четыре года.

1.2.2. Основы взаимодействия открытых систем

Модель ВОС — это концептуальная модель процесса коммуникации, основанная на разбиении этого процесса на несколько функциональных уровней, каждый из которых взаимодействует только со своими непосредственными соседями, аналогично Эму, как это делается при разработке операционных систем. Такой подход позволят предоставлять услуги, скрывая при этом механизм реализации, а значит, обеспе­чить определенную степень совместимости и взаимозаменяемости.

В модели ВОС определены семь функциональных уровней (рис. 9.2). Каждый уровень напрямую взаимодействует только с непосредственными соседями, запрашивая услуги у нижележащего и поставляя их вышележащему уровню. Запросы на обслуживание в модели ВОС похожи на запросы операционной системы или принцип "клиент-сервер" в распределенных системах — запрашивающий уровень переда-данные и параметры на нижний уровень и ждет ответа, игнорируя детали того, каким образом выполняется запрос. Объекты, расположенные на одном уровне в разных узлах коммуникационной сети, называются одноранговыми (peers). Эти объекты взаимодействуют между собой на основе протоколов, определяют форматы сообщений и правила их передачи.

Модель ВОС определяет услуги, которые каждый уровень должен предоставлять более высокому уровню. Услуги — что делать — четко отделены от протоколов — как делать. Взаимодействие базируется на том, что разные системы структурированы вокруг одних и тех же служб и протоколы на каждом уровне совпадают. В соответствии с правилами ВОС только одноранговые объекты могут общаться друг с другом. Основные принципы ВОС можно кратко сформулировать следующим образом: "не смешивать разные сущности" и "обеспечить взаимодействие одинаковых сущностей друг с другом". В модели ВОС определены следующие уровни.

1. Физический уровень (Physical Link Layer) — представляет собой физическую среду передачи — электрическую или оптическую — с соответствующими ин­терфейсами к сопрягаемым объектам, которые называются станциями (station) или узлами (nodes). Все детали, касающиеся среды передачи, уровня сигналов и частот, рассматриваются на этом уровне. Физический уровень является един­ственной материальной связью между двумя узлами.

2. Канальный уровень или уровень звена данных (Data Link Layer) — обеспечива­ет функции, связанные с формированием и передачей кадров (frames) от одно­го узла к другому, обнаружением и исправлением ошибок, возникающих на фи­зическом уровне. При появлении ошибки, например из-за помех на линии, на этом уровне запрашивается повторная передача поврежденного кадра. В ре­зультате канальный уровень обеспечивает верхние уровни услугами по безо­шибочной передаче данных между узлами. Если несколько устройств исполь­зуют общую среду передачи, то на этом уровне также осуществляется управление доступом к среде.

3. Сетевой уровень (Network Layer) — устанавливает маршрут и контролирует прохождение сообщений от источника к узлу назначения. Маршрут может со­стоять из нескольких физических сегментов, не все из которых связаны непос­редственно.

4. Транспортный уровень (Transport Layer) — управляет доставкой сообщений "из конца в конец", т. е. от источника к приемнику. Этот уровень представляет со­бой интерфейс между прикладным программным обеспечением, запрашиваю­щим передачу данных, и физической сетью, представленной первыми тремя уровнями. Одна из главных задач транспортного уровня — обеспечить незави­симость верхних уровней от физической структуры сети, в частности от марш­рута доставки сообщений. Транспортный уровень несет ответственность за проверку правильности передачи данных от источника к приемнику и доставку данных к прикладным программам.

5. Сеансовый уровень (Session Layer) — отвечает за установку, поддержку синхро­низации и управление соединением (сеансом связи, диалогом) между объекта­ми уровня представления данных. На этом уровне, в частности, происходит удаленная регистрация в сети.

6. Уровень представления данных (Presentation Layer) — обеспечивает синтакси­ческую модель данных, т. е. кодирование и преобразование неструктурирован­ного потока бит в формат, понятный приложению-получателю или, иначе го­воря, восстановление исходного формата данных — сообщение, текст, рисунок и т. п.

7. Прикладной уровень (Application Layer) — самый верхний уровень, на котором решаются собственно прикладные задачи — передача файлов, операции с рас­пределенными базами данных и удаленное управление.

Физический уровень — единственный/имеющий материальное воплощение. Ос­тальные уровни представляют собой наборы правил или описание вызовов функ­ций, реализованные программными средствами. Три нижних уровня называются сетевыми или коммуникационными уровнями, так как они отвечают за доставку со­общений. Три верхних уровня относятся к прикладному программному обеспече­нию и связаны с содержательной стороной сообщений. Четвертый, транспортный, уровень осуществляет связь между коммуникационно-ориентированными и про­блемно-ориентированными уровнями.

