Способ работы локальной сети

Способ работы локальной сети

Реферат

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для использования в качестве рациональной информационной технологии при построении локальной сети (ЛС), содержащей в рабочем состоянии одну переключающуюся ведущую станцию локальной сети (СЛС), множество переключающихся и непереключающихся ведомых СЛС и одну линию передачи информации (ЛПИ) или несколько дублированных ЛПИ с общим доступом и централизованным детерминированным управлением обменом сообщениями между допустимыми абонентами всех СЛС на основе разбиения сообщений на пакеты данных (ПД) и передачи ПД в информационных кадрах под управлением и контролем ведущей СЛС при реализации в ЛС информационного процесса с помощью составления, отправления в сеть и получения из сети и разборки двух типов управляющих кадров, информационных кадров одного типа и трех типов ответных кадров при отправлении в сеть каждого кадра информационного процесса так, что после обнаружения паузы в сеть отправляют или один из двух типов управляющих кадров от ведущей СЛС, или один из трех типов ответных кадров от адресованной ведомой СЛС либо информационный кадр от ведущей или соответствующей ведомой СЛС, при этом в сети обеспечивают автоматическое обнаружение и устранение первого или второго аномального состояния соответственно при появлении в сети более одной ведущей СЛС при переключении из-за сбоя хотя бы одной переключающейся ведомой СЛС в состояние ведущей или при отсутствии в сети ведущей СЛС после переключения ее из-за сбоя в состояние переключающейся ведомой СЛС.

В ЛС с шинной топологией и централизованным детерминированным управлением доступом, например, к двум дублированным ЛПИ по принципу «команда-ответ» каждая СЛС содержит первый и второй дублированные модемы, последовательные выходы и входы которых соединены соответственно с последовательными входами и выходами первой и второй дублированных ЛПИ, оборудование оконечных абонентов (в частности, телефонизированные рабочие места и управляемые объекты, например радиостанции), подсистему, которая в сложном случае представляет собой подсистему обработки информации и управления, содержащую центральный процессор для решения задач управления, цифровой сигнальный процессор для решения задач обработки, комбинированную память (ОЗУ+ДОЗУ+ПЗУ+РПЗУ), интерфейсные устройства для обеспечения информационного взаимодействия подсистемы с оконечными абонентами и одну или несколько магистралей для обмена информацией между составными частям СЛС в процессе обмена абонентов СЛС с соответствующими абонентами ЛС пакетами управляющей и/или речевой информации с помощью дублированных модемов, каждый из которых содержит сетевой адаптер (СА) и приемопередатчик (ПП) и используется в качестве одного из двух известных (см., например, [1], [2]) интерфейсных устройств ЛС с шинной топологией и централизованным детерминированным доступом к ЛПИ по принципу «команда-ответ», а именно в ведущей СЛС используется в качестве интерфейсного контроллера - интерфейсного устройства управления (УУ), а в каждой ведомой СЛС - в качестве интерфейсного оконечного устройства (ОУ).

Как информационная технология изобретение может быть использовано, например, при построении современных распределенных систем автоматического управления (САУ) или систем малой автоматизации (СМА) на основе специализированных ЛС, предназначенных для осуществления обмена управляющей информацией и речевыми сообщениями между абонентами СМА (SAS - Small Automation System). Функционируют САУ или СМА в режиме реального времени без участия и с участием человека-оператора соответственно, и реализуются обычно на основе командно-информационных ЛС (CI-LAN - Command-Information Local Area Network [3, с.26]), являющихся малыми (содержат до 16-20 СЛС) или средними (содержат до 32-128 СЛС) специализированными ЛС с шинной топологией [3, с.15].

По определению ЛС - это коммуникационная система, распределенная в пределах ограниченной территории (здания, лаборатории, подвижного объекта - летательного аппарата, морского судна и т.п.) и поддерживающая множество высокоскоростных каналов передачи цифровой информации, представляемых поочередно СЛС сети для кратковременного монопольного пользования, см., например, [4, с.72].

