Вдосконалення систем розподілу даних у навантажених мережах

Вступ

З кожним роком продуктивність автоматизованих робочих місць і зростання потужностей сучасних апаратних засобів обробки інформації дає можливість по-новому поглянути на суть реалізації сучасних систем організації та обробки даних. Проте в промислових мережах, де кількість датчиків і обчислювальних механізмів настільки велике, що дозволяє використовувати тільки найпростіші елементи (наприклад, мікроконтролери) для обробки результатів, враховуючи особливості середовища, в якій працює ця система. Існують різні рішення проблеми побудови подібних мереж. Але для обробки даних, коли одна обробна одиниця не може впоратися з навантаженням, в основу рішення лягає модель розподілених об'єктних технологій. Приклад розподiлення даних зображений на рисунку 1. Вибір моделі розподіленої інформаційної системи багато в чому визначає властивості проектованої інформаційної системи.[1]

Широко відомо, що подібні системи з розподіленими об'єктними технологіями складається із сукупності програмно-апаратних компонент, які взаємодіють один з одним. Кожна з таких компонент являє собою апаратний модуль, що виконує певне завдання в рамках одного окремо взятого процесу. При даній реалізації можливе застосування об'єктно-орієнтованого підходу при створенні великих інформаційних систем. Отже, компоненти подібних систем розглядаються на різних рівнях абстракції де кожен об'єкт володіє певною лінією поведінки.[2] Комунікація об'єктів, в більшості випадків, здійснюється за допомогою деякої середовища взаємодії, метою якої є обмін повідомленнями між об'єктами, синхронізація дій, узагальнення отриманих результатів.[6]

Більша частина проблем, які вирішуються використанням розподілених систем програмного забезпечення, так само, як і обмежень, з якими це використання постійно стикається, можуть бути зрозумілі при розгляді процесу еволюційного розвитку методів розподіленої обробки інформації. Необхідно усвідомлювати, що, незважаючи на те, що сама технологія роботи програмістів і користувачів їхніх програм змінилася, проблеми залишаються тими ж самими, що були і в минулому. Розподілена система - це набір незалежних комп'ютерів (апаратних вузлів), що представляють їх користувачам єдиної об'єднаної системою. Від кінцевих користувачів приховані відмінності між комп'ютерами і способи зв'язку між ними. Користувачі та програми одноманітно працюють в розподілених системах, незалежно від того, де і коли відбувається їх взаємодія.[7] Обчислювальна система, що складається з безлічі різних обчислювальних вузлів, на яких встановлено саме різне програмне забезпечення, може називатися розподіленою системою тільки в тому випадку, якщо для своїх користувачів вона виглядає і веде себе як класична однопроцесорна система з розділенням часу. Щоб підтримувати подання різних комп'ютерів та обчислювальних мереж у вигляді єдиної системи, організація розподілених систем часто включає в себе додатковий рівень програмного забезпечення. Цей рівень називається рівнем системної підтримки (middleware). Основне завдання розподілених систем програмного забезпечення - полегшити їх користувачам доступ до віддалених ресурсів, а також здійснювати спільне використання цих ресурсів.[3] Ресурси можуть бути віртуальними, але можуть бути і традиційними - комп'ютерами, принтерами, пристроями зберігання файлів, файлами та даними.[8]

Рисунок 1 - Приклад реалiзацii розподiлення даних (анiмация, 14 кадрiв, 34КБ)

Цілі і завдання

Метою даної магістерської роботи є підвищення продуктивності промислової навантаженої мережі шляхом удосконалення системи обробки і розподілу даних. Щоб досягти поставлену мету, потрібно вирішити наступні завдання:

1. Вивчити існуючі протоколи, їх особливості промислових стандартів, пропоновані фірмами-розробниками для проектування промислових мереж, а також провести огляд вже готових рішень
2. Ознайомитися з існуючими алгоритмами розподілу даних в мережах, у тому числі і методами, використовуваними в РБД
3. Визначити набір параметрів, які потрібні для визначення ефективності функціонування системи в цілому
4. Дослідити існуючі алгоритми, що застосовуються для конкретної промислової мережі
5. Модифікувати алгоритм оптимізації розподілу даних, і досліджувати вплив зміна на продуктивність системи

