Многомашинные системы и вычислительные сети. Сетевые интерфейсы.

Многомашинная система - это вычислительный комплекс, включающий в себя несколько компьютеров (каждый из которых работает под управлением собственной операционной системы), а также программные и аппаратные средства связи компьютеров, которые обеспечивают работу всех компьютеров комплекса как единого целого.

Работа любой многомашинной системы определяется двумя главными компонентами: высокоскоростным механизмом связи процессоров и системным программным обеспечением, которое предоставляет пользователям и приложениям прозрачный доступ к ресурсам всех компьютеров, входящих в комплекс. В состав средств связи входят программные модули, которые занимаются распределением вычислительной нагрузки, синхронизацией вычислений и реконфигурацией системы. Если происходит отказ одного из компьютеров комплекса, его задачи могут быть автоматически переназначены и выполнены на другом компьютере. Если в состав многомашинной системы входят несколько контроллеров внешних устройств, то в случае отказа одного из них, другие контроллеры автоматически подхватывают его работу. Таким образом, достигается высокая отказоустойчивость комплекса в целом.

Помимо повышения отказоустойчивости, многомашинные системы позволяют достичь высокой производительности за счет организации параллельных вычислений. По сравнению с мультипроцессорными системами возможности параллельной обработки в многомашинных системах ограничены: эффективность распараллеливания резко снижается, если параллельно выполняемые задачи тесно связаны между собой по данным. Это объясняется тем, что связь между компьютерами многомашинной системы менее тесная, чем между процессорами в мультипроцессорной системе, так как основной обмен данными осуществляется через общие многовходовые периферийные устройства. Говорят, что в отличие от мультипроцессоров, где используются сильные программные и аппаратные связи, в многомашинных системах аппаратные и программные связи между обрабатывающими устройствами являются более слабыми. Территориальная распределенность в многомашинных комплексах не обеспечивается, так как расстояния между компьютерами определяются длиной связи между процессорным блоком и дисковой подсистемой.

Сетевой интерфейс — физическое или виртуальное устройство, предназначенное для передачи данных между программами через компьютерную сеть.

Примеры сетевых интерфейсов:

Физические интерфейсы сетевых карт и телекоммуникационных устройств (коммутаторов, маршрутизаторов и так далее)

Петлевые интерфейсы для обмена данными между процессами на одном компьютере или управляемом сетевом устройстве. Для них выделена специальная подсеть 127.0.0.0/8

Туннели — для инкапсуляции протокола того же или более низкого уровня в другой протокол

Интерфейсы виртуальных сетей (VLAN)

Каждый интерфейс в сети может быть однозначно идентифицирован по его адресу. Разные сетевые протоколы используют разные системы адресации, например MAC-адреса в Ethernet или IP-адреса в IP.

Настройка сетевых интерфейсов в UNIX/Linux-системах традиционно выполняется с помощью команды ifconfig, а в Linux ещё и при помощи команды ip.

24 Коммуникационное программное обеспечение нижнего уровня и уровня пользователя. Механизмы взаимодействия ОС и передачи сообщений.

Коммуникационное программное обеспечение является многоуровневым. Количество уровней зависит от используемой операционной системы. Так, Applicom предлагает поддержку для следующих ОС: MS-DOS, UNIX SCO, HP-UX V10, OS/2, MS Windows 3.x, Windows 95/98, Windows NT4 на Intel и Alpha-платформах. Для Windows-платформ ПО включает следующие типы:

статическая библиотека, используемая с традиционными языками программирования, такими как C, C++, Pascal;

DLL (динамическая библиотека), применяемая со всеми Windows языками программирования (Visual Basic, Visual C/C++, Borland C/C++, Delphi, LabWindows CVI, LabView);

DDE-сервер (имеет 16 и 32 битные реализации);

пакетные реализации DDE протокола - FastDDE для продуктов линии Wonderware и AdvancedDDE для Rockwell линии;

SuiteLink сервер, реализующий механизм обмена по SuiteLink протоколу, используемому компонентами пакета FactorySuite (Wonderware);

OPC-сервер, поддерживающий интерфейс, определенный OPC- спецификацией.

DDE, OPC - компоненты являются серверами по отношению к SCADA - системам. По отношению к ПО нижнего уровня (fieldbus) возможна организация Master/Slave и Client/Server. Внешние устройства способны посылать и принимать данные через плату. Когда вставная в персональный компьютер плата является Master/Client, то именно плата с поддерживаемым ПО является инициатором опроса промышленных устройств. В случае применения плат типа Slave/Server они реагируют на запросы внешних устройств. На некоторых вставных платах имеется разделяемая область памяти. Эта память доступна как приложению в ПК, так и встраиваемому ПО.