Из множества требований, предъявляемых к ЛС для передачи информации (см., например, [4, с.75-79]), для создания при приемлемой стоимости специализированной ЛС в качестве основных требований выбраны следующие:

- битовая частота (скорость) f_b передачи цифровой информации должна выбираться с учетом ограничения 1 МГц≤f_b≤20 МГц в зависимости от количества СЛС и возможности иметь запас по производительности для обеспечения передачи управляющей и речевой информации с помощью ПД ограниченной длины не более 512-2048 бит с целью обеспечения толерантности речи к ошибкам [5, с.35] и удовлетворения жесткого трафика доставки речи в реальном времени при ее задержке менее 200 мс для поддержки нормального телефонного разговора [5, с.25];

- максимальная задержка передачи кадра через ЛС должна быть детерминированной, т.е. поддаваться предварительному расчету;

- частота обнаруживаемых ошибок (ЧОО) должна удовлетворять ограничению ЧОО≤10^-8, означающему, что ошибка может обнаруживаться не чаще одного раза при передаче каждых 100000000 бит;

- надежность ЛС должна быть такой, что она не должна находиться в состоянии неработоспособности больше чем 0,02% от полного времени работы, что примерно составляет 20 мин простоя в год для учрежденческой системы и 2 ч простоя в год для непрерывно функционирующей системы.

Следует отметить, что в устройстве и архитектуре современной СЛС и современного модема много общего [6, с.84, рис.3.1. Вариант структуры современного модема; 7, с.30, рис.2.1. Обобщенная структурная схема современного модема], и в отдельных случаях определенную трудность вызывает вопрос функционального и физического деления СЛС на составные части [2, с.85]. По современным представлениям при монопольном захвате ЛПИ одной СЛС для передачи информации другой СЛС между ними образуется канал связи (отрезок ЛПИ, соединяющий данные СЛС) так, что эти СЛС и канал связи на время передачи образуют типичную систему передачи данных [7, с.10, рис.1.1], причем (СА+ПП) каждой СЛС образуют модем (модемный процессор), являющийся синонимом аппаратуры канала данных (международный термин DCE - Data Communications Equipment), а оставшаяся часть каждой СЛС (т.е. подсистема и оконечные абоненты) представляет собой оконечное оборудование данных (ООД - международный термин DTE - Data Terminal Equipment) - это обобщенное понятие, используемое для описания соответствующих получателей и/или отправителя информации. В простейших случаях ООД может содержать датчик выходных сигналов состояния объекта управления и/или приемник входных сигналов управления объектом управления. В более сложных случаях в качестве ООД может выступать сложная подсистема обработки информации и управления или персональный компьютер с подключенным к нему периферийным оборудованием оконечных абонентов [7, с.9]. Поэтому в зависимости от варианта структуры подсистемы СЛС (от простого датчика и/или приемника информации до сложной подсистемы обработки информации и управления оконечным оборудованием) в процессе информационного взаимодействия СА с подсистемой [2, с.85 рис.2.14. Классификация терминалов МК] должны обеспечиваться один или несколько типов доступов, определенных следующими возможными шестью типами доступа СА к соответствующей части комбинированной памяти подсистемы (буферу FIFO, памяти с двойной буферизацией, оперативному запоминающему устройству (ОЗУ), двухпортовому ОЗУ и т.п.): прямой доступ для чтения и/или записи; прямой доступ только для чтения; прямой доступ только для записи; буферизированный доступ для чтения и/или записи; буферизированный доступ только для чтения; буферизированный доступ только для записи.

В ЛС с шинной топологией СЛС и их абоненты имеют индивидуальные и групповые адреса и физически связаны между собой через ЛПИ с общим доступом. Поэтому в такой ЛС весьма существенной является проблема рационального использования всеми СЛС общей первой и/или второй дублированной ЛПИ для обмена между абонентами информацией, которая передается в режиме разделения во времени кадрами с побитовой синхронизацией обмена между отправителем кадра, определенным индивидуальным адресом СЛС и адресом ее абонента отправителя, и получателем кадра, определенным индивидуальным или групповым адресом СЛС и адресом ее абонента получателя, причем кадры разделяются между собой паузами (периодами незанятости ЛПИ), в течение которых по ЛПИ отсутствует передача каких-либо символов. Длительность паузы не менее 4·Т_b [1, с.16], а среднюю ее длительность Тп оценим величиной

где Т_b=1/f_b - период битовой частоты f_b передачи цифровой информации в кадре последовательным кодированным сигналом.