Актуальність вибору теми

Суть роботи полягає в побудові розподіленої промислової мережі, яка зможе обробляти великі обсяги інформації, що отримується від всіляких датчиків і пристроїв за допомогою розподілених обчислень. Прикладом таких систем можуть служити як системи контролю роботи на заводі, де час спрацьовування аварійної системи має бути мінімальним. Для швидкого реагування на небезпеку система контролю повинна забезпечувати як можна більш швидку і ефективну обробку даних, одержуваних від систем спостереження за ходом роботи заводу. А введення розподілу даних в мережах навантажених дозволить скоротити час реакції. Подібні системи широко використовуються на всіх етапах виробництва, тому дана тема є актуальною в наші дні. Передбачувана практична цінність полягає в тому, що результуюча система дозволить скоротити час реагування сигнальної системи на небезпеку. А в цехах з підвищеним ризиком для співробітників заводу своєчасне реагування аварійної системи (гасіння пожеж, система вентиляції, аварійного відключення конвеєра і т.д.) може врятувати життя і здоров'я працівників заводу. [10]

Огляд існуючих промислових мереж

ASI

Дана технологія підтримується рядом відомих фірм: Limberg, Siemens, Pepperl + Fuchs, IFM та ін

Основне завдання цієї мережі - об'єднати в єдину інформаційну структуру пристрою самого нижнього рівня автоматизується процесу (датчики та різноманітні виконавчі механізми) з системою контролерів. Це випливає з назви: Actuator Sensor Interface (ASI).

ASI-інтерфейс дозволяє через свої комунікаційні лінії передавати не тільки дані, але і живляться датчики. Тут використовується принцип послідовної передачі на базовій частоті. Інформаційний сигнал модулюється на живильну частоту.

У якості фізичного середовища використовується спеціальний неекранований двохдротовий кабель з трапецієподібним профілем. Цей кабель дозволяє підключати датчики, що встановлюються на рухомих частинах механізмів. Топологією ASI-мережі може бути шина, зірка, кільце або дерево з циклом опитування 1931 вузла за 5 мс. Максимальний обсяг даних з одного ASI-вузла - 4 біт.

CAN

Історія цього протоколу почалася на початку 80-х років, коли технологія створення й експлуатації сучасних транспортних засобів зажадала встановлення на них великої кількості датчиків, ув'язуються в єдину інформаційну мережу з замиканням на бортовому комп'ютері автомобіля. Компанія BOSCH (Німеччина) розробила для цієї мети протокол CAN (Control Area Network), що отримав статус міжнародного стандарту ISO11898. За своїми характеристиками він задовольняє не тільки вимогам завдань реального часу, а й реалізує високий ступінь виявлення та виправлення помилкових телеграм.

CANbus - це послідовна шина з децентралізованим доступом на основі моделі CSMA / CM. Можливі колізії, пов'язані з одночасним запитом шини, вирішуються на основі пріоритетності переданих повідомлень.

Історія розвитку цього протоколу - яскравий приклад того, як не доведена до кінця робота по стандартизації призводить до появи цілого сімейства несумісних один з одним протоколів. Справа в тому, що розвиток CAN зупинилося на визначенні тільки перших двох рівнів OSI-моделі. З'явилася велика кількість розробок 7-го рівня для CAN, оформлених як самостійні протокольні рішення: SDS (Honeywell), DeviceNET (Allen Bradley), CAL (CiA-асоціація), CAN11 (BMW), SeleCAN (Selectron), Kingdom (Kvaser), MiCAN (RMI) і кілька інших.

Ясно, що така ситуація мало влаштовує користувачів-ним самим пропонується зробити вибір на користь тієї чи іншої варіації на тему CAN. При цьому лідерами в цьому сімействі, безумовно, є SDS і DeviceNET (американський ринок) і CAL (Європа).

HART

Протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer), розроблений фірмою Rosemount Inc. в середині 80-х років, реалізує відомий стандарт BELL 202 FSK (Frequency Shift Keying), заснований на 4 20мА-технології.

