Table Of Content

The following companies financed publication of this book: Echelon GmbH Festo GmbH Honeywell Johnson Controls Int. Karl E. Brinkmann GmbH Nodus GmbH TAC AB В финансировании тиража этой книги приняли участие следующие фирмы: Echelon GmbH Festo GmbH Honeywell Johnson Controls Int. Karl E. Brinkmann GmbH Nodus GmbH TAC AB Dietmar Dietrich, Dietmar Loy, Hans-Jörg Schweinzer (Hrsg.) LON- Technologie Verteilte Systeme in der Anwendung Дитмар Дитрих, Дитмар Лой, Ганс-Юрген Швайнцер LON- технология Построение распределенных приложений Научный редактор перевода Низамутдинов О.Б. III Dietmar Dietrich, Dietmar Loy, Hans-Jörg Schweinzer (Hrsg.) LON-Technologie Verteilte Systeme in der Anwendung Authors: o. Univ. Prof. Dr. techn. Dietmar Dietrich, TU Wien, Österreich Prof. Dipl.-Ing. Peter Fischer, Fachhochschule Dortmund, Deutschland Dipl.-Ing. Walter Heil, Fraunhoferinstitut, Karlsruhe, Deutschland Dipl.-Ing. Bruno Hilkens, Johnson Controls, Deutschland Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Kabitzsch, TU Dresden, Deutschland Univ. Ass. Dipl.-Ing. Dr. techn. Dietmar Loy, TU Wien, Österreich Dipl.-Ing. Peter Palensky, TU Wien, Österreich Dipl.-Ing. Ratko Posta, TU Wien, Österreich Dipl.-Ing. Heinrich Reiter, TU Wien, Österreich Dipl.-Ing. Dr. techn. Richard Schmalek, G. Kappl, Österreich Univ. Ass. Dipl.-Ing. Hans-Jörg Schweinzer, TU Wien, Österreich Dipl.-Ing. Joerg Stumpp, Fraunhoferinstitut, Karlsruhe, Deutschland Translators: Dipl.-Ing. Mikhail Gordeev, TU Perm, Russia Dipl.-Ing. Olga Koneva, TU Perm, Russia Dipl.-Ing. Maxim Lobachov, TU Perm, Russia Dipl.-Ing. Lev Maleev, TU Perm, Russia Scientific-technical lectures: Dipl.-Ing. Sergey Belkovsky, TU Perm, Russia Dipl.-Ing. Maxim Zubulin, TU Perm, Russia Scientific lectures - Prof. Dr. techn. Oleg Nisamutdinov, TU Perm, Russia Scientific-literutural supervisor - Prof. Dr. Tamara Serova, TU Perm, Russia Editors: o. Univ. Prof Dr. techn. Dietmar Dietrich, TU Wien, Österreich Univ. Ass. Dipl.-Ing. Dr. techn. Dietmar Loy, TU Wien, Österreich Prof. Dr. techn. Oleg Nisamutdinov, TU Perm, Russia Univ. Ass. Dipl.-Ing. Hans-Jorg Schweinzer, TU Wien, Österreich Sergey Belkovsky [email protected] Dietmar Dietrich [email protected] Peter Fischer [email protected] Mikhail Gordeev [email protected] Walter Heil [email protected] Bruno Hilkens [email protected] Klaus Kabitzsch [email protected] Olga Koneva [email protected] Maxim Lobachov [email protected] Dietmar Loy [email protected] Lev Maleev [email protected] Oleg Nisamutdinov [email protected] Peter Palensky [email protected] Ratko Posta [email protected] Heinrich Reiter [email protected] Richard Schmalek [email protected] Hans-Jurg Schweinzer [email protected] Tamara Serova [email protected] Joerg Stumpp [email protected] Maxim Zubulin [email protected] Die Deutsche Bibliothek — CIP-Einheitsaufnahme LON-Technologie: verteilte Systeme in der Anwendung/Dietmar Dietrich ... (Hrsg.). — Heidelberg: Hüthig, 1997 ISBN 3-7785-2581-6 IV УДК 681.324 Д 492 Дитрих Д., Лой Д., Швайнцер Г.-Ю. Д 492 ЛОН — технология. Построение распределенных приложений/Пер. с нем. под ред. О.Б. Низамутдинова. — Пермь: Звезда, 1999. — 424 с. ISBN 3-7785-2581-6 ISBN 5-88187-052-2 Авторы: Дитмар Дитрих, проф., д.т.н., Технический университет Вены, Австрия Петер Фишер, проф., Высшая техническая школа Дортмунда, Германия Вальтер Хайль, Институт Франховера, Карлсруэ, Германия Бруно Хилкенс, Джонсон Контроле, Германия Клаус Кабич, проф., Технический университет Дрездена, Германия Дитмар Лой, к.т.н., Технический университет Вены, Австрия Петер Паленски, Технический университет Вены, Австрия Ратко Поста, Технический университет Вены, Австрия Генрих Рейтер, Технический университет Вены, Австрия Ричард Шмалек, к.т.н., Г. Каппл, Австрия Ганс-Юрген Швайнцер, Технический университет Вены, Австрия Йорг Штамп, Институт Франховера, Карлсруэ, Германия Переводчики: Гордеев М.В., ПГТУ, Пермь, Россия Конева О.В., ПГТУ, Пермь, Россия Лобашов М.В., ПГТУ, Пермь, Россия Малеев Л.К., ПГТУ, Пермь, Россия Технические корректоры: Белковский СВ., ПГТУ, Пермь, Россия Зубулин М.В., ПГТУ, Пермь, Россия Научный редактор - Низамутдинов О.Б., проф., д.т.н., ПГТУ, Пермь, Россия Литературная коррекция - Серова Т.С., проф., д.ф.н, ПГТУ, Пермь, Россия Редакция: Дитмар Дитрих, проф., д.т.н., Технический университет Вены, Австрия Дитмар Лой, к.т.н., Технический университет Вены, Австрия Низамутдинов О.Б., проф., д.т.н., ПГТУ, Пермь, Россия Ганс-Юрген Швайнцер, Технический университет Вены, Австрия Белковский СВ. [email protected] Паленски П. [email protected] Гордеев М.В. [email protected] Поста Р. [email protected] Дитрих Д. [email protected] Рейтер Г. [email protected] Зубулин М.В. [email protected] Серова Т.С. [email protected] Кабич К. [email protected] Фишер П. [email protected] Конева О.В. [email protected] Хайль В. [email protected] Лобашов М.В. [email protected] Хилькенс Б. [email protected] Лой Д. [email protected] Швайнцер Г.-Ю. [email protected] Малеев Л.К. [email protected] Шмалек Р. [email protected] Низамутдинов О.