Типичная структура информационного кадра (ИК) [8, с.85, рис.3.1; 9, с.40, рис.1.22; 10, с.151, рис.2.21; 11, с.57, рис.3.1; 12, с.113, рис.2.21 б, в, г] содержит, как минимум, четыре кодовых поля, передаваемых последовательно в перечисляемом порядке (СК-стартовая комбинация, СИ-служебная информация, ПД-пакет данных и СКС-слово контрольной суммы) непрерывным синхронным потоком битов, и имеет вид

причем поле СИ может содержать поле АО-адреса отправителя, поле АП-адреса получателя и поле УИ-управляющей информации и иметь вид

поле СК может сводиться к одному единственному стартовому биту-флагу начала кадра [11, с.57] или содержать преамбулу для обеспечения настройки битовой синхронизации декодера СЛС и флаг начала кадра [10, с.153, фиг.2.22; 12, с.113, фиг.2.21]; поле УИ в общем случае указывает на номер кадра, его тип (простой кадр для одного получателя или групповой кадр для группы получателей), номер кадра, размер, маршрут его доставки, на то, что с ним надо делать получателю и т.д.; поле СКС - код СКС вычисляют по соответствующему алгоритму циклического избыточного контроля (CRC - Cyclic Redundancy Check) для всех предыдущих полей кадра за исключением поля СК.

При исключении из (2) поля ПД кадр становится для получателя управляющим кадром (УК), например, для инициации получателя на передачу ИК с соответствующими параметрами или для передачи «маркера (эстафеты, жезла)» управления доступом от активной СЛС другой СЛС, которая после получения «маркера» становится активной (т.е. имеет право доступа к ЛПИ для передачи УК, ИК и т.д.), или ответным кадром (ОК), например, для подтверждения приема УК или ИК. В общем случае УК или ОК имеет вид

причем в отдельных случаях в качестве поля СКС в (4) может использоваться бит р - контроля четности кода СИ, т.е. р=1 (или 0) при четном (или нечетном) числе единиц в коде СИ [2, с.95, рис.2.17].

Полезная работа (эффективность) ЛС заключается в осуществлении обмена между абонентами ЛС сообщениями, которые в процессе передачи разбиваются на части (пакеты) и передаются как ПД с помощью последовательностей ИК. Поэтому временные затраты на паузы Т_п (1), СК, СИ и СКС в ИК (2) и {СК, СИ, СКС} в (4), сопровождающие передачу каждого ПД, представляют накладные расходы. Обычно размер ПД программируется в соответствующем поле УИ. В этой связи в процессе реализации передачи ИК (2) качество способа работы специализированной ЛС логично оценивать затрачиваемым на передачу одного ПД результирующим накладным количеством битовых интервалов (НКБИ)

определяемых накладными расходами, компоненты которых являются аргументами функции (5) шести переменных. Из (5) следует, что качество способа работы ЛС тем выше, чем меньше НКБИ (5).

В настоящее время с учетом [2, с.75-76; 4, с.15-17; 9, с.42-54; 11, с.65-72; 12, с.168-172], можно выделить четыре следующих основных метода доступа СЛС к общей ЛПИ:

метод коллективного случайного доступа (соперничества);

метод детерминированного децентрализованного доступа с передачей «маркера (эстафеты или жезла)» по логическому кольцу;

метод централизованного детерминированного управления доступом по принципу «команда-ответ»;

метод комбинированного доступа, являющегося комбинацией соответствующих предыдущих трех методов.

В ЛС со случайным доступом все СЛС равноправны и при незанятости ЛПИ каждая СЛС может выходить на передачу через временную задержку, отсчитываемую по некоторому алгоритму от начала обнаружения паузы. В описываемом случае приемлемое качество связи обеспечивается только при нагрузках не выше 30-40% (т.е. ЛПИ рационально используется не более 30-40% времени). При большей нагрузке становятся слишком частые столкновения доступов к ЛПИ различных СЛС и наступает так называемый коллапс (крах ЛС), представляющий собой резкое снижение производительности. Поэтому в настоящее время при построении САУ или СМА, выполняющих задачи управления распределенными объектами управления в реальном времени, где требуется быстрая реакция на внешние события, ЛС со случайным доступом используются редко из-за отсутствия гарантии времени доставки ИК получателю, а также трудности реализации приоритетного доступа [3, с.16; 11, с.67].

В ЛС с шинной топологией и детерминированным децентрализованным маркерным (эстафетным) доступом передавать ИК имеет право только одна активная СЛС, являющаяся в данный момент времени держателем «маркера».

