TCP/IP в технологических сетях

Сергей Лисецкий, Дмитрий Медведенко, СЕТИ и Телекоммуникации

В современных территориально распределенных производствах часто возникают проблемы с телемеханизацией, контролем показаний датчиков, управлением и мониторингом удаленных устройств, не поддерживающих протоколы сетей пакетной передачи данных.

Одним из возможных способов передачи потоков асинхронных данных является организация канала тональной частоты от центра сбора информации или управления до удаленного устройства. Недостаток такого метода – неэффективное использование ресурсов, дороговизна построения подобной системы и ее эксплуатации.

В этом случае необходимо поддержание в рабочем состоянии огромного числа медных линий связи, контроль и регламентные работы на большом количестве обслуживаемых и необслуживаемых усилительных пунктов. Сейчас подавляющее большинство таких технологических сетей построено именно этим неэффективным и высокозатратным способом.

Другим путем решения подобной задачи является передача вышеописанного типа информации через пакетную сеть передачи данных. Однако в этом случае возникает новая проблема, которая заключается в том, что информация не организована в пакетные элементы (Protocol Data Unit) и передается в асинхронном режиме, поэтому иногда такие данные называют "сырыми". Поэтому для передачи подобной информации ее необходимо инкапсулировать в PDU определенного стека протоколов.

На сегодняшний день подавляющее большинство корпоративных сетей передачи данных построено на базе стека протоколов TCP/IP. Таким образом, наиболее эффективной будет инкапсуляция на локальном узле "сырых" данных технологических сетей в стек TCP/IP с последующей деинкапсуляцией их на удаленной стороне.

Инкапсуляцию можно произвести либо с помощью IP-туннелирования, осуществляемого с использованием аппаратных маршрутизаторов (например, производства Cisco Systems), либо благодаря организации "виртуального" асинхронного соединения через IP-сеть на базе конверторов интерфейсов RS 232 to IP. Одним из широко известных конверторов является Moxa Nport Express DE 311 производства компании Moxa Technologies.

Варианты реализации описанных решений представлены на рисунке.

Вариант структурной схемы с использованием маршрутизаторов

Варианты структурной схемы с использованием конверторов

Проверяем качество

С целью тестирования рассмотренных выше типов решений (на базе маршрутизатора и конвертора интерфейсов)и проверки качества передачи данных был собран ряд стендов (рис.).

При проведении экспериментов в качестве объекта управления использовалась рабочая станция, поскольку ее последовательный асинхронный порт обрабатывает сигналы абсолютно аналогично портам различных объектов управления, таких как, например, устройства телемеханики, датчики температуры, давления, расхода жидкостей и т. д.

В ходе тестирования рабочая станция подключалась к маршрутизатору/конвертору с помощью асинхронного порта RS 232 (COM 1),  а подсоединение маршрутизатора/конвертора к IP-сети проводилось через сетевой интерфейс Ethernet (RJ 45).

С целью проверки качества передачи данных в ходе тестирования с одной рабочей станции на другую передавался файл размером 700Кбайт, при этом последовательно изменялась скорость передачи асинхронного порта с 4800до 115200 бит/c.

Для передачи асинхронных данных использовалось ПО терминала и протокол передачи данных по асинхронным линиям Zmodem with CrashRecovery, который позволяет фиксировать ошибки при передаче данных, а также осуществлять повторную передачу сбойных блоков.

Первый эксперимент проводился с использованием двух маршрутизаторов Cisco 2651 с установленным модулем NM 8A/S асинхронных интерфейсов и коммутатора Catalyst 2950-24, который использовался для эмулирования распределенной IP/Ethernet сети. Структурная схема стенда приведена на рис. В рассматриваемом случае передача файла прошла без разрыва соединения и без ошибок при приеме.

Во втором эксперименте применялись два маршрутизатора Cisco 2651 с модулем NM 8A/S и два коммутатора Cisco Catalyst 2950-24, однако соединение между ними в этом случае осуществлялось через беспроводной Ethernet канал, созданный на базе радиомоста стандарта IEEE802. 11b Cisco Aironet 350:радиосвязь организовывалась в радиоканале №6 (2437 МГц)с полосой 22 МГц. Структурная схема стенда приведена на рис.

Схема первого эксперимента:для передачи асинхронных данных используются маршрутизаторы

Cхема второго эксперимента:для передачи асинхронных данных используется радиомост

Схема третьего эксперимента:учитывалась возможность помех в радиоканале

Схема четвертого эксперимента:использовался режим Host Based mode

Схема пятого эксперимента:использовался режим Pair Connection mode

В последнем случае передача файла также прошла успешно, без разрыва соединения и безошибок при приеме.

Следует отметить, что в связи с тем, что в реальных условиях при построении и эксплуатации беспроводных сетей стандарта IEEE 802. 11b приходится считаться с возможностью помех от других радиосистем, третий эксперимент проводился с учетом влияния радиопомех.

В качестве источника помех использовался бридж Cisco Airоnet 350 и ноутбук с установленным беспроводным адаптером Cisco Aironet 350Wireless Lan Adapter. Структурная схема стенда с учетом источника радиопомех приведена на рис.

Радиосвязь снова организовывалась в радиоканале №6 (2437 МГц), а источник помех работалв радиоканалах №11 (частота – 2462 МГц) и №8 (частота – 2457 МГц). В обоих случаях передача прошла без ошибок во время приема и без разрыва соединения.