Схема взаємовідносин між вузлами мережі заснована на принципі MASTER / SLAVE. У HART-мережі може бути присутнім до 2 MASTER-вузлів (зазвичай один). Другий MASTER, як правило, звільнений від підтримки циклів передачі і використовується для організації зв'язку з будь-якою системою контролю / відображення даних. Стандартна топологія - "зірка", але можлива і шинна організація. Для передачі даних по мережі використовуються два режими:

1) асинхронний: за схемою "MASTER-запит \ SLAVE-відповідь" (один цикл укладається в 500 мс);

2) синхронний: пасивні вузли безперервно передають свої дані MASTER-вузла (час оновлення даних у MASTER-сайті за 250-300 мс).

За одну посилку один вузол може передати іншому до 4 технологічних змінних, а кожне HART-пристрій може мати до 256 змінних, що описують його стан. Контроль коректності переданих даних базується на одержанні підтвердження.

FOUNDATION FIELDBUS

Ця мережа народилася в результаті співпраці двох провідних американських асоціацій - ISP і WorldFIP, які до 1993 року намагалися самостійно створити універсальну промислову мережу. У 1994 році з'явилася асоціація Fieldbus Foundation, що просуває на ринку і забезпечує підтримку мережі Foundation Filedbus (FF). Після багаторічних безуспішних спроб розробити універсальну промислову мережу, зроблених провідними комітетами зі стандартизації IEC і ISA, асоціація Fieldbus Foundation прийшла до синтезованого рішення з використанням напрацювань з різних джерел під загальною назвою Foundation Fieldbus. Отже, FF сьогодні - це:

• фізичний рівень H1 FF (повільний), що забезпечує робочу швидкість 31,25 Ккбіт / с. Ця реалізація фізичного рівня заснована на модифікованій версії стандарту IEC 1158-2 і призначена для об'єднання пристроїв, що функціонують у вибухонебезпечних газових середовищах;
• фізичний рівень H2 FF (швидкий), що забезпечує робочу швидкість до 1КМбіт / с і також заснований на стандарті IEC 1158-2;
• мережевий рівень, який використовує елементи проекту IEC / ISA SP50 універсальної промислової мережі;
• прикладний рівень, що включає елементи з проекту ISP / Profibus.
• Основна область застосування цієї мережі - самий нижній рівень розподіленої системи автоматизації з обв'язкою пристроїв, що працюють у вибухонебезпечних середовищах і використовують мережу як для інформаційного обміну, так і для власного живлення.

У протоколів FF і Profibus-PA багато спільного і саме тому з боку європейської асоціації з стандартизації CENELEC зроблено пропозицію про включення FF в стандарт EuroNorm 50170 в якості самостійної його частини.

LON

Протокол LON (точніше LONTalk) був розроблений американською компанією Echelon Corporation для побудови інтелектуальних систем життєзабезпечення будівель. В основі LON-технології лежить використання спеціального інтерфейсного кристала Neuron. У 1990Кг. компанія ECHELON уклала договір з компаніями Toshiba і Motorola про виключне право цих компаній на його виробництво. Цей однокорпусний кристал містить 3 мікропроцесора: MAC (media access control CPU - ЦП доступу до середовища передачі), NET (network CPU - мережевий ЦП) і APP (application CPU - ЦП додатків). MAC-процесор підтримує перший і другий рівні OSI-моделі; NET-процесор реалізує функції з третього по шостий рівень; APP-процесор обробляє функції прикладного рівня.

Існують протоколи та методи кодування для самих різноманітних фізичних каналів передачі даних. Наприклад, метод диференціального манчестерського кодування обраний для витої пари, FSK-модуляція застосовується для роботи на сегментах ліній електропроводки і на радіоканалах. LON-мережа може складатися з сегментів з різними фізичними середовищами передачі: кручена пара, радіочастотний канал, інфрачервоний промінь, лінії напруги, коаксіальний і оптичний кабелі. Для кожного типу фізичного каналу існують трансивери, що забезпечують роботу мережі на різних по довжині каналах, швидкостях передачі та мережної топології.