При неготовности или после передачи ИК активная СЛС немедленно генерирует УК и передает «маркер» по соответствующему маршруту другой СЛС. Недостатком этого метода является сложность разработки эффективного алгоритма маршрута «маркера», накладные расходы на передачу УК для передачи «маркера» и возможность потери «маркера» по причине аппаратного сбоя, когда УК оказался поврежденным при передаче и стал нераспознаваем. Для восстановления работоспособности при потере маркера ЛС должна содержать специальное устройство, ответственное за наличие в ЛПИ «маркера» и следящее за маршрутом передачи кадров в логическом кольце. В системах реального времени маркерный метод перед методом случайного доступа имеет очевидное преимущество, поскольку здесь каждой СЛС гарантирована величина времени доступа, определенная детерминированным алгоритмом маршрута передачи «маркера».

В ЛС с шинной топологией и централизованным детерминированным управлением доступом к ЛПИ по принципу «команда-ответ» содержится одна ведущая СЛС, а остальные СЛС являются ведомыми. В данном случае ведущая СЛС с помощью УК по некоторому определенному маршруту опрашивает последовательно ведомые СЛС и при помощи ОК выясняет готовность опрашиваемых СЛС как к получению, так и отправлению ИК. Затем ведущая СЛС по соответствующему УК разрешает одной СЛС оправление ИК, а другой получение ИК. Далее под управлением ведущей СЛС опрос ведомых СЛС и отправление ИК от любой СЛС к другой будет непрерывно продолжаться по детерминированному алгоритму маршрута опросов и передач с учетом приоритетов. Достоинством ЛС с централизованным управлением доступом по принципу «команда-ответ» является максимальное упрощение ведомых СЛС, в качестве подсистем которых используются простейшие устройства, например датчики, исполнительные механизмы, которые не способны осуществлять в ЛС инициализацию обмена [2, с.76]. Недостатком данной ЛС является усложнение программного обеспечения ведущей СЛС, а также проблема обеспечения надежности, поскольку выход из строя ведущей СЛС приводит к отказу ЛС.

Далее следует сказать, что примерно с 80-х годов 20 века архитектура (совокупность взаимодействующих аппаратных и программных средств системного и прикладного программного обеспечения) любой (локальной или глобальной) информационной сети строится и развивается с учетом модели взаимодействия открытых систем (модели OSI - Open System Interconnection), имеющей семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный, физический [10, с.66-74]. Полное описание модели OSI занимает более 1000 страниц текста, но анализ многочисленных фрагментов ее описания [5; 8-15] позволяет сделать вывод, что модель OSI работает как два конвейера получения, переработки и отправления информации на каждом уровне так, что технологический процесс получения, переработки и отправления информации в первом конвейере направлен от верхних уровней к нижним, а во втором конвейере, наоборот, от нижних уровней к верхним.

Модель ISO допускает в ЛС между отправителем и получателем ИК информационное взаимодействие по методу дейтаграмм или по методу с логическим соединением [11, с.88-90].

По методу дейтаграмм при готовности отправитель передает ИК без выяснения готовности получателя. Недостатки метода - это возможность потери ИК, а также бесполезная работа отправителя в случае неготовности или отсутствия получателя.

По методу логического соединения ИК передается только после того, как с помощью УК и ОК будет установлено логическое соединение (канал связи) между отправителем и получателем. По этому методу передача каждого ИК сопровождается передачей нескольких УК и ОК с возможным повторением отправителем передачи ИК при неподтверждении приема ИК получателем.

Кроме того, для применения модели ISO к задачам ЛС комитет IEEE в проекте IEEE802 выполнил дальнейшую декомпозицию канального и физического уровней [8, с., 16, рис.1.1а), б), в); 12, с.167, рис.3.3] так, что канальный уровень содержит подуровень управления логическим звеном (УЛЗ) для выполнения функций передачи кадров между СЛС, установления логического соединения и контроля ошибок и подуровень управления доступом к передающей среде (УДС) для выполнения функций адресации СЛС и алгоритмов доступа к ЛПИ, а физический уровень содержит следующие три подуровня:

- передачи (отправления и/или получения) физических сигналов (ПФС) для выполнения функции двунаправленного последовательного побитового интерфейса, т.е. кодирования отправляемого последовательного кода кадра и декодирование принимаемого последовательного кода кадра;

- интерфейса с модулем сопряжения (ИМС), представляющего собой кабель с соединителями, позволяющий размещать СЛС на некотором расстоянии от ЛПИ, причем кабель может заканчиваться соединителями с ПФС и МДС [8, с.16, рис.1.1 б)] или же жестко соединяться с ПФС и МДС и иметь один соединитель в разрыве кабеля [8, с.16, рис.1.1 в)];

- модуль доступа к среде (МДС) для выполнения функции согласования с характеристиками ЛПИ параметров сигналов, поступающих на МДС от ПФС через ИМС, т.е. соответствующие МДС обеспечивают использование определенного ПФС с различными типами ЛПИ.

