Передача информации в распределенных информационно-управляющих сист
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Е.Л. Кон, М.М. Кулагина
ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2015
УДК 621.396.218.08 К64
Рецензенты:
канд. техн. наук, С.В. Березняков (ОАО «СТАР», г. Пермь);
д-р техн. наук, профессор А.А. Южаков (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Кон, Е.Л.
К64 Передача информации в распределенных информаци- онно-управляющих системах : учеб. пособие / Е.Л. Кон, М.М. Кулагина. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.
ун-та, 2015. – 168 с.
ISBN 978-5-398-01506-5
Рассмотрены основы системного подхода к проектированию распределенных информационно-управляющих систем. Проанализированы способы организации данных систем на различных типах физической среды (металлический кабель, оптоволокно, радиоэфир). Освещены вопросы построения систем на базе «полевых технологий». Приведены методы оценки показателей надежности и основных эксплуатационно-технических характеристик сетей связи. Приведены контрольные вопросы и задания для самостоятельного изучения.
Предназначено для студентов направления подготовки 11.04.02 (220400) «Управление в технических системах», магистерской программы 11.04.02.54 (22020051.68) «Распределенные компьютерные информационно-управляющие системы».
УДК 621.396.218.08
ISBN 978-5-398-01506-5 |
© ПНИПУ, 2015 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Предисловие.................................................................................................... |
5 |
Глава 1. Классификация, принципы построения и архитектура |
|
информационно-управляющих и инфокоммуникационных |
|
систем и сетей (РИУС и ИКС)......................................................... |
8 |
Глава 2. Системы и сети с коммутацией каналов. Общая |
|
характеристика, модели ................................................................. |
30 |
2.1. Системы и сети с коммутацией каналов................................ |
30 |
2.2. МСПИ с частотным разделением каналов связи .................. |
32 |
2.3. МСПИ с волновым разделением каналов оптической |
|
связи........................................................................................... |
34 |
2.3.1. Волоконно-оптические линии связи.............................. |
34 |
2.3.2. Методы волнового мультиплексирования.................... |
36 |
2.3.3. Элементы волоконно-оптической системы.................. |
39 |
2.3.4. Применение ВОЛС.......................................................... |
41 |
2.4. МСПИ с временным разделением каналов............................ |
49 |
2.5. МСПИ с асинхронным (статистическим) (АВУ) |
|
разделением каналов................................................................. |
59 |
2.6. МСПИ с кодовым разделением каналов (СDMA) ................ |
62 |
Глава 3. Сети с коммутацией пакетов (СКП) ............................................. |
65 |
3.1. Дейтаграммная передача......................................................... |
73 |
3.2. Передача с установлением логического соединения............ |
75 |
3.3. Передача с установлением виртуального соединения.......... |
77 |
3.4. Сравнительный анализ сетей с КК и КП ............................... |
80 |
3.5. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем |
|
(OSI/ISO) .................................................................................... |
85 |
3.6. Стандартные стеки коммуникационных протоколов........... |
86 |
3.7. КСП популярных «полевых технологий» Profibus и CAN... |
88 |
3.7.1. «Полевая технология» Profibus ...................................... |
88 |
3.7.2. «Полевая технология» CAN (Controller |
|
Area Network) .................................................................... |
90 |
3.8. Сетевые характеристики РИУС.............................................. |
94 |
Глава 4. Информационные промышленные сети (РИУС) LonWorks..... |
105 |
4.1. Общая характеристика аппаратного и программного |
|
обеспечения сети LonWorks................................................... |
107 |
4.1.1. Кристалл Neuron Chip ................................................... |
112 |
4.1.2. Коммуникационный стек протоколов (КСП) |
|
LonTalk ............................................................................ |
116 |
|
3 |
4.2. Развернутая характеристика функций уровней |
|
семиуровнего КСП LonTalk ................................................... |
119 |
4.2.1. Физический уровень..................................................... |
119 |
4.2.2. Канальный уровень....................................................... |
122 |
4.2.3. Сетевой уровень............................................................ |
128 |
4.2.4. Транспортный уровень................................................. |
133 |
4.2.5. Уровень сессии.............................................................. |
137 |
4.2.6. Уровень представления и прикладной уровень.......... |
138 |
Глава 5. Основы проектирования МСТМ (РИУС)................................... |
140 |
5.1. Классификация и характеристика МСТМ........................... |
140 |
5.1.1. Основные требования к промышленным РИУС. |
|
ГОСТы............................................................................. |
141 |
5.1.2. Обобщенные многоуровневые структуры: МСТМ |
|
(SCADA, АСДУ, РИУС) ................................................ |
151 |
5.1.3. Сетевые характеристики МСТМ.................................. |
151 |
5.2. Дисциплины обслуживания (ДО), применяемые |
|
в МСТМ ................................................................................... |
153 |
5.3. Примеры МСТМ (РИУС, АСДУ)......................................... |
164 |
Список литературы..................................................................................... |
167 |
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Дисциплина «Передача информации в распределенных ин- формационно-управляющих системах» относится к вариативной части цикла профессиональных дисциплин сетевой магистерской программы 11.04.02.54 (21070054.68) «Распределенные компьютерные информационно-управляющие системы» и является обязательной для изучения.