Б. [email protected] Штамп И. [email protected] ISBN 3-7785-2581-6 © ICT TU Wien, перевод, 1999 ISBN 5-88187-052-2 © ПГТУ, перевод, 1999 V Предисловие Система LonWorks вызывает огромный интерес во всем мире, который объясняется как техническими, так и экономическими аспектами. Речь идет о системе Fieldbus, созданной сравнительно поздно и поэтому вначале с трудом конкурировавшей с уже известными разработками. Тем не менее концепция LonWorks быстро достигла высокого уровня развития. Уже первые маркетинговые исследования определили наиболее перспективные области ее использования — бытовые системы и автоматизация систем зданий. Кроме того, гибкость технологии позволяет находить ей и другое применение. Таким образом, в LonWorks отразился опыт развития компьютерных технологий, она не была ориентирована на распространенные в то время маломощные восьмиразрядные микропроцессоры, так как уже было очевидно, что при стремительном росте производительности микросхем стоимость их, напротив, с каждым годом падает. В основе LonWorks лежит прогрессивная концепция, сущность которой состоит в сокращении числа иерархических уровней децентрализованной системы: отпадает необходимость в главных устройствах (Master), выполняющих функции централизованного управления. Опосредованный обмен информацией при помощи сетевых переменных облегчает задачу программирования. Аналогично транспьютерным технологиям поддержание коммуникации осуществляется на аппаратном уровне, пользователю предоставляется микросхема (Neuron Chip), в которой функции обмена информацией являются составной частью системного языка. В то же время совсем не обязательно ориентироваться на однопроцессорные решения, возможны коммуникации с несколькими десятками тысяч участников информационного обмена. То, что это стоит потери некоторой избыточности системы и ее быстродействия, не вызывает сомнений, но в будущем эти недостатки могут быть устранены путем использования наиболее передовых технологий и создания соответствующих структур. Неудивительно, что системы Lon Work, требующие нового подхода и дающие фантастические возможности, вызывают большой интерес, используются сотнями фирм почти всех отраслей. Предлагаемая книга рассчитана на техников, инженеров и студентов — всех тех, кто занимается сетевыми технологиями. Большое внимание уделено обзору специальной Литературы, так как тематика книги охватывает ряд областей компьютерных технологий. Книга написана несколькими авторами, что в отдельных главах грозило «отклонением» от рассматриваемой проблемы. Во избежание этого мы вместе работали над каждой главой, хотя это стоило долгих и утомительных трудов, многократной правки текста в целях достижения единства стиля. Мы выражаем глубокую благодарность «продержавшимся до конца» соавторам. Возможно, читатель заметит аналогию: группа авторов действовала подобно LON. Каждый из них, специалист в своей области, был ориентирован на децентрализованную работу, а логическая связь, при условии однозначного определения интерфейсов, обеспечила высокую производительность. В системе LonWorks, однако, достичь этого проще, чем VI коллективу авторов. Еще одно замечание — относительно социальных последствий развития систем Fieldbus. Эта технология делает возможной экономическую реализацию многих идей автоматизации, которые всего лишь несколько лет назад казались неосуществимыми. Fieldbus может, например, обеспечить экономию энергии, создать в сфере обслуживания системы поддержки услуг, сетевые системы пожарной сигнализации, полностью автоматизировать любой процесс и т. д. Нельзя оставить без внимания и то, что использование сетевых технологий на уровне датчиков и исполнительных механизмов повлечет изменения в сфере занятости, как случилось при внедрении персональных компьютеров. Fieldbus станет причиной появления новых и исчезновения некоторых старых профессий. Следовательно, мы обязаны учитывать последствия внедрения новых технологий (в том числе и LonWorks). Авторы выражают благодарность издательству за определенный риск, связанный с выпуском этой книги, которая, с одной стороны, должна была быть написана одним автором, а с другой — объединить знания двенадцати специалистов. Удачно осуществить такую работу коллективом авторов очень сложно. Мы будем рады получить отзывы читателей на отдельный адрес E-mail: [email protected]. Мы признательны научным сотрудникам Пермского государственного технического университета (Россия) за перевод книги на русский язык. Вена, июль 1997 г. Дитмар Дитрих, Дитмар Лой, Ганс-Юрген Швайнцер, [email protected]. VII Содержание Список сокращений...............................................................................................................XVI 1. Введение.......................................................................................................................1 1.1. Причины и последствия объединения компьютеров в сеть..................................1 1.2. Управление техническими процессами..................................................................2 1.2.1. Классический подход.............................................................................................2 1.2.2. Децентрализованный подход.................................................................................3 1.3. Информационный обмен как основа распределенных систем..............................5 1.3.1. Иерархия системы...................................................................................................5 1.3.2. Семиуровневая модель ISO/OSI............................................................................6 1.3.3. Топологии..............................................................................................................10 1.3.4. Временная характеристика передачи данных, проблематика систем реального времени............................................................................................................................14 1.3.5. Стратегия передачи данных на прикладном уровне.........................................15 1.3.6. Инструментарий....................................................................................................16 1.4. Основные концепции применения распределенных систем.........................................19 1.4.1. Типы сетевых узлов..............................................................................................19 1.4.2. Декомпозиция приложения с точки зрения параллельной обработки и иерархической