В современной СЛС подуровни УЛЗ, УДС и ПФС реализуются с помощью СА [11, с.78-80; 12, с.236-238] по набору правил и процедур, регулирующих порядок обмена информацией СА с ЛПИ и памятью СЛС с учетом всех типов кадров (2) и (4). Поэтому способ работы ЛС фактически определяет механизм обмена информацией между всеми абонентами сети, в каждой СЛС которой СА является основной инвариантной частью, без которой сеть невозможна [11, с.78-80].

Анализ научно-технической и патентной информации [9, с.30-36; 10, с.132-144; 11, с.47-54; 12, 54-70; 15, с.28-34; 16, с.110-120; [17, с.190-196] показывает, что приемлемая реализация в СА подуровня ПФС (кодирования отправляемых и декодирования принимаемых кадров) представляет собой практически самостоятельную актуальную техническую задачу.

Для дальнейшего при Х, принадлежащем множеству {И, У, О}, введем следующие обозначения:

OZ и IZ - формируемые в процессе функционирования СЛС аналоговые сигналы (электрические или оптические) на выходе и входе ПП, подключенных соответственно к входу и выходу ЛПИ;

ОХК - содержащийся в памяти СЛС код кадра (2) или (4), готовый к отправлению в сеть через преобразователь-кодер СА и передатчик ПП;

IXK - загружаемый в память СЛС код получаемого кадра (2) или (4), формируемого на выходе декодера-преобразователя СА в виде параллельно-последовательного кода в процессе выполнения декодером-преобразователем операции многоступенчатого декодирования входного сигнала IZ, поступающего на декодер-преобразователь через ПП.

В процессе отправления кадра кодирование (преобразование ОХК в OZ) осуществляется по конвейеру с помощью трех ступеней. На первой ступени ОХК преобразуется в параллельно-последовательный код. На второй ступени параллельно-последовательный код ОХК преобразуется в простейший код NRZ (Non Return Zero) без возврата к нулю, представляющий собой обычный последовательный код кадра при передаче с битовой частотой f_b=1/Т_b, где Т_b - период битовой синхронизации кода NRZ. На третьей ступени код NRZ подвергается аналоговому кодированию или линейному цифровому кодированию (или модуляции).

При построении ЛС аналоговое кодирование кода NRZ используется пока редко из-за высокой сложности кодирующего и декодирующего оборудования [11, с.54], а чаще всего используется линейное цифровое кодирование, в результате которого на выходе преобразователя-кодера формируется одноразрядный OZO (или двухразрядный OZ(0:1)) последовательный кодированный сигнал для получения на выходе ПП двухуровневого (или трехуровневого) электрического или оптического сигнала OZ для подключения к ЛПИ электрической (витой паре или коаксиальному кабелю) или волоконно-оптической (волоконно-оптическому кабелю) соответственно.

В процессе приема аналогового сигнала IZ при линейном цифровом кодировании ПП формирует выходной одноразрядный OZ0 (или двухразрядный OZ(0:1)) последовательный цифровой кодированный сигнал, преобразуемый декодером-преобразователем СА в параллельно-последовательный код принимаемого кадра IXK, который может быть загружен в память СЛС.

Как известно [17, с.190], для обеспечения СЛС-получателем надежного декодирования сигнала СЛС-отправителю следует отправлять кадр последовательным часто изменяющимся кодированным одноразрядным OZ0 (или двухразрядным OZ[0:1]) сигналом, изменяющимся в идеальном случае в каждом битовом интервале.

В настоящее время из множества известных линейных кодов (см. классификацию в [16, с.111, рис.8.10]) из двухуровневых кодов чаще всего в ЛС используются коды класса 1В2В и блочные коды класса mBnB (где m и n - целые числа, удовлетворяющие условию n>m≥2), в частности, 4В5В применяется в FDDI и 100 BaseFX/TX, 5В6В - в 100VG-AnyLAN; 8В10В - в 1000 BaseSX/LX/CX [15, с.28].

Для сравнения классов кодов можно ввести показатель качества кодирования (ПКК), определяемый соотношением

где

f_k - частота (скорость) передачи кодированных битов кадра (2) или (4);

f_b - битовая частота передачи исходных битов кадра (2) или (4) кода NRZ.