При вирішенні колізій використовується пророкує алгоритм їх попередження, тобто доступ до каналу упорядковується на основі знання про передбачуваного навантаження цього каналу. Вузол, що бажає передавати, завжди отримує доступ до каналу з випадковою затримкою з деякого діапазону. Для запобігання зниження пропускної здатності мережі величина затримки представлена як функція числа незавершених завдань (backlog), що стоять в черзі на виконання. Здатність алгоритму, реалізованого на MAC-рівні, "пророкувати" заснована на оцінці числа незавершених завдань. Кожен вузол має і підтримує поточне значення backlog: інкрементування та декрементування відбувається за результатами відправлення і прийому пакетів.

Максимальна розмірність LON-мережі - 32000 вузлів, з'єднаних різними фізичними середовищами в довільній мережної конфігурації.

PROFIBUS

При побудові багаторівневих систем автоматизації, як правило, стоять завдання організації інформаційного обміну між рівнями. В одному випадку необхідний обмін комплексними повідомленнями на середніх швидкостях. В іншому - швидкий обмін короткими повідомленнями з використанням спрощеного протоколу обміну (рівень датчиків). У третьому потрібна робота в небезпечних ділянках виробництва (переробка газу, хімічне виробництво). Для всіх цих випадків PROFIBUS має рішення. Сьогодні, говорячи про PROFIBUS, необхідно мати на увазі, що під цим загальною назвою розуміється сукупність трьох окремих протоколів: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP і PROFIBUS-PA. Всі три варіанти протоколу використовують загальний канальний рівень (рівень 2 OSI-моделі).

Протокол PROFIBUS-DP був спроектований для організації швидкого каналу зв'язку з датчиковим рівнем. В основі алгоритму роботи лежить модель циклічного опитування каналів. Крім цього, існує набір ациклічних функцій для конфігурації, діагностики і підтримки сигналів. У DP-протоколі існують три типи пристроїв:

• майстер Класу-2 (DPM2): може виконувати функції конфігурації і діагностики пристроїв мережі;
• майстер Класу-1 (DPM1): це програмовані контролери (PLC, PC), в оперативному режимі виконують функції провідного вузла в мережі;
• ведені пристрої (DP Slave): це пасивні пристрої з аналоговим / дискретним введенням / виводом.

DP-протокол дозволяє організувати одно-майстерну (один DPM1 і до 126 DP-Slaves) та багато-майстерну конфігурацію (кілька DPM1 і DP-Slaves).

Протокол PROFIBUS-FMS з'явився першим і був призначений для роботи на так званому цеховому рівні. Тут потрібна висока ступінь функціональності, і цей критерій важливіше критерію швидкості. FMS-протокол допускає гібридну архітектуру взаємодії вузлів, засновану на таких поняттях, як віртуальне пристрій мережі, об'єктний словник пристрої (змінна, масив, запис, область пам'яті, подія і ін), логічна адресація і т.д.

Протокол PROFIBUS-PA - це розширення DP-протоколу в частині технології передачі, заснованої не на RS485, а на реалізації стандарту IEC1158-2 для організації технології передачі у вибухонебезпечних середовищах. Він може використовуватися в якості заміни старої 4-20мА-технології зв'язку. Для комутації пристроїв потрібна всього одна кручена пара, яка може одночасно використовуватися і для інформаційного обміну, і для живлення пристроїв.

На одному фізичному каналі (RS485 або оптоволоконного) одночасно можуть працювати пристрої PROFIBUS всіх трьох типів. Робоча швидкість передачі може бути обрана в діапазоні 9,6-12000Ккбіт / с.

PROFIBUS - це Маркерна шина, в якій всі цикли суворо регламентовані за часом і організована продумана система тайм-аутів. Протокол добре дозволяє різноманітні колізії в мережі. Настроювання всіх основних часових параметрів йде за сценарієм користувача.

Дослідження, проведені незалежними західними маркетинговими компаніями, свідчать про те, що PROFIBUS покриває понад 40% ринку відкритих промислових мереж у Німеччині та Європі. Йде стрімке процес завоювання і американського ринку. Але найголовніше те, що сьогодні PROFIBUS розглядається як кандидат на отримання статусу міжнародного стандарту IEC (МЕК).

