Стояла задача разработки промышленной сети для сбора

С.М. Салибекян, И.В. Коршунов, В.П. Дмитриев
Россия, Москва,
Московский государственный институт электроники и математики
АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА СБОРА, ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ
ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
Была поставлена задача: разработать АСУ производством. Основой системы – вычислительная сеть, информация в которой передается с помощью
инфракрасного излучения через атмосферу (на расстояние не более 50 м) или
по оптическому кабелю (на расстояние не более 100 м). Следует отметить,
что атмосферная передача информации с помощью инфракрасного луча в
данное время не применяется в локальных сетях, хотя в промышленных сетях она очень удобна. Так с помощью ИК луча большого угла расхождения
излучения удобно собирать информацию с абонентов, расположенных в
непосредственной близости друг от друга (об этом будет рассказано ниже).
С помощью сконцентрированного ИК луча организуется связь абонентов,
между которыми существует прямая видимость. Оптоволоконный же канал
применяется, когда между абонентами не существует прямой видимости,
или, если атмосферный канал может время от времени перекрываться какими-либо движущимися механизмами, транспортными средствами или проходящими людьми.
Сеть, входящая в состав промышленной АСУ, должна обеспечивать работу в режиме реального времени, иметь выкую надежность и легкость реконфигурации.
Для решения поставленной задачи была разработана следующая вычислительная сеть. В сети применяется светодиодная связь как для передачи через атмосферу, так для передачи по оптоволоконному кабелю (светодиод из
GaAs, излучаемая волна длиной 0,87 мкм). Данный светодиод имеет большой срок службы, и его излучение имеет такую длину волны, которая попадает в окна прозрачности а атмосфере и в материале оптоволокна (предполагается использовать пластмассовое оптоволокно – оно очень хорошо подходит для организации связи на небольшие расстояния и очень дешево по
сравнению с кварцевыми волокнами). Для того, чтобы можно было легко реализовать связь по одной из двух сред передачи, у каждого канала имеется
съемный приемно-передающий модуль (Имеется два вида модулей: для атмосферной передачи и для передачи по оптоволокну). Этот модуль содержит
излучающий диод, фотодиод, электрические схемы управления и усиленияформирования фототока фотодиода, разъемы, оптическую систему – все что
нужно для передачи по одной из сред. Так, если необходимо, чтобы канал
работал с оптоволокном, то ставится приемопередающий модуль для опто-
2
волоконной связи, иначе для атмосферной связи. Это существенно повышает
гибкость системы и удобство работы с ней.
Топология сети двухуровневая: она наиболее подходит для решения поставленной задачи. Первый уровень назовем оконечной сетью, второй –
опорной сетью.
Оконечная сеть предназначена для сбора информации от абонентов
(назовем их оконечными узлами), расположенных в непосредственной пространственной близости друг от друга. Так например, работой определенного устройства или механизма могут управлять несколько датчиков, они
находятся в непосредственной пространственной близости друг от друга.
Обычно в таких случаях от каждого датчика протягивается провод, по которому и передаются данные. Если датчиков много, то возникают проблемы:
во-первых, с таким большим количеством проводов сложно работать; а вовторых, провода наводят помехи друг на друга, и сигнал в них искажается.
Применение инфракрасной передачи данных решает эту проблему.
Информацию, принятую из оконечной сети нужно передать на большие
расстояния к удаленным абонентам или серверам, которые осуществляют
обработку поступающей из сети информации. Эту задачу решает опорная
сеть.
Такая топология довольно хорошо отражает структуру информационных потоков в сети: информация, пересылаемая внутри оконечной сети не
попадает в опорную и тем самым существенно снижается трафик опорной
сети.
Наиболее удачным решением для сбора данных в конечной сети оказалось следующим. Топология оконечной сети звездообразная: применяется
центральный узел управления, который осуществляет опрос оконечных узлов и дальнейшую передачу информации другим абонентам. Этот центральный узел управления (назовем узлом сбора) опрашивает абонентов оконечной сети с помощью инфракрасного луча с большом углом расхождения излучения (естественно, что оконечные узлы должны попадать в область инфракрасного луча от узла сбора). А те общаются с узлом сбора с помощью
сконцентрированного ИК луча. Т.е. при настройке оконечной сети излучатели оконечных узлов направляются на фотоприемник опорного узла.