На основании (6) с учетом требования к ширине полосы пропускания ЛПИ можно сказать, что чем меньше ПКК, тем лучше код.

Коды класса 1В2В имеют ПКК=2 и получили широкое распространение благодаря высокой помехозащищенности и простоте преобразования (кодирования или декодирования) за счет того, что частота передачи информации каждого из них f_k=2·f_b в два раза выше чем f_b, поскольку формируется код класса 1В2В в процессе преобразования кода NRZ так, что в каждом битовом интервале (периоде) Т_b каждый бит «0» или «1» кода NRZ кодируется по соответствующему правилу с преобразованием в два бита кода 1В2В, каждый из которых передается в течение периода кодирования T_k=T_b/2. Однако за полезные качества кода этого класса (высокую помехозащищенность и простоту преобразования, например, по сравнению с кодом 4В5В) приходится платить расширением полосы пропускания ЛПИ, т.е. достоинство кода 1В2В является одновременно и его недостатком. Поэтому соответствующий код класса 1В2В рекомендуют использовать там, где частотные ограничения не являются определяющими [17, с.193].

Одним из популярных кодов класса 1В2В является код Манчестер-2 используемый, например, в технологии [1] - аналоге MIL-STD-1533. Операцию преобразования (кодирования или декодирования) при использовании этого кода можно описать правилом преобразования кода Манчестер-2 (ППКМ-2) в виде выражения

где направление стрелки направо указывает на оператор 1В/2В кодирования-преобразования одного бита слева в два бита справа, а налево - на оператор 2В/1В декодирования-преобразования двух бит справа в один бит слева.

Кроме того, в технологии [1] в течение 3·Т_b одноразрядный флаг СК1 стартовой комбинации любого кадра или одноразрядный флаг СК2 начала j-го 16-разрядного слова данных при j=1, …, 32 в поле ПД кадра (2) при отправлении (кодировании) и получении (декодировании) описываются правилом преобразования искаженного манчестерского кода (ППИМК) в виде

где направление стрелки направо указывает на кодирование при передаче одноразрядного флага СК1 (или СК2) в код 111000 (или 000111), а налево - на декодирование при приеме кода 111000 (или 000111) в одноразрядный флаг СК1 (или СК2).

В современных условиях для создания ЛС при определяющих частотных ограничениях можно использовать преобразование 4В5В с двойной избыточностью при ПКК=1,25 или преобразование с помощью бита-стаффинга.

Преобразования 4В5В осуществляют по известному правилу [15, с.29, табл.1.1], содержащему кодирование 4В/5В - преобразование каждых четырех бит 4В в пять бит 5В и декодирование 5В/4В - преобразование каждых служебных или разрешенных пяти бит 5В соответственно в один бит и четыре бита 4В.

Одного кодирования 4В/5В кадра ОХК с преобразованием в последовательный код NRZ(4B/5B(OXK)) оказалось недостаточным для получения приемлемо самосинхронизирующегося цифрового сигнала IZ0. Поэтому окончательно цифровой сигнал OZ0 передаваемого кадра ОХК формируют с помощью оператора NRZI (Non Return to Zero with ones Inverted) потенциального кодирования с инверсией при единице согласно выражению

С использованием бита-стаффинга в процессе кодирования кадра ОХК в последовательный код NRZ сначала вставляют дополнительные единичные биты, каждый из которых вставляют после обнаружения в последовательном коде NRZ(OXK) следующих подряд, например, каждых четырех нулевых бит, а из получаемого последовательного кода F(NRZ(OXK)) цифровой сигнал OZ0 формируют с помощью оператора NRZI согласно выражению

где F - оператор вставления бита-стаффинга в последовательный код NRZ(OXK).

В процессе формирования последовательного цифрового сигнала OZO согласно (9.1) или (9.2) оператор NRZI работает так, что значение бита OZ0(t+1) в каждый последующий период дискретного времени (t+1) определяют значениями битов OZ0(t) и Z(t)=NRZ(4B/5B(OXK) или Z(t)=F(NRZ(OXK)) в текущий дискретный период времени «t» с начальным условием OZ0(0)=0 по логической формуле

где $ - оператор операции Исключающее ИЛИ на языке ABEL.