Цель дисциплины – освоение дисциплинарных компетенций по применению методов, моделей, технологий и инструментальной среды для планирования, проектирования и эксплуатации современных распределенных информационно-управляющих систем (РИУС) и их компонентов, в том числе многофункциональных систем телемеханики.
Задачи дисциплины:
•изучение общих принципов построения и технической эксплуатации РИУС;
•формирование умений применять методы расчета технических характеристик РИУС;
•овладение навыками проектирования РИУС на основе полевых технологий и эксплуатации РИУС.
Предметом освоения дисциплины являются: системный подход и современная концепция эксплуатации РИУС; подходы
ктехнической эксплуатации РИУС с учетом специфики используемой физической среды передачи; способы организации технической эксплуатации РИУС; методики определения показателей надежности и эксплуатационно-технических характеристик современных РИУС.
В процессе изучения дисциплины студент осваивает следующие дисциплинарные компетенции:
– способен понимать основные проблемы в области планирования, проектирования, эксплуатации РИУС, выбирать методы и средства их решения (ПК-3-3);
5
–способен использовать современные технологии обработки информации, современные технические средства управления, ВТ, компьютерных сетей и телекоммуникаций при проектировании распределенных систем автоматизации и управления (ПК-11-2);
–способен применять современные методы и инструментарий для разработки технического, информационного и алгорит-
мического обеспечения распределенных систем автоматизации
иуправления (ПК-21-2).
Врезультате освоения дисциплины обучающийся должен
знать:
–основные проблемы на этапах планирования, проектирования, эксплуатации РИУС, выбирать методы и средства их реше-
ния (ПК-3-3);
–современные технологии, принципы построения и модели инфокоммуникационных (ИКС) и информационно-управляющих (РИУС) сетей, алгоритмы помехоустойчивой передачи и обработки информации, современные технические средства управления ресурсами РИУС, основные протоколы доступа канального и прикладного уровней КСП и их использование при проектировании РИУС (ПК-11-2);
–современные методы и аппаратурно-программные средства анализа, моделирования и разработки технического, информационного и алгоритмического обеспечения РИУС (ПК-21-2);
уметь:
–применять знание основных проблем, возникающих на этапах планирования, проектирования, эксплуатации и сопровождения РИУС, для постановки и решения задач по их устранению; выбирать методы и средства решения указанного класса задач (ПК-3-3);
–применять современные технологии, принципы построения
имодели инфокоммуникационных (ИКС) и информационноуправляющих (РИУС) сетей, алгоритмы помехоустойчивой передачи и обработки информации, принципы построения и архитектуры МСТМ и АСДУ, современные базисные программные и аппаратные средства, модули, при проектировании и исследовании РИУС (ПК-11-2);
6
–применять современные методы и аппаратурно-программ- ные средства анализа, моделирования и разработки технического, информационного и алгоритмического обеспечения РИУС, удовлетворяющие заданными системными характеристиками (ПК-21-2);
владеть:
–навыками обоснованного выбора и использования типовых информационных систем и аппаратно-программных средств на этапе планирования МСТМ (ПК-3-3);
–навыками самостоятельного построения, проектирования, отладки модулей, подсистем и интегрированной МСТМ с заданными системными характеристиками в различных современных базисах и технологиях, в т.ч. полевых технологиях, на примере
LonWorks-технологии (ПК-11-2);
–навыками самостоятельной работы в типовых пакетах проектирования, и моделирования (MatLab, LabView),навыками практической отладки синтезированных системных модулей, на примере построения АСДУ с технологией LonWorks и инструмен-
тальной среды фирмы Echelon (LonMaker, LonBuilder) (ПК-21-2).
Теоретический материал, изложенный в учебном пособии, находит дальнейшее развитие, углубление и практическую проработку в процессе выполняемых заданий, практических занятий, индивидуальных заданий по различным видам самостоятельной работы.
Структура учебного пособия организована по модульному принципу. Глава учебного пособия соответствует разделу дисциплины, темы раскрываются в соответствующих параграфах.
