Представим себе стаю уток, летящих в форме треугольника . Если они управляются централизованно, то «центральный компьютер» постоянно должен рассчитывать траекторию полета для каждой утки. Если хотя бы одна из них будет застрелена охотником, то компьютер с помощью соответствующего алгоритма, должен будет снова заполнить образовавшееся пустое пространство, изменив траекторию полета остальных уток. Естественно, для такой сложной системы, как центральный компьютер. подобный алгоритм реализовать непросто.

Предположим теперь, что утки объединены в сеть посредством некой Fieldbus-системы. Теперь требуется лишь задать каждой утке угол, под которым она должна лететь по отношению к впереди летящей, и расстояние до нее. Если какая-либо из уток будет застрелена, то система относительно быстро восстановится сама и для заполнения пустого пространства не потребуется каких-либо дополнительных затрат. Интеллект каждой утки в этом случае может быть относительно невысоким.

Само собой разумеется, что и в центрально-ориентированную систему могут быть встроены простые параллельные процессы, как это сделано в Fieldbus-системах. Однако такое решение 'при разработке центрально-ориентированной системы не напрашивается. Центрально-ориентированная система «принуждает» разработчика думать централизованно, строя сложные алгоритмы. К тому же в центрально-ориентированной системе всегда используются дорогостоящие многозадачные пользовательские системы, требующие больших затрат на разработку и обслуживание. Устройства Fieldbus-систем, наоборот, применяют в больших количествах, поэтому себестоимость их производства весьма мала.

1.3. Информационный обмен как основа распределенных систем

1.3.1. Иерархия системы

Объединение систем компьютеров в сеть приобретает настолько сложный характер, что плоская архитектура сети теряет всякий смысл. Во всех областях автоматизации предпочтение отдается сетям с вертикальной иерархией систем, в которых на каждом уровне можно реализовать логически обособленный набор функций. Рассмотрим пятиуровневую модель некоего автоматизированного производства [рис.1-4]. Слева от нее находится сеть, с помощью которой можно упорядочить уровни. Понятно, что количество уровней и их вид зависят от набора параметров, определяющих конкретную систему. При автоматизации систем зданий эта схема выглядит совсем не так, как в случае системы управления технологическими процессами. Разумеется, от начальных условий (набора функций для конкретного уровня) зависит, какая сеть и на каком уровне будет использована, - практика заставляет думать более гибко.

В основе терминологии, принятой в этой книге, лежит следующее правило: исходя из общепринятого определения LAN (например, IEEE 802.3), все сети, находящиеся иерархически ниже, должны называться FAN (Fieldbus Area Networks). He должно проводиться разделения на «шины датчиков и исполнительных механизмов», «мультиплексные шины» и т. д., так как основным поводом для него служат маркетинговые интересы. Иерархически вышестоящими по отношению к LAN следует считать WAN, связывающие LAN между собой, а в определенных случаях и FAN (например, при прямом соединении LonWorks сетей ISDN). Для полноты картины назовем GAN - так называемые глобальные спутниковые сети, находящиеся иерархически выше WAN.

1.3.2. Семиуровневая модель ISO/OSI

Для описания сетевого взаимодействия Международная организация по стандартизации ISO (International Organisation for Standardisation) разработала модель сетевого объединения компьютеров (в то время речь шла прежде всего об объединении с помощью WAN и LAN), которая была названа OSI (Open System Interconnection, в русской терминологии - модель взаимодействия открытых систем). Встречается и полное название - модель ISO/OSI. Принцип, который лег в ее основу, был относительно прост. Все необходимые коммуникационные функции были собраны и упорядочены в рамках семиуровневой иерархической модели. При меньшем количестве уровней разбиение на модули не дает преимуществ. Большее количество уровней нежелательно, так как существующий между ними интерфейс приводит к так называемым вертикальным издержкам - непроизводительным затратам системных ресурсов. Исходя из этих соображений и было выбрано магическое число семь.

Когда разрабатывали стандарт ISO/OSI, меньше всего думали о функциях реального времени и не предвидели появления Fieldbus-систем. Несмотря на это, позже модель ISO сочли подходящей для спецификации и описания. Поскольку она положена в основу большинства существующих систем, вырабатывается общий образ мышления, возможно, отчасти сглаживающий ее недостатки.

Все физические и механические параметры модели определяются на нижнем уровне, который является передающим. На более высоких уровнях определяется способ доступа к шине, описывается составление кадров данных и осуществление их защиты при передаче (связь абонентов типа «точка-точка»). Если между двумя устройствами установлено соединение, то при этом образуются как минимум две связи типа «точка-точка», которые могут быть совершенно различными.

На уровне 3 выполняется маршрутизация, то есть выбор пути. В телефонной сети на этом уровне осуществляют связь пути с номером телефона, поэтому его часто называют коммутационным. Уровень 4 управляет связью «точка-точка»: он отвечает за то, чтобы пакеты данных, посланные отправителем, дошли до получателя в нужном порядке, то есть управляет потоком информации.

На уровне 5 организуются сеансы - одновременный обмен данными между различными абонентами. В определенных ситуациях задачей этого уровня является идентификация участников и синхронизация сессий после их прерывания. На уровне 6 происходит согласование общего набора символов (языка).

Уровень 7, как и уровень 1, занимает особое место: он представляет собой интерфейс с внешним миром, а также службы прикладного уровня - либо самостоятельно, либо требуя этого от уровней, лежащих ниже него, которые в свою очередь также могут обратиться к ниже лежащим уровням (иерархическая система).

Рассмотрим различные предметные области (наборы параметров, описывающих систему), например, системы автоматизации зданий и технологических процессов. Требования, предъявляемые к производительности этих двух управляющих систем, совершенно различны. Из соображений безопасности при автоматизации технологических процессов никогда не производят подключения большого количества узлов к одному сегменту. Очевидно, по этой же причине в Fieldbus-системах, применяемых в этой области, стараются использовать не более 1000 или даже 100 узлов. Но если можно ограничить количество узлов и отказаться от маршрутизаторов (коммутационных узлов), то уровень 3 не нужен, может отпасть необходимость и в уровне 4. Выигрыш огромен: из коммуникационной колонны выпадает несколько интерфейсов, система становится дешевле, повышается ее быстродействие.

При автоматизации зданий хотят, наоборот, иметь по возможности как можно больше узлов. Помимо того пользовательская сеть, объединяющая системы освещения, обогрева и регулировки климата, должна соединяться с системами сигнализации и охраны. При этом важно, чтобы узлы могли обмениваться данными различными путями. Таким образом, уровни 3 и 4 оказываются необходимы.