При декодировании цифрового сигнала IZ0 процесс разборки принимаемого кадра IXK (запись в память СЛС фрагментов параллельно-последовательного кода кадра IXK) при преобразовании с помощью 4В5В имеет вид

а при преобразовании с помощью бита-стаффинга имеет вид

где

!NRZ - оператор преобразования в (11.1) последовательного кода NRZ [5B/4B(!NRZI (IZ0)) или в (11.2) последовательного кода NRZ[!F(!NRZI (IZ0)) принимаемого кадра в параллельно-последовательный код с записью IXK в память СЛС;

5B/4B - оператор преобразования 5-разрядных последовательностей последовательного кода (!NRZI (IZ0) в четырехразрядные последовательности;

!F - оператор удаления бита-стаффинга, заключающийся в удалении из последовательного кода !NRZI (IZ0) каждого единичного бита, обнаруживаемого после следующих подряд каждых четырех нулевых бит;

!NRZI - обратный оператору NRZI оператор, формирующий сигнал Z0(t)=!NRZI (IZ0(t)) последовательного кода согласно формуле

где

t≥1 - период дискретного времени;

IZ0(t-1) - задержанный на один такт входной сигнал IZ0(t).

Алгоритм кодирования {(9.1), (10)} кадра ОХК позволяет формировать цифровой последовательный приемлемо самосинхронизирующийся сигнал (9.1), в котором никогда не встречается подряд больше трех «0» или «1» [14, с.117]. Основным недостатком алгоритма {(9.1), (10), (11.1), (12)} с использованием преобразования 4В5В является сложность технической реализации кодера и декодера [14, с.114].

Алгоритм {(9.2), (10), (11.2), (12)} с использованием бита-стаффинга относительно прост в технической реализации, однако по качеству самосинхронизации по сравнению с {(9.2), (10), (11), (12)} он менее приемлем, поскольку при формировании самосинхронизирующегося сигнала (9.2) в нем могут встречаться подряд по пять «0» или «1».

Пока известно [9, с 260-263; 17, с.194-196] всего два трехуровневых кода, каждый из которых при ПКК=1,0 обладает свойством идеальной самосинхронизации, поскольку обеспечивает кодирование сигнала с гарантированным изменением уровней между соседними битовыми интервалами. На наш взгляд, при возможности передачи через ЛПИ трехуровневого сигнала OZ можно использовать для построения ЛС, например, предложенный в [9, с.260-263] высокоскоростной трехуровневый код (ВТК), который гарантирует на выходе ПП изменение уровня передаваемого сигнала OZ так, что передача логического «0» осуществляется минимальным уровнем сигнала OZ или следующим после него средним уровнем, а передача логической «1» максимальным уровнем сигнала OZ или следующим после него средним уровнем. В описываемом случае на выходе преобразователя-кодера СА и входе ПП при отправлении (или выходе ПП и входе декодера-преобразователя СА при получении) в каждом битовом периоде формируют кодовый сигнал Z(0:1), прямой код Z(0:1)=Z0Z1 которого означает следующее:

отправление (или получение) бита «0» ВТК,

отправление (или получение) бита «1» ВТК,

пауза или отправление (или получение) второго бита «0» или «1» ВТК после отправления (или получения) соответственно (13) или (14). Непосредственно из (13)-(15) следует, что разрядные цифры Z0 и Z1 кода Z(0:1) являются признаками соответственно минимального и максимального уровней трехуровневого сигнала OZ (или IZ).

Особенность алгоритма ВТК {(13), (14), (15)} состоит в том, что при передаче цепочки битов вида 111… (или 000…) все выходные импульсы сигнала OZ будут иметь одинаковую полярность, и в сигнале относительно среднего уровня появится постоянная составляющая. Это может оказаться недопустимым при построении специализированной ЛС. Чтобы избежать этого, можно применить скремблирование NRZ на входе преобразователя-кодера ВТК и соответственно дескремблирование NRZ на выходе декодера-преобразователя ВТК [17, с.196].

Известно [13, с.3-10], что информация является товаром со всеми присущими ему свойствами. В ходе технологических процессов получения, переработки и отправления информации, происходящих, например, в ЛС, информация (данные) выступает в роли предмета труда, над которым трудятся взаимодействующие аппаратно-программные средства ЛС, являющиеся средствами труда. Далее в [13] на с.10 раскрыто общее понятие - информационная технология - это, во-первых, совокупность процессов получения, переработки и отправления информации и, во-вторых, описание этих процессов.

