Блок-ориентированные протоколы

В знак- или блок-ориентированных протоколах данные передаются блокам, которые ограничиваются специальными управляющими символами, например, SOH — начало заголовка, SYN — синхронизация, STX - начало текста, ЕТХ - конец текста и EOT — конец передачи). Каждая передача начинается с символов SОН или STX и заканчивается символом конца блока, например ЕТХ или EOT. Несколько символов SYN в начале блока данных используется для синхронизации приемника перед передачей данных (рис. 4.17). Блочный режим используется при передаче не­прерывной последовательности от нескольких байт до нескольких сотен байт. Такая передача обычно осуществляется в синхронном режиме, при котором импульсы, от­носящиеся к отдельным битам, управляются синхросигналом.

В зависимости от реализации (протокола) для управления потоком используются символы АСК— положительное квитирование, т. е. подтверждение приема и NAK — отрицательное квитирование или неприем. В одной из модификаций приемник должен явно квитировать прием каждого блока, в другой — приемник запрашивает только повторную передачу поврежденных бло­ков. Как правило, простои линии отсутствуют — если нет данных, приемник и пере­датчик могут обмениваться синхронизирующими символами.

В общем случае синхронная передача данных более эффективна, чем асинхрон­ная, так как лучше использует пропускную способность линии и сокращает простои. Она применяется при скоростях передачи, превышающих 2 Кбит/с. С другой сторо­ны, синхронная передача требует более сложного и, соответственно, более дорогого оборудования, чем асинхронная. Синхронная передача эффективна при передаче длинных блоков данных, например при передаче файлов. Для приложений, не требу­ющих высокой скорости, и в случае посимвольной передачи, например, для связи ЭВМ с терминалом или принтером, обычно достаточно асинхронного режима.

4.19. Протокол TCP/IP

Протокол TCP/IP — протокол уп­равления передачей/межсетевой протокол) представляет собой семейство протоко­лов, предназначенных для работы в сложных объединенных сетях. В последнее время он находит широкое применение в вычислительных сетях промышленной автоматики.

TCP/IP — это сокращенное название набора нескольких стандартов с различны­ми характеристиками и функциями, из которых основным является IP межсетевой протокол. Более правильное название TCP/IP IPS - семейство межсетевых протоколов. Однако первый термин получил настолько широкое распространение, что он будет использоваться и в даль­нейшем. Следует иметь в виду, что TCP и IP являются всего лишь двумя из протоко­лов, образующих IPS.

Если рассматривать TCP/IP с точки зрения модели ВОС, то можно считать, что он состоит из пяти уровней, первые три из которых функционально практически со­впадают с моделью ВОС (рис.4.18). На рисунке показаны названия порций инфор­мации на различных уровнях. Дейтаграммы в TCP/IP формируются способом, похо­жим на применяемый в модели ВОС. Понятие одноранговых процедур также сходно с их определением в модели ВОС.

Уровни TCP/IP определены следующим образом.

Уровни 1 (физический) и 2 (канальный) в TCP/IP явным образом не специфици­рованы. Здесь могут быть использованы существующие стандарты, например

входя­щие в модель ВОС; TCP/IP подразумевает, что существует физическое соединение и соответствующее управление каналом.

Уровни 3 и 4 в TCP/IP в определенной степени похожи на соответствующие уровни модели ВОС, хотя они непосредственно не совместимы с каким-либо из ее стандартов.

Уровню 3 соответствует межсетевой протокол IP, который является ядром всего стека протоколов. Этот уровень обеспечивает передачу дейтаграммпо сети от одной станции к другой. Дейтаграммы представляют собой порции информации, передава­емые по сети независимо друг от друга, которые могут быть предназначены для од ной, нескольких или всех станций; соответственно, они могут иметь уникальный, групповой или широковещательный адрес. На этом уровне получатель не должен подтверждать доставку дейтаграммы. IP был разработан для передачи дейтаграмм по сети, но он не контролирует ни того, что дейтаграмма попала к адреса­ту, ни того, что доставка прошла без ошибок.

В IP не существует понятия последовательности дейтаграмм, составляющих со­общение. Служба дейтаграмм не предусматривает их доставку в том же порядке, в котором они были посланы. Это входит в функции протоколов верхнего уровня стека TCP/IP.

Уровень IP использует специальную структуру для адресации узлов сети. Адрес IP представляет собой 32-битовое число, разбитое на четыре 8-битных блока, разде­ленных точками; его десятичным эквивалентом являются четыре числа в диапазоне 1-255 (например, "137.19.7.224"). Назначение адресов узлам представляет собой не­тривиальную задачу и должно выполняться по определенным правилам; дальней­шие подробности описаны в соответствующей литературе.