3
ОУ – оконечное устройство.
Оконечный узел передает информацию сконцентрированным ИК лучом
для максимального уменьшения энергопотребления при передаче информации, т.к. оконечные узлы удобно запитывать от собственных внутренних источников электропитания: подводить кабель питания к каждому оконечному
узлу (а их огромное количество) – очень трудоемкое занятие. Узел сбора же,
требующий много энергии на ИК луч с большим углом расхождения излучения, можно запитать и от электрического кабеля стационарного источника
питания (узел сбора только один и это не составит труда).
В состав узла сбора входит специализированный процессор, который
выполняет программу, которая описывает алгоритм опроса оконечных узлов.
Для этой цели была разработана специализированная архитектура процессора, которая обеспечивает высокое быстродействие и максимально упрощает
его структуру.
Затем, информацию, собранную с узлов сбора, нужно передать другим
абонентам. Данная передача осуществляется по опорной сети (второй уровень сети). Узлы сбора являются приемопередатчиками, между опорной
оконечной сетями и ЭВМ (ЭВМ подключается к сети через узел сбора, на
котором кроме ИК каналов имеется и интерфейсный вход для ЭВМ).
Для ретрансляции ИК сигнала (по атмосферной или оптоволоконной
линиям) и доставки информационных пакетов абонентам используются
коммутаторы, которые назовем опорными узлами (ОпУ). ОпУ имеет несколько каналов передачи данных. Если на один из каналов приходит пакет,
то коммутатор определяет в какой из каналов нужно переслать этот пакет
дальше и отправляет его в этот канал. Существует два типа коммутаторов:
опорный узел и опорный узел с буфером. Первый осуществляет коммутацию
пакета так. По одному из каналов приходит пакет – коммутатор принимает
4
заголовок пакета в буфер и, проанализировав информацию в заголовке,
начинает передавать пакет из буфера в нужный канал, одновременно продолжая прием приходящего пакета. Теперь буфер становится очередью, на
вход которой поступают данные из канала, в который приходит пакет, а данные из хвоста поступают для передачи в нужный канал (длина очереди равна
длине заголовка пакета). Тем самым обеспечивается минимальная задержка
при коммутации пакета. Коммутатор второго типа принимает в буфер весь
пакет, проводит проверку пакета на наличие ошибок и, если они не обнаружены, начинает передачу пакета в нужный канал при этом, если на вход
приходит еще один пакет, то он принимается даже, если отправка предыдущего еще не закончилась.
Время доставки пакета в сети вычисляется по формуле:
L пакета  8 L заг  8
L
8
(
 t обр. ) N оп  ( пакета
 t обр. ) N оп. с
V
V
V
(L ср. дл. оч.1  ...  L ср. дл. оч. n )  8
 t ср. ож. маркера 1  ...  t ср. ож. маркера n
V
t доставки 
буф.

где: Lзаг - длина заголовка пакета в байтах;
V - скорость передачи информации в сети (бит/с);
tобр. - время анализа заголовка опорным узлом.
Lпакета - длина пакета в байтах;
Nоп - количество опорных узлов, преодолеваемых пакетом на пути от
отправителя к приёмнику;
Nоп с буф - количество опорных узлов с буфером, преодолеваемых пакетом на пути от отправителя к приёмнику;
tср. ож. маркера k - среднее время ожидания маркера k-ым узлом сбора;
Lcp. дл. оч.k - средняя длина очереди на k-ом узле сбора.
Первое слагаемое данного выражения – время, затраченное узлом сбора
на передачу пакета; второе – задержка на опорных узлах; третье – на опорных узлах с буфером. Как видно из данного выражения, задержка опорного
узла пропорциональна длине заголовка пакета, а задержка опорного узла с
буфером – длине пакета.
Опорные узлы могут располагаться где угодно (на потолке, на стенах), и
подвести кабель питания к ним не всегда просто. Передачу информации
сконцентрированным ИК лучом требует малых затрат энергии, следовательно опорные узлы можно сделать автономными по электропитанию. Это
намного упростит эксплуатацию системы. При установке опорной сети достаточно только установить опорные узлы и при эксплуатации системы менять в них элементы питания. Для того, чтобы продлить время работы аккумуляторов без подзарядки можно дополнительно установить на ОпУ сол-
5
нечные элементы питания, которые будут производить подзарядку аккумулятора.