Рис. 9.2. Модель взаимодействия открытых систем

Основная идея модели ВОС довольно проста. Два одноранговых объекта соединены виртуальной (логической) связью. Для объектов виртуальная связь представляется реальным каналом связи, хотя виртуальное и физическое соединения совпадают только на первом уровне. Объекты обмениваются данными в соответствии с протоколом, определенным для их уровня. На самом деле объекты запрашивают услуги непосредственно у нижележащего уровня с помощью вызова процедур (рис. 9.3), при этом внутренние механизмы недоступны запрашивающему объекту и могут измениться в любой момент без его уведомления. Между объектами, принадлежащими одному узлу и удаленными друг от друга более чем на один уровень, т. е. не являющимися не­посредственными соседями, так же как и между объектами, принадлежащими к разным узлам и расположенными на разных уровнях, нет непосредственной связи — ни реальной, ни виртуальной. Например, объект уровня 4 одного узла может взаимодействовать только с объектами уровней 3 и 5 того же узла и уровня 4 другого узла.

Протокол представляет собой набор правил, определяющих начало, проведение и окончание процесса связи между одноранговыми объектами. Сообщения, которыми обмениваются одноранговые объекты, содержат либо пользовательские данные, либо являются протокольными (управляющими) сообщениями. Перед передачей на 1ледующий, нижележащий, уровень к сообщению добавляется управляющая инфор­мация — заголовок уровня — в соответствии с протоколом, принятым на данном уровне. Результат напоминает русских матрешек, которые вкладываются друг в дру­га (рис. 9.4). Самая маленькая матрешка соответствует исходному сообщению, т. е. прикладным данным, самая большая — тому, что в действительности передается по физическому тракту. Протоколы и вызовы процедур описаны в документах модели БОС и соответствующих стандартах с указанием конкретного синтаксиса функции и ее параметров.

Рис. 9.3. Виртуальное соединение одноранговых объектов в модели ВОС

Рис. 9.4. Общая схема передачи информации между уровнями (CRC - циклический избыточный код или контрольная сумма)

Одноранговые объекты могут обмениваться между собой различными служебны­ми (протокольными) данными, например для начала или прекращения сеанса связи. Эта информация передается отдельно от прикладных сообщений. Рис. 9.4 иллюстри­рует основной принцип, а коммерческие продукты обычно устроены проще Прото­колы, требующие активного обмена данными, необходимы только для некоторых одноранговых объектов, а взаимодействие может осуществляться в обход некоторых уровней, естественно, при условии, что все партнеры, участвующие в обмене, действуют одинаково. Для каждого уровня модели ВОС имеются наборы стандартов, выпущенные основными органами по стандартизации (приложение "Стандарты и организации по стандартизации"). Некоторые ранние стандарты, относящиеся к физическому и начальному уровням, включены в модель ВОС. Для других уровней разработаны иные протоколы в соответствии с идеологией модели ВОС.

Полная совместимость между отдельными уровнями в смысле модели ВОС предполагает, что, в принципе, можно создавать работоспособные приложения на базе продуктов от различных производителей. Однако в действительности обычно все обстоит иначе. Промежуточные уровни не поставляются как отдельные программные продукты, а производители программ предлагают вместо этого пакеты, реализующие весь стек протоколов от 3-4 до 6-7 уровней. Внутренние интерфейсы не обязательно должны удовлетворять требованиям модели ВОС, и этому на практике не придается слишком большого значения. Вместо того чтобы поддерживать структуру протоколов модели ВОС, программное обеспечение разрабатывается исходя из соображений его наибольшей эффективности.

Модель ВОС постоянно подвергается справедливой критике. Разделение уров­ней от 4 до 7 имеет несколько академический характер. Поскольку программа исполняется на одной машине, ее внутренняя организация, скорее всего, представляет интepec только для разработчиков. Протоколы, определенные для верхних уровней, далеко не эффективны. Поэтому производители программного обеспечения и оборудования обычно не используют целиком всю модель ВОС, а поставляют продукты, содержащие лишь необходимые уровни, и не включают в них уровни, не требующиеся в конкретном приложении. Не случайно в настоящее время во всем мире как для вокальных, так и для глобальных сетей передачи данных наиболее широко использу­ется протокол TCP/IP, который проще, чем модель ВОС (раздел 9.4.9).

Модель ВОС представляет интерес не только для передачи информации на большие расстояния, но и для автоматизации. Эффективная автоматизация требует, чтобы разные приложения, выполняющиеся в распределенной среде, могли взаимодей­ствовать без дополнительных усилий; модель ВОС обеспечивает базу для такого взаимодействия. Новейшие стандарты в области промышленных и офисных приложений — протоколы MAP и ТОР, описываемые в разделе 9.6.3, — базируются на многоуровневой модели ВОС.

В перспективе локальные системы управления должны интегрироваться в глобальную территориально распределенную систему. Модель ВОС гарантирует, что такие задачи управления, как складирование, производство и статистика, будут совместно исполняться, обмениваясь данными в рамках общего подхода к автоматиза­ции производства, поставок и планирования, независимо от места расположения предприятий и учреждений. Модель ВОС представляет собой базу для формирования рациональной структуры системы обмена данными. В остальной части главы более детально рассматриваются 1-й (физический), 2-й (канальный) и 7-й (прикладной) уровни. Основное внимание будет уделено современным реализациям и тенденциям развития связи в производственных условиях и в приложениях управления производственными процессами.