С учетом приведенных выше общеметодологических и частных положений можно сказать, что способ работы ЛС - это реализуемый во всех ее СЛС технологический информационный процесс (информационная технология), определяемый совокупностью процессов сбора, распределения, передачи и коммутации информационных потоков и описание этих процессов на основе детальной логической сборки при отправлении и разборке при получении конкретных типов кадров вида (2), (4) с учетом шести возможных вариантов доступа к памяти подсистемы СЛС с обеспечением обмена сообщениями с помощью ПД между всеми допустимыми абонентами ЛС по методу дейтаграмм и/или по методу с логическим соединением.

В завершенном виде способ работы ЛС может стать стандартом типа [1], являющимся по сути руководством построения САУ или СМА в целом [2, с.64], существенно определяющим архитектурные решения и программное обеспечение составных частей распределенной САУ или СМА.

В настоящее время известно [3, с.18] уже несколько тысяч информационных технологий общего применения (Ethernet, Token Ring, Fibrenet, Fieldbus, Profibus, Lonworks, FDDI, 100 VG-Any LAN и т.д.) и специализированных технологий (MIL-1533, MIL-1773, RS422, RS485, CAN и т.д.) для построения на основе ЛС распределенных САУ и СМА и более 250 системных магистралей, наиболее известны из которых EUOBUS, VME, FASTBUS, MULTINUS-I/II, Р-96, САМАС, PCI [3, с.24].

В общем случае современные распределенные СМА являются автоматизированными комплексами, между абонентами которых требуется передавать с помощью ПД сообщения как для автоматического и автоматизированного управления, так и для обмена речевой информацией между соответствующими абонентами. В этой связи для построения современной качественной СМА актуальной является техническая проблема построения архитектуры перспективной специализированной ЛС, обладающей запасом по производительности для осуществления в реальном времени многоканальной передачи управляющей информации и речевых сообщений при высокой надежности, низкой стоимости, простоте установки, наладки и обслуживания.

Качество такой перспективной специализированной ЛС оценим следующим вектором основных технических характеристик (ВОТХ)

где

f_b - битовая частота передачи информации;

КСЛС - количество СЛС в ЛС;

КА - количество абонентов в каждой СЛС;

ПДПД - программируемая длина пакета данных в битах, кратная 32;

РШД - разрядность шины данных;

ЧОО - частота обнаруживаемых ошибок;

КТК- количество типов кадров, определяемое способом работы ЛС;

НКБИ - определяется способом работы ЛС и оценивается согласно (5).

Особо отметим, что в [2] наиболее полно описаны принципы построения распределенных САУ на основе последовательных мультиплексных каналов (т.е. специализированных ЛС) на базе терминала-модема, содержащего СА и ПП и выполняющего функции контроллера (т.е УУ) или ОУ.

Известно также [2, с.94], что развитие архитектуры специализированных ЛС идет параллельно по следующим основным двум направлениям:

- повышение производительности и надежности элементной базы;

- совершенствование способа работы ЛС за счет выбора структуры и форматов кадров типов (2) и (4) с целью достижения более высокого качества ЛС в новых условиях.

Все изложенное выше позволяет сказать, что с учетом ВОТХ (16) совершенствование способа работы специализированной ЛС с эффективным алгоритмом доступа к ЛПИ за счет выбора структуры и размеров кадров типов (2) и (4), оцениваемых КТК и НКБИ (5) и позволяющих одновременно создать СА, рационально приспособленный к созданию СЛС с варьируемой архитектурой и обеспечением всех шести возможных типов доступа СА к памяти подсистемы СЛС в процессе обмена ее абонентов с соответствующими абонентами ЛС пакетами данных по методу дейтаграмм или методу с логическим соединением, является, на наш взгляд, актуальной технической задачей, поскольку для создания качественной СМА применение общих технологий (например, Ethernet [15, с.241-283]) не целесообразно из-за большой избыточности для решения задач СМА на основе одной универсальной ЛС, а известные специализированные технологии [1] имеют высокие накладные расходы и технические характеристики, не позволяющие построить качественную современную СМА на основе одной специализированной ЛС.

Известна специализированная командно-информационная ЛС [3, с,20, рис.1.2], содержащая ведущую СЛС на основе персонального компьютера, множество ведомых СЛС и электрическую ЛПИ с шинной топологией. В процессе функционирования ведущая СЛС управляет ведомыми СЛС по принципу «команда-ответ» с помощью определяющих способ работы ЛС информационно-управляющих кадров (ИУК - [4, с.51, табл.2.2]), формируемых ведущей СЛС, и информационно-ответных кадров (ИОК - [4, с.52, табл.2.3]), формируемых ведомыми СЛС в