В учебном пособии представлены современные подходы к построению и реализации эффективных систем технической эксплуатации городских инфокоммуникационных сетей, основанные на использовании современных программно-аппаратных средств, которые позволяют реализовать сетевой характер изучаемой дисциплины через дистанционные формы обучения.
Приведены примеры, контрольные вопросы и задания, которые позволяют студентам самостоятельно оценить уровень освоения теоретического материала, подготовиться к практическим занятиям и к выполнению индивидуальных заданий в рамках самостоятельной работы по дисциплине.
7
Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ И ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ И СЕТЕЙ (РИУС И ИКС)
Классификация сетей общего и специального применения (РИУС, АСДУ, ИКС)
Предметом изучения дисциплины являются компьютерные сети общего и специального применения (распределенные ин- формационно-управляющие системы, инфокоммуникационные системы, автоматизированные сети диспетчерского управления и инфокоммуникационные системы).
Внастоящее время широкое применение нашли различные варианты компьютерных сетей. Для классификации компьютерных сетей используются разные признаки, выбор которых заключается в том, чтобы выделить из существующего многообразия такие, которые позволили бы обеспечить данной классификационной схеме обязательные качества: возможность классификации всех, как существующих, так и перспективных, КС; дифференциация существенно разных сетей; однозначность классификации любой компьютерной сети; наглядность, простота и практическая целесообразность классификационной схемы.
Восновном КС классифицируют по признакам структурной
ифункциональной организации:
а) по назначению сетей:
–широкого назначения или универсального применения:
информационно-вычислительные сети и системы
(ИВС);
инфокоммуникационные сети и системы (ИКС);
телекоммуникационные сети (ТКС) и др.;
8
–специального назначения:
автоматизированные сети управления технологическими процессами (АСУТП) с развитой топологией;
информационно-управляющие системы (ИУС), в том числе распределенные информационно-управляющие системы (РИУС), системы типа «Умный дом»;
многофункциональные системы телемеханики (МСТМ), в том числе АСДУ, SCADA, DSC, промышленные информационные сети (ISC);
ИСУМ (интегрированные системы управления и мониторинга, объединяющие СУМ различного типа) и др.
Для каждого типа сетей и систем существуют свои многоуровневые модели, протоколы и технологии;
б) по пространственному расположению сетей:
–локальные сети (LAN);
–региональные сети (MAN);
–глобальные сети (WAN).
в) по топологии линий связи:
–шина;
–кольцо;
–звезда;
–дерево;
–неполноили полносвязный граф;
г) по способу организации логических каналов взаимодействия узлов (конечных пользователей) сети:
–сети с коммутацией каналов (СКК);
–сети с коммутацией пакетов (СКП);
–сети с коммутацией сообщений (СКС).
Инфокоммуникационные сети
Промышленные ИУС (МСТМ, АСДУ, SCADA, DCS, ICS) реализуют процессы сбора, распределения, хранения, достоверной передачи (обмена), обработки, регистрации и отображения технологической информации для мониторинга и управления произ-
9
водственно-технологическими процессами в промышленности
иразличных сферах экономики
Всвязи с успешным развитием интегрального базиса (появление СБИС, МПС, ПЛИС), инструментальных сред ОСРВ появи-
лись экономичные информационные промышленные сети и технологии (так называемые «полевые», или fieldbus-техноло- гии), объединяющие в децентрализованное (сетевое) взаимодействие интеллектуальные (smart) узлы (датчики, исполнительные механизмы, ПЛК (программируемые логические контроллеры – PLC). Это привело к расширению традиционной сферы применения телемеханических систем. Расширенный класс распределенных информационных промышленных систем получил название РИУС (распределенные информационно-управляющие сети). Теперь область применения РИУС включает все сферы экономики и промышленности, а также ЖКХ (в том числе объекты критической инфраструктуры)
РИУС обычно строится с участием ИКС.
Модель NGN – это сеть следующего поколения (Next Generation Network), т.е. концепция построения сетей связи, обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений.
Основная задача сетей нового поколения заключается в обеспечении взаимодействия существующих и новых телекоммуникационных сетей, поддерживаемых единой инфраструктурой для передачи любых видов информации (голоса, данных, видео).
В концепции NGN заложена идея конвергенции (т.е. процесса постепенного сближения различных технологий и служб связи с целью унификации оборудования и расширения функциональных возможностей) существующих (традиционных) сетей и технологий (как правило, это сети с коммутацией каналов) и разработок последних лет – мультисервисные сети с коммутацией пакетов (ССОП, сети мобильной связи и IP-сети).
10