На тех участках опорной сети, где присутствуют большие помехи используются опорные узлы с буфером. Опорные узлы без буфера можно применять там, где желательно иметь большую скорость передачи сообщений и
нет серьезных помех.
Если узел сбора передал пакет и получил сигнал подтверждения приема
пакета (либо от другого узла сбора, либо от опорного узла с буфером), то он
сразу же начинает передавать следующий пакет. Таким образом в опорной
сети может передаваться сразу же несколько пакетов: опорный узел с буфером принял пакет и осуществляет его передачу другому абоненту, а узел
сбора начинает передавать следующий пакет. Благодаря этому повышается
скорость работы опорной сети.
Адреса абонентов сети распределяются так, чтобы каждому каналу
опорного узла соответствовал определенный адресный интервал. Тогда процесс коммутации пакета будет совсем простым: достаточно только определить в какой адресный интервал попадает адрес получателя пакета (он указан в заголовке пакета). Такой способ коммутации очень прост и эффективен.
Формат заголовка приведен на рис.
Поле «CRC» содержит код CRC для обнаружения ошибки при передаче
сообщения, что повышает надежность работы сети (если с помощью данного
кода обнаруживается ошибка, то получатель пакета посылает отправителю
запрос на повторную передачу, если же ошибок нет, то получатель посылает
отправителю подтверждение приема пакета).
В поле «Длина» записывается длина пакета.
Поле «адрес отправителя» может и не присутствовать. Так например,
если получателю пакета не нужно знать, кто отправил пакет, это поле в заголовке пакета можно опустить.
В поле «флаги» указывается, какие поля присутствуют в заголовке, а какие нет. Кроме поля «адрес отправителя» в заголовке могут присутствовать
и другие необязательные поля, например, если сообщение разбито на несколько кадров, то в заголовке должны указываться идентификатор пакета и
порядковый номер кадра в сообщении. Возможность исключения из заго-
6
ловка ненужных полей в некоторых случаях позволяет сократить длину пакета, а следовательно уменьшить трафик сети.
При проектировании сети стала проблема обеспечения работы сети в
режиме реального времени. Метод доступа к каналу передачи данных играет
решающую роль при большой загрузке сети.
Для обеспечения более надежной работы опорной сети, был выбран вариант с децентрализованным управлением (централизованное управление
ненадежно, т.к. при выходе из строя центрального узла управления выходит
из строя вся сеть).
Теперь стояла задача разработать такой метод доступа к каналу передачи данных, который бы обеспечивал наилучшую работу сети в реальном
масштабе времени, т.е. нужно обеспечить приоритетный доступ абонентов
опорной сети к среде передачи данных.
Все известные децентрализованные методы управления (случайных доступ; круговая передача маркера; управление, используемое в сети CAN и
др.) не удовлетворяли поставленной задаче. Каждый метод имеет свои достоинства и существенные недостатки, и итоге ни один не удовлетворял поставленной задаче. Из сложившейся ситуации был только один выход – был
выбран маркерный метод доступа, причем стратегия передачи маркера задается с помощью программы, которая выполняется на узлах сбора. Т.е. на узле сбора имеется специализированный процессор, который и выполняет программу, описывающую алгоритм передачи маркера. К тому же, как говорилось раньше, в состав узла сбора уже входит специализированный процессор
для управления работой оконечной сети, его можно использовать и с целью
передачи маркера в опорной сети. Для этого в процессор достаточно ввести
дополнительные прерывания: одно возникает при приходе маркера на узел
сбора, по этому прерыванию запускается программа пересылки сообщений,
другое – при окончании передачи сообщений (истекло время передачи сообщений, больше нет сообщений для передачи). Таким образом один процессор выполняет управление оконечной и передачей информации в опорной сети. Теперь стратегию передачи маркера можно выбирать в зависимости от решаемой сетью задачи и даже менять стратегию в процессе работы
системы: достаточно только загрузить новые программы управления маркером в опорные узлы.
Данная система может применяться в АСУ производством, для управления сложными объектами и распределенными системами.