Для устройств, подключенных к Интернету, должны использоваться адреса, уни­кальные в рамках всей глобальной сети. К системам управления производственными процессами это относится в меньшей степени, поскольку они обычно являются замк­нутыми и не зависят от какой-либо внешней сети. Поэтому не имеет значения, если система управления роботом имеет тот же адрес, что и компьютер библиотеки уни­верситета или сервер Web в глобальной сети. Однако в случае, если система управле­ния подключена к Интернету, то она больше не работает в изолированном режиме, и при выборе адресов это необходимо учитывать. Для того чтобы отделить часть сети, связанную с системой управления, от Интернета, можно использовать межсетевой экран, выполняющий роль фильтра.

Уровень 4 (транспортный) включает в себя средства, расширяющие базовые службы IP. Протокол UDP— пользовательский дейтаграммный протокол) представляет собой простую службу, осуществляющую транспорт дейтаграмм между приложениями, которые не требуют особой надежности, посколь­ку UDP не имеет средств для создания и поддержки виртуального соединения. Пере­дача каждой дейтаграммы представляет собой законченный процесс. Это обстоя­тельство снижает накладные расходы и соответственно увеличивает скорость передачи. При использовании UDP каждое приложение-адресат должно самостоя­тельно осуществлять проверку и исправление ошибок.

UDP предназначен для систем с несколькими получателями, в которых квитиро­вание приема каждой отдельной дейтаграммы было бы неудобно и дорого, например в случае, когда информация не обладает очень большой ценностью и часто обновля­ется; При управлении производственными процессами это может быть фоновая пе­редача информации о процессе, которая должна постоянно выводиться на несколь­ких рабочих станциях, поэтому небольшие нарушения и спорадические ошибки не имеют особого значения. Разумеется, аварийная сигнализация, требующая немед­ленных действий оператора, не может использовать ненадежный и непроверяемый транспорт.

TCP представляет собой развитый протокол с подтверждением, средствами уста­новки и завершения виртуального соединения, обнаружения и коррекции ошибок и управления потоком. TCP не поддерживает групповую и широковещательную пе­редачи. Более высокая надежность достигается за счет накладных расходов на установку и поддержку соединения. Блок данных приложения вместе с дополнительным заголовком TCP, передаваемый на уровень IP для транспортировки по сети, называ­ется сегментом.

Пятый (прикладной) уровень TCP/IP представляет собой совокупность служб, предназначенных для пользователя сети, включая удаленную регистрацию, протокол виртуального терминала, протокол передачи файлов, сетевую файловую систему и некоторые другие.

Сетевая файловая система NFS — это дополнение к комплекту протоколов TCP/ IP, разработанное компанией Sun Microsystems. Служба NFS передает информацию о структуре каталога и файлах станций, подключенных к сети, в том виде, который принят на запрашивающей станции. Например, на компьютере, работающем под Windows, NFS показывает файлы, размещенные в других узлах сети, в том же самом древовидном формате, как и локальные файлы. В системе UNIX каждый удаленный каталог показывается как дополнительный.

Протокол передачи файлов (FTP) включает простые средства для перемещения файлов с одной станции на другую; он также обеспечивает операции с файлами на уда­ленных системах — изменение текущего каталога, копирование, удаление, переимено­вание файла и т. п. Операции FTP работают с файлами целиком вне зависимости от их содержания: например, в протоколе FTP не предусмотрено открытие файла для досту­па к отдельным записям. Каждый файл рассматривается лишь как поток байт.

Пятый уровень TCP/IP нельзя сравнивать с 5-7-м уровнями модели ВОС, так как он вместо описания коммуникационных протоколов включает специфические прикладные программы, использующие средства TCP/IP. В частности, в TCP/IP нет уровня представления данных (6-й уровень модели ВОС), определяющего коди­рование символов.

В настоящее время TCP/IP пользуется популярностью для обмена данными в си­стемах промышленной автоматики, в которых несколько серверов и рабочих станций соединены в одну или несколько сетей. Основной аргумент в его пользу — TCP/IP существует как зрелый продукт с проверенной функциональностью, работающий на различных программных и аппаратных платформах, не слишком сложный и не тре­бующий чрезмерных накладных расходов.

TCP/IP разрабатывался как практичный и простой протокол. Такой подход сыграл решающую роль в его судьбе. Для сравнения: единственными стандартами, разработан­ными в соответствии с моделью ВОС и получившими широкое распространение, явля­ются служба сообщений Х.400 и служба каталогов Х.500. Однако модель ВОС будет иг­рать все большую роль при определении новых услуг, а TCP/IP не будет меняться, по крайней мере до тех пор, пока будет решать появляющиеся проблемы. Для промышлен­ных задач TCP/IP будет во многих случаях наиболее целесообразным решением.