структуры.................................................................................20 1.4.3. Управление и контроль........................................................................................21 1.4.4. Сегментация и поток данных...............................................................................23 1.5. Обзор FIELDBUS-систем.....................................................................................25 1.5.1. Обзор LonWorks....................................................................................................25 1.5.2. PROFIBUS..............................................................................................................27 1.5.3. P-NET.....................................................................................................................31 1.5.4. INTERBUS-S.........................................................................................................33 1.5.5. CAN........................................................................................................................37 1.5.6. EIB..........................................................................................................................40 1.5.7. Области и профили в PROFIBUS-системах.......................................................43 1.6 Перспективы децентрализации систем..................................................................43 2. Распределенные системы..........................................................................................47 2.1 Распределенная система на уровне датчики — исполнительные механизмы......................................................................................................................48 2.1.1 Компоненты распределенной системы на уровне датчики - исполнительные механизмы........................................................................................49 2.1.2. Особенности распределенной системы управления..........................................51 2.2. Распределенная система на базе технологии LonWorks...................................52 2.3. Пример разработки системы в LonWorks...........................................................56 VIII 2.4. Эффективность передачи данных.......................................................................59 2.5. Перспективы распределенных приложений.......................................................61 3. Узлы LonWorks.........................................................................................................63 3.1. Общий обзор..........................................................................................................63 3.2. Память....................................................................................................................64 3.3. Порты и ввод/вывод..............................................................................................67 3.4. Тактовый генератор и таймер..............................................................................69 3.5. Сброс, функции защиты и «спящий» режим......................................................70 3.6. Идентификационный номер и сервисный вывод...............................................72 3.7. Программно-технические особенности Neuron Chip........................................73 3.8. Соединение с хост-процессором.........................................................................75 3.9. Компоненты для построения узлов LonWorks...................................................76 4. Протокол LonTalk....................................................................................................79 4.1. Общие сведения....................................................................................................79 4.2. Обзор протокола и терминология.......................................................................80 4.2.1. Обзор протокола...................................................................................................81 4.2.2. Терминология........................................................................................................83 4.3. Адресация в системе LonTalk.................................................................................87 4.3.1. Домен.....................................................................................................................87 4.3.2. Подсети и узлы......................................................................................................88 4.3.3. Группа, член группы.............................................................................................88 4.3.4. Neuron ID...............................................................................................................88 4.3.5. Адресация на уровне 3..........................................................................................88 4.4. Физический уровень протокола LonTalk...............................................................91 4.5. Уровень связи...........................................................................................................91 4.5.1. Интерфейс с пограничными уровнями...............................................................91 4.5.2. Способ доступа к шине........................................................................................93 4.5.3. Приоритеты............................................................................................................94 4.5.4. Формат кадра NPDU/LPDU.................................................................................95 4.5.5. Дифференциальное манчестерское кодирование..............................................95 4.6. Сетевой уровень.......................................................................................................96 