На рис.2.2.3 показана обобщенная схема организации коммуникационного ПО для Windows NT. На предлагаемой схеме отражены как традиционные решения на базе стандартных Windows NT - драйверов, так и с использованием библиотек, реализованных в расширении реального времени RTX от VenturCom.

Рис.2.2.3. Схема организации коммуникационного ПО для Windows NT.

После рассмотрения общей схемы организации коммуникационного ПО представляется логичным остановиться на особенностях подключения к нему рассматриваемых в данной книге SCADA-приложений.

Единственным по-настоящему важным отличием распределенных систем от цен­трализованных является способ взаимодействия между процессами. Принципиально межпроцессное взаимодействие может осуществляться одним из двух спо­собов:

□ с помощью совместного использования одних и тех же данных (разделяемая память);

□ путем передачи друг другу данных в виде сообщений.

В централизованных системах связь между процессами, как правило, предпола­гает наличие разделяемой памяти. Типичный пример — задача «поставщик-по­требитель». В этом случае один процесс пишет в разделяемый буфер, а другой читает из него. Даже наиболее простая форма синхронизации — семафор — тре­бует, чтобы хотя бы одно слово (переменная самого семафора) было разделяе­мым. Аналогичным образом происходит взаимодействие не только между пользо­вательскими процессами, но и между приложением и операционной системой — процесс в пользовательском режиме запрашивает у ОС выполнения некоторой операции с помощью системного вызова, помещая в доступную ему часть опера­тивной памяти параметры этого системного вызова (например, имя файла, сме­щение от его начала и количество байт, которые необходимо прочитать). После этого модуль ядра ОС считывает эти параметры из пользовательской памяти (ядру в привилегированном режиме доступна вся память, как ее системная часть, так и пользовательская) и выполняет системный вызов. Взаимодействие и в этом слу­чае происходит за счет непосредственно доступной обоим участникам области памяти.

В распределенных системах не существует памяти, непосредственно доступной процессам, работающим на разных компьютерах, поэтому взаимодействие про­цессов (как находящихся в пользовательской фазе, так и в системной, то есть выполняющих код операционной системы) может осуществляться только путем передачи сообщений через сеть. Как было показано в разделе «Сетевые службы и сетевые сервисы» главы 2 «Назначение и функции операционной системы», на основе механизма передачи сообщений работают все сетевые службы, предостав­ляющие пользователям сети разнообразные услуги — доступ к удаленным файлам, принтерам, почтовым ящикам и т. п. В сообщениях переносятся запросы от кли­ентов некоторой службы к соответствующим серверам — например, запрос на просмотр содержимого определенного каталога файловой системы, расположен­ной на сетевом сервере. Сервер возвращает ответ — набор имен файлов и подка­талогов, входящих в данный каталог, также помещая его в сообщение и отправ­ляя его по сети клиенту.

Сообщение — это блек информации, отформатированный процессом-отправите­лем таким образом, чтобы он был понятен процессу-получателю. Сообщение со­стоит из заголовка, обычно фиксированной длины, и набора данных определен­ного типа переменной длины. В заголовке, как правило, содержатся следующие элементы.

□ Адрес — набор символов, уникально определяющих отправляющий и полу­чающий процессы. Адресное поле, таким образом, состоит из двух частей — адреса процесса-отправителя и адреса процесса-получателя. Адрес каждого процесса может, в свою очередь, иметь некоторую структуру, позволяющую

найти нужный процесс в сети, состоящей из большого количества компью­теров.

□ Последовательный номер, являющийся идентификатором сообщения. Исполь­зуется для идентификации потерянных сообщений и дубликатов сообщений в случае отказов в сети.

□ Структурированная информация, состоящая в общем случае из нескольких частей: поля типа данных, поля длины данных и поля значения данных (то есть собственно данных). Поле типа данных определяет, например, что дан­ные являются целым числом или же представляют собой строку символов (это поле может также содержать признак нерезидентности данных, то есть указатель на данные, которые хранятся где-то вне данного сообщения). Вто­рое поле определяет длину передаваемых в сообщении данных (обычно в бай­тах), то есть размер следующего поля сообщения. Сообщение может включать несколько элементов, состоящих из описанных трех полей. В тех случаях, ко­гда сообщение всегда переносит данные одного и того же типа, поле типа может быть опущено. То же касается поля длины данных — для тех типов со­общений, которые переносят данные фиксированного формата, но такая си­туация характерна только для протоколов низкого уровня (например, ATM, имеющего фиксированный размер поля данных в 48 байт).