В тех же условиях, но при наличии помех в используемом для передачи данных радиоканале №6 (2437 МГц) передача прошла успешно, без разрыва соединения, однако с применением протокола передачи Xmodem. Следующая серия экспериментов проводилась с использованием конвертора DE 311 для выяснения возможности его использования для передачи "сырых" данных через радио и проводные Ethernet сети.

Так, четвертый эксперимент проводился с применением конвертора Moxa NPort Express DE 311в режиме Host Based mode. Основная особенность данного режима заключается в том, что на рабочей станции средствами операционной системы эмулируется последовательный дополнительный виртуальный порт, на котором происходит деинкапсуляция асинхронных данных из IP пакетов, принятых через сетевой Ethernet интерфейс. Структурная схема стенда приведена на рис. 

В данном случае использовался протокол передачи Zmodem with Crash Recovery, передачаданных прошла без разрыва соединения, нос ошибками при приеме.

В пятом эксперименте использовались два конвертора Moxa NPort Express DE 311 в режиме Pair Connection mode, то есть в режиме подключения конверторов к рабочим станциям через последовательный интерфейс. Структурная схема стенда приведена на рис. Передача данных снова прошла без разрыва соединения, но также с ошибками приприеме.

Схема шестого эксперимента:для передачи асинхронных данных используется радиомост и конвертор интерфейсов

Схема седьмого эксперимента:учитывается возможность радиопомех при передаче по беспроводному каналу

Шестой эксперимент проводился с использованием двух конверторов Moxa NPort ExpressDE 311 в режиме Pair Connection mode, а также c применением радиомоста Cisco Aironet 350. Структурная схема стенда приведена на первом рисунке.

В седьмом эксперименте учитывались влияния радиопомех. Структурная схема стендас учетом источника радиопомех приведена на втором рисунке.

В обоих случаях передача данных прошла с ошибками при приеме, но без разрыва соединения.

Какое решение лучше?

В результате проведенных экспериментов с использованием маршрутизатора и конвертора интерфейсов было установлено, что передача асинхронного трафика через TCP/IP сеть с использованием туннелирования успешно и эффективно решает проблему транспортировки "сырых" данных через сети пакетной передачи данных согласно требованиям систем телемеханики и подобных им.

При этом применение маршрутизаторов (в силу особенности инкапсуляции данных) позволяет обеспечить большую надежность связи даже в условиях присутствия интенсивных помех.

Кроме того, использование маршрутизаторов на таких узлах позволяет не только передавать "сырые" данные через существующую сеть, но и обеспечить канал для передачи разнородных IP-данных, голосовой связи (VoIP) и т. д. с применением технологии QoS, приоритезации и списковдоступа.

При необходимости решить проблему только передачи "сырых" данных через сеть пакетной передачи данных можно рассмотреть возможность использования конвертора интерфейсов RS232 to IP, например производства Moxa Technologies DE 311 NPortExpress.

Несмотря на то, что такое решение позволяет относительно снизить капитальные расходы на развертывание сети, в то же время оно не обеспечивает расширение функциональности, передачу данных от других устройств локального узла, а также поддержку качества обслуживания (QoS), то есть увеличивает операционные издержки.

Протокол Xmodem: история одного изобретения

Двадцать шесть лет назад системный администpатоp коpпоpации IВМ Уоpд Кpистенсен (WardChristensen)и его дpyг Рэнди Сyэсс (Randy Suess) создали пеpвyю в миpе электpоннyю доску объявлений – так называемyю BBS (bulletin boardsystem).

В первой электронной доске объявлений использовалось всего несколько односимвольных команд. Так, напpимеp, r означало "читать сообщение", а –"добавить новое". Тем не менее именно эта простейшая система дала толчок развитию BBS и электронной почты, а значит, и всей интернет сети. По словам самого Уорда Кpистенсена, идея pазpаботки BBS пpишла емy в головy в янваpе 1978 года, когда из за сильнейшего снегопада он был вынужден на протяжении нескольких часов pазгpебатьсyгpобы около своего дома.

В pезyльтате Кpистенсен опоздал на pаботy, но задался целью пpетвоpить свою идею в жизнь. На протяжении нескольких недель ныне 57 летний инженер IBM занимался pазpаботкой соответствующего пpогpаммного обеспечения.

Рэнди Сyэсс, в свою очередь, констpyиpовал аппаpатнyю часть, собирая yстpойство, получившее позднее название "модем". При помощи модема производилась модyляция/демодyляция сигналов, передаваемых по телефонной линии.

Необходимо также сказать, что система электронных объявлений стала не первым изобретением Кpистенсена: всего за несколько месяцев до этого он pазpаботал пpотокол, называемый Xmodem, который применялся для пересылки файлов между компьютерами по асинхронным линиям связи.

Данный протокол передачи эффективен только для очень низкоскоростных линий – до 4800 бит/с, однако в начале 80-х не существовало более высокоскоростных модемов. Впоследствии на смену этому протоколу пришел Zmodem, который обеспечивает значительно более высокую скорость передачи данных и их лучшую проверку на ошибки, чем протокол Xmodem.

В частности, Zmodem поддерживает больший размер блока данных и позволяет возобновить передачу с того места, где она оборвалась при разрыве соединения. По функциональности этот протоколв некоторой мере можно сравнить с ftp для IP-сетей.