4.6.1. Интерфейс с транспортным уровнем..................................................................98 4.6.2. Формат NPDU........................................................................................................98 4.6.3. Маршрутизатор.....................................................................................................99 4.7. Транспортный уровень............................................................................................99 4.7.1. Службы подуровня управления транзакциями..................................................99 4.7.2. Службы транспортного уровня..........................................................................100 4.7.3. Форматы и типы TPDU......................................................................................100 4.7.4. Повторение на уровне 4......................................................................................102 4.7.5. Таймер уровня 4..................................................................................................103 4.7.6. Сервер идентификации.......................................................................................103 4.7.6.1. Службы сервера идентификации.......................................................................104 4.7.6.2. Форматы и типы сервера идентификации........................................................104 4.7.6.3. Алгоритм кодирования.......................................................................................105 IX 4.8. Сеансовый уровень...............................................................................................105 4.8.1. Интерфейс уровня представления данных.......................................................106 4.8.2. Форматы и типы SPDU.......................................................................................106 4.8.3. Идентификация...................................................................................................107 4.8.4. Таймер протокола уровня 5...............................................................................107 4.9. Уровень представления данных и прикладной уровень...................................108 4.9.1. Функции уровня представления данных и прикладного уровня...................109 4.9.2. Типы и форматы APDU......................................................................................110 4.9.3. Коды сообщений.................................................................................................111 4.9.4. Интерфейс прикладного уровня........................................................................112 4.9.4.1. Структура данных объектов сообщения и ответа............................................113 4.9.4.2. Транзакция APDU...............................................................................................117 4.10. Сетевой менеджмент и сетевая диагностика....................................................118 4.10.1. Статус узла...........................................................................................................119 4.10.2. Структуры данных конфигурации.....................................................................120 4.10.3. Разделение служб NM/ND....................................................................................121 4.10.4. Функционирование узла LonWorks.....................................................................122 4.10.5. NMM как идентификатор узла.............................................................................124 4.10.5.1. Идентификатор запроса (Query ID)...................................................................124 4.10.5.2. Ответ на запрос...................................................................................................125 4.10.5.3. Сообщение сервисной кнопки (Service Pin Message)......................................125 4.10.6. Обработка таблиц домена.....................................................................................126 4.10.6.1. Обновление домена (Update Domain)................................................................126 4.10.6.2. Запрос домена (Query Domain)..........................................................................126 4.10.6.3. Покидание домена (Leave Domain)...................................................................127 4.10.6.4. Обновление ключа (Update Key).......................................................................127 4.10.7. Обработка таблиц адреса.....................................................................................128 4.10.7.1. Обновление адреса (Update Address)................................................................128 4.10.7.2. Адрес запроса (Query Address)..........................................................................130 4.10.8. Обработка таблиц сетевых переменных.............................................................130 4.10.8.1. Обновление конфигурации сетевых переменных (Update Net Variable Config).............................................................................................130 4.10.8.2. Query Net Variable Config...................................................................................131 4.10.8.3. Запрос SNVT (Query SNVT)..............................................................................132 4.10.8.4. Network Variable Fetch........................................................................................133 4.10.9. Обработка памяти узлов сети...............................................................................133 4.10.9.1. Чтение памяти (Read Memory)...........................................................................133 4.10.9.2. Запись в память (Write Memory)........................................................................135 