9.2.3. Виртуальные устройства

Виртуальное устройство (virtual device) - понятие, часто применяемое в модели БОС, равно как и в других областях индустрии связи, операционных и распределен­ных вычислительных системах. Виртуальное устройство представляет собой описа­ние на специальном языке функций и параметров некоторого устройства, которое ведет себя, как реальное. Совокупность процедур, составляющих виртуальное уст­ройство, скрывает механизм выполнения функций реальным устройством и воспри­нимает и вырабатывает только "чистые" и структурированные команды и данные

Например, виртуальный терминал представляет собой набор команд, который позволяет перемещать курсор по экрану, выводить на экран строки символов и выде­лять их полужирным шрифтом или подчеркиванием, вводить символы с клавиатуры и т. д. Без применения концепции виртуального устройства программист, разрабаты­вающий текстовый редактор, должен учитывать различия в управляющих командах для выполнения одних и тех же действий на разных типах терминального оборудова­ния. При использовании виртуального терминала этого кошмара удается избежать – достаточно записать управляющие команды на абстрактном языке. Драйвер конк­ретного устройства преобразует эти команды в управляющие последовательности для реального терминала (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Сравнение непосредственной привязки программы и механизма виртуально­го устройства, а - непосредственная привязка прикладных программ к физическим устройствам; б - привязка к физическому устройству через виртуальное

В течение многих лет для виртуальных терминалов широко использовался язык управления терминалами VT52 и VT100 компании Digital Equipment. Эти термина­лы (монохромные, 24 х 80 символов) имеют набор управляющих символов для про­крутки текста, позиционирования курсора, мерцания или инверсии символов и т. д. Язык управления терминалами VT52 и VT100 поддерживается многими программа­ми, а большинство терминалов, в том числе и выпущенные конкурирующими компа­ниями, могут работать в режиме их эмуляции. Таким образом обеспечивается, по крайней мере, минимальный уровень совместимости программ и терминалов. В бо­лее поздние годы в качестве своего рода виртуального терминала использовалась многооконная система X Window, являющаяся, в сущности, описанием протокола. Более подробно X Window рассматривается в разделе 11.6.

Основное достоинство концепции виртуального устройства в том, что эксплуатируемые прикладные программы не надо модифицировать для работы с новым реальным
устройством. Достаточно снабдить каждое новое физическое устройство программным
интерфейсом, сопрягающим его с виртуальным. Прикладная программа ничего не долж­на знать о том, какое конкретное физическое устройство используется в системе.

Важным виртуальным устройством, поддерживаемым моделью ВОС, является вир­туальный накопитель файлов, работающий по протоколу FTAM (раздел 9.4.8). При­ложения РТАМ применяются в распределенных системах при управлении производ­ственными процессами, финансовыми операциями, бронированием авиабилетов и т. п. В протоколе FTAM свойства файлов — дата создания, управление доступом и многие другие — описываются на абстрактном языке, а операции поддерживаются в многоза­дачной среде с помощью функций типа "открыть/закрыть", "читать/писать", "блокиро­вать" и т. д. Программный интерфейс между службами FTAM и конкретными устрой­ствами файловой системы обычно реализуется в рамках операционной системы.

9.3. Физические соединения — физический уровень модели ВОС

Наиболее распространенная среда передачи цифровой информации — электрический кабель. Простота, низкая стоимость и отработанная техническая база делают ка­бель наиболее удобным носителем для передачи информации на ограниченные расстояния. Оптический кабель и радиосвязь более экономически эффективны при передаче больших объемов информации на значительные расстояния. Оптический кабель представляет интерес и в промышленных условиях, так как он не подвержен влиянию электромагнитных помех и поэтому может надежно передавать показания датчиков. Если установка кабельного соединения с управляемым оборудованием невозможна из-за его удаленности или подвижности, то в качестве среды передачи можно использовать радиоволны. Перечисленные виды носителей рассматриваются в этом разделе.

9.3.1. Основные количественные характеристики

Основным параметром, характеризующим канал связи, является его пропускная способность (channel capacity), т. е. количество информации, которое можно пере­дать за единицу времени. Пропускную способность обычно измеряют в бит/с. Правильно выбранный канал связи имеет достаточную пропускную способность для передачи необходимого количества информации за заданное время. Экономический критерий – передать больше информации при меньших затратах. Однако пропуск нал способность канала, как правило, требует расходов — чем выше пропускная спо­собность, тем дороже канал.

Пропускная способность физического канала (электрического, оптического или радиоканала) тесно связана с полосой пропускания, мощностью сигнала и уровнем шума. Полоса пропускания (bandwidth) определяется как диапазон частот, которые канал способен передавать с затуханием менее чем 3 дБ (что соответствует 50 % па­дения уровня мощности). Это понятие похоже, хотя и не тождественно, на полосу пропускания измерительной аппаратуры, описанную в разделе 4.1.3. Полоса про­пускания измеряется в герцах (Гц) или в кратных единицах. Например, обычная те­лефонная линия передает сигналы в частотном диапазоне от 300 до 3400 Гц, а его полоса пропускания равна 3,1 кГц. Типичная ширина полосы пропускания телевизи­онного канала составляет 5,5 МГц.