BitBus

Bitbus була вперше представлена компанією Intel, як змінена система Multibus, з доданими функціями віддаленого вводу / виводу. Ця унікальна промислова мережу в наші дні є однією з найбільш зрілих і найбільш використовуваних мереж. Bitbus дозволяє програмам завантажуватися і виконуватися у віддаленому вузлі для по-справжньому розподіленим системам конфігурація.

Мережа типу "клієнт-сервер", що використовує в якості комунікації обмін повідомленнями довжиною макс 248 байт. Складається з шини, обладнаної терміналами на обох кінцях. Можливо подовження шини за допомогою повторювачів.

WorldFIP

WorldFIP забезпечує детермінованих і надійну схему для передачі параметрів процесу (генеруються сенсорами) і повідомлень (подій, конфігураційними командами) зі швидкістю до 1 Мбіт у секунду на основі недорогого кабелю кручений пари. FIP використовує оригінальний механізм, де в шину надходить широкомовний сигнал для всіх вузлів мережі, який дозволяє відтворити цю змінну в будь-якій точці мережі. Всі модулі в мережі отримують цю змінну одночасно. Ця концепція являє собою децентралізовану базу даних змінних у вузлах і має непогані часові характеристики. Ця функція виключає поняття адресу сайту і дає можливість для розробки дійсно розподілених систем управління технологічними процесами. [5]

ArcNet

ARCNET позиціонується як високошвидкісна локальна обчислювальна мережа (LAN), яка добре підходить для керування в реальному часі додатків в промислових мережах. На офіційному сайті сказано, що в мережі використовуються недорогі вбудовані мікроконтролери, що значно знижує вартість даної розробки.

Спочатку системи була розроблена в корпорації Datapoint в середині 70-х і була переобладнана на кремній у 1982 році. Мережа ARCNET постійно розширює сфери використання далеко за межі своєї первісної області застосування, широко використовується в промислових мережах в якості приєднань нових вузлів мережі. [4]

Плановані результати

В результаті виконання магістерської роботи планується спроектувати модель промислової мережі, і прискорити систему обробки інформації, що дозволить скоротити час отримання результатів обробки даних. Дана система може бути застосована в тих випадках, коли обсяги інформації, що надходить на вхід обробної системи, багаторазово перевищують можливості окремо взятого обчислювального вузла. Система дозволить розподілити навантаження між обчислювальними станціями, що дозволить уникнути переповнення черги заявок на обробку сигналів.

Висновок

У даній роботі розглянута проблема розподілу даних в промислових мережах, проведено поверхневий огляд існуючих рішень. Суть проблеми полягає в обробці великих обсягів даних, що отримуються з різних пристроїв, датчиків. Основна мета досліджень - мінімізація часу реагування системи на можливу небезпеку. Рішенням цієї проблеми є удосконалення системи розподілу даних між обробниками. У результаті проведеної роботи ефективність даного методу повинна буде підтверджена експериментально, за допомогою побудови моделі промислової мережі.

Література

1. Цегелик Г.Г. Системы распределенных баз данных. - Львов: Свит, 1990. – 168 с.
2. I. Ahmad Evolutionary Algorithms for Allocating Data in Distributed Database Systems [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ranger.uta.edu/~iahmad/journal-papers/[J39]...
3. Date C.J. What is distributed database?. - InfoDB, 1987.
4. Сайты разработчиков спецификаций промышленных сетей. ARCNET Resource Center [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.arcnet.com/
5. Володькин И.Н. Основы проектирования промышленных сетей. - М.: Москва, 2004.
6. IEC 61804-1 Function blocks (FB) for process control. - BSI, 2004
7. ISA/ANSI. Standards and practices Department Procedure [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ieeexplore.ieee.org.
8. Архипов А.С., Нагруженные сети: модели, разработка, реализация. - СПб.: Питер, 1998.
9. Колесников Д.Г., Оптимизация распределения информационных файлов в сетях ЭВМ с параллельной обработкой .- Ростов-на-Дону,1999.
10. Петров В.Н., Информационные системы: учебное пособие .- СПб.: Питер, 2002.