Техническая организация распределенных систем
В дальнейшем под распределенной системой следует понимать совокупность автономных процессоров и систем, объединенных в коммуникационные подсети для накопления данных и действующих совместно для решения общей задачи. Посредством сети происходит координация распределенных процессов и обмен информацией.
Определение распределенной системы в техническом смысле тесно связано с передачей информации и организацией обработки данных. Существует по меньшей мере пять критериев, которыми можно охарактеризовать распределенную систему: архитектура аппаратного обеспечения, обработка и накопление данных, управление системой, ее инвариантность. Общая память, при помощи которой различные процессы могут обмениваться данными, в распределенной системе почти не используется. Поэтому классические методы синхронизации и коммуникации (семафоры, память общего доступа и т. д.) исключаются. Единственно возможным методом коммуникации является обмен сообщениями, причем отправитель и получатель выступают в роли равноправных коммуникационных партнеров, между которыми происходит неструктурированный обмен данных. Неструктурированная система сообщений требует эффективных, мобильных, коммуникационных служб, которые обычно иерархически упорядочены и допускают высокую степень свободы при разработке распределенных приложений.
Понятие «распределенная система» применяется сегодня очень широко, независимо от того, идет ли речь о комплексах из нескольких машин или мультипроцессорных системах различных архитектур. Благодаря этому в большинстве случаев оно потеряло свой смысл. Ниже рассмотрена концепция распределенных систем, полученных объединением датчиков и исполнительных механизмов в сеть, формирующая систему автоматизированного управления. Распределенная система управления представляет собой некоторое упорядоченное соединение узлов, обменивающихся друг с другом данными об измерениях и управлении, с одной стороны, и осуществляющих коммуникацию человека и машины - с другой.
Согласно модели Энслоу (Рис. 2), для достижения по-настоящему высокой степени децентрализации распределенная система должна отвечать пяти критериям. В прошлом из-за высокой стоимости системы, отсутствия необходимого инструментария менеджмента, программного обеспечения и др. для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов чаще всего применяли системы управления с централизованной обработкой данных. В последние годы возрос интерес к распределенным системам, так как стали нужны более гибкие универсальные управляющие устройства. Учитывая технологический прогресс в области компьютерных и коммуникационных систем, а также то, что стоимость аппаратного обеспечения постоянно падает, можно ожидать, что в будущем распределенные системы управления на уровне датчиков - исполнительных механизмов будут полностью соответствовать определению Энслоу и благодаря ряду преимуществ (модульности и гибкости программного и аппаратного обеспечения, помехозащищенности, совместимости и пр.) их применение станет экономически выгодным.[2]
Рис. 2. Модель типизации распределенных систем Энслоу
Распределенная система на уровне датчики - исполнительные механизмы
Объединение в сеть обладающих интеллектом компонент позволяет оперировать распределенным интеллектом так, что решения, необходимые для определенного участка, будут приниматься непосредственно на этом участке, а в коммуникационной сети будет происходить обмен только глобальными данными. Распределение данных и функций задается непосредственно требованиями распределенного приложения.
Рис. 3. Центральные и автономные механизмы управления в распределенной системе
На Рис. 3 сравниваются принципы центрального и автономного управления структурами типа master-slave. Отдельные компоненты распределенной системы работают автономно, на основании знаний о текущем статусе других компонент или всей системы в целом. Выход из строя или ошибочное поведение компоненты проявляется в задержке. Там, где задержки недопустимы или необходим высокий уровень защищенности, встраиваются средства контроля.
Технология LonWorks
Сети LON (Local Operating Networks) являются наиболее подходящим средством для построения децентрализованных систем. Как правило, системы LON строятся разветвленными (с пространственно распределенными ресурсами программного и аппаратного обеспечения, динамически конфигурируемыми распределенными устройствами, инвариантностью системы и кооперативной автономией) и могут содержать до нескольких десятков тысяч узлов. Узлы могут быть предназначены для применения в различных областях и сконфигурированы под определенные приложения. Сетевая техника LonWorks предполагает возможность использования различных передающих сред. К ним, наряду с витой парой и коаксиальным кабелем, причисляют также радио-, инфракрасные и световые волны, ультрафиолетовое излучение, силовые линии и т. д. На рис. 4 изображены важнейшие особенности технологии LonWorks.
Рис. 4. Особенности LoriWorks-технологии
Основные правила коммуникации в системе LonWorks определяет протокол LonTalk. Все узлы LON должны в полной мере его поддерживать, так как в противном случае система не будет открытой. Ассоциация по совместимости LonMark, основанная производителями компонент LonWorks, разработала рекомендации для создания Lon-совместимых узлов. Спецификации совместимости LonMark, предоставили базу для разработки LonWorks-совместимых систем. В рамках программы LONMARK предусматривается также сертификация на совместимость продуктов, имеющих отношение к LonWorks.
Протокол LonTalk может стать стандартным протоколом коммуникационных систем, используемых в целях промышленной автоматизации и автоматизации зданий. Примером тому являются стандарты CEN (Technical Committee 247, Controls for Mechanical building services) в области коммуникационных протоколов нейтральных к системам передачи данных устройств отопления, вентиляции и кондиционирования в Европе и BACNet для сетей автоматизации зданий в США. Технология LonWorks в будущем сыграет важную роль в области автоматизации: LonWorks уже находится на начальной стадии стандартизации техническим комитетом Integrated Home Systems ассоциации электронной промышленности.
Областью применения LON-систем является автоматизация процессов, зданий, бытовых электроприборов, а также многие другие области, где требуется децентрализованное измерение и управление. Сейчас применение сетей управления LON ограничивается теми устройствами, для которых требуются скорости передачи данных до 1,25 Мбит/с и время реакции от 10 до 20 мс. В ближайшем будущем можно ожидать, что скорость передачи в LON возрастет в несколько раз, а время реакции резко снизится. Однако протокол LonTalk (наряду со многими другими протоколами систем управления) плохо подходит для передачи видео- и аудиоинформации. Поскольку процесс коммуникации в сети управления зачастую происходит в сильно зашумленной среде (например, в среде с высоким электромагнитным полем), то защита пакетов данных при передаче в LON является очень важным, иногда решающим критерием для применения этой коммуникационной системы. Наряду с 16-битным полиномом ошибок (в каждом пакете гарантировано расстояние Хэмминга 6), в службы транспортного уровня также встроены подтверждения типа End-to-End. На прикладном уровне протокол LonTalk также содержит ряд мер для повышения защиты данных при их передаче.
Способ доступа к шине представляет собой одну из важнейших особенностей сети управления. Сеть LON может состоять из нескольких десятков тысяч узлов, а также поддерживать несколько различных передающих сред в рамках одной сети. Встроенный в LonTalk способ доступа к шине - CSMA - дает возможность узлам производить доступ к шине в неактивном состоянии, позволяет увеличить скорость передачи данных и снизить время реакции, особенно для коротких, ограниченных по времени сообщений. У стандартных способов доступа, применяемых в LAN, это отсутствует. Таким образом, метод доступа к шине CSMA подходит для сетей с большим количеством узлов и устройств. Каждый узел LonWorks физически связан с коммуникационным каналом. Электрический интерфейс с передающей средой (трансивер), а также физическая топология, скорость передачи данных и максимальное удаление узлов друг от друга определены ассоциацией LonMark для различных передающих сред и служат стандартом для построения LON-совместимых систем.