4.10.9.3. Перерасчет контрольной суммы........................................................................136 4.10.9.4. Обновление памяти.............................................................................................136 4.10.10. Сообщения сетевого менеджмента (NNM) для выполнения особых задач...........................................................................................137 4.10.10.1. Установить режим узла (Set Node Mode).........................................................137 4.10.10.2. Установление (Install)........................................................................................138 X 4.10.10.3. Network Management Escape Code.....................................................................139 4.10.11. Сообщения сетевого менеджмента для маршрутизатора..................................140 4.10.11.1. Режим маршрутизатора......................................................................................141 4.10.11.2. Router Clear Group or Subnet Table....................................................................141 4.10.11.3. Router Group or Subnet Table Download............................................................142 4.10.11.4. Router Group Forward..........................................................................................142 4.10.11.5. Router Subnet Forward.........................................................................................142 4.10.11.6. Router Do Not Forward Group.............................................................................143 4.10.11.7. Router Do Not Forward Subnet............................................................................143 4.10.11.8. Router Group or Subnet Table Report..................................................................144 4.10.11.9. Состояние маршрутизатора (Router Status)......................................................144 4.10.11.10. Router Half Escape Code....................................................................................145 4.10.12. Сообщения сетевой диагностики (NDM)............................................................145 4.10.12.1. Запрос статуса (Query Status).............................................................................145 4.10.12.2. Статус прокси (Proxy Status)..............................................................................145 4.10.12.3. Очистка статуса (Clear Status)............................................................................147 4.10.12.4. Query Transceiver Status......................................................................................147 4.11. Формат кадра LonTalk................................................................................................147 5. Микропрограммное обеспечение Neuron Chip............................................................149 5.1. Модель процессора...............................................................................................149 5.1.1. Архитектура трех процессоров.........................................................................149 5.1.2. Обзор регистров CPU.........................................................................................151 5.1.3. Модель базисной страницы...............................................................................152 5.1.4. Набор команд Neuron Chip.................................................................................153 5.1.5. Интерфейс анализатора логики эмулятора Neuron Chip.................................157 5.2. Инсталляция микропрограммного обеспечения................................................160 5.2.1. Разделение задач трех CPU................................................................................160 5.2.2. Тестирование и инициализация RAM...............................................................162 5.2.3. Старт MAC CPU..................................................................................................162 5.2.4. Старт сетевого CPU............................................................................................164 5.2.5. Старт прикладного CPU.....................................................................................165 5.3. Микропрограммное обеспечение. Режим нормальной работы........................169 5.3.1. Основной цикл MAC CPU..................................................................................169 5.3.2. Основной цикл сетевого CPU............................................................................170 5.3.3. Основной цикл прикладного CPU.....................................................................172 5.3.4. Таймер..................................................................................................................180 5.4. Коммуникация.......................................................................................................182 5.4.1. Коммуникационный буфер................................................................................182 5.4.2. Величина буфера и количество буферов..........................................................183 5.4.3. Коммуникационный таймер...............................................................................186 6. Модель программирования......................................................................................189 6.1. Neuron C..................................................................................................................189 6.1.1. Отличия от ANSI-C.............................................................................................189 6.1.2. Описание языка...................................................................................................190