Разработка системы организации удаленного обмена файлами с использованием протокола

Протокол Telnet

Telnet как протокол описан в RFC-854 (май, 1983 год). Его авторы J.Postel и J.Reynolds во введении к документу определили назначение telnet так:

"Назначение TELNET-протокола - дать общее описание, насколько это только возможно, двунаправленного, восьмибитового взаимодействия, главной целью которого является обеспечение стандартного метода взаимодействия терминального устройства и терминал-ориентированного процесса. При этом этот протокол может быть использован и для организации взаимодействий "терминал-терминал" (связь) и "процесс-процесс" (распределенные вычисления)."

Telnet строится как протокол приложения над транспортным протоколом TCP. В основу telnet положены три фундаментальные идеи:

· концепция сетевого виртуального терминала (Network Virtual Terminal) или NVT;

· принцип договорных опций (согласование параметров взаимодействия);

· симметрия связи "терминал-процесс".

При установке telnet-соединения программа, работающая с реальным терминальным устройством, и процесс обслуживания этой программы используют для обмена информацией спецификацию представления правил функционирования терминального устройства или Сетевой Виртуальный Терминал (Network Virtual Terminal). Для краткости будем обозначать эту спецификацию NVT. NVT - это стандартное описание наиболее широко используемых возможностей реальных физических терминальных устройств. NVT позволяет описать и преобразовать в стандартную форму способы отображения и ввода информации. Терминальная программа ("user") и процесс ("server"), работающий с ней, преобразовывают характеристики физических устройств в спецификацию NVT, что позволяет, с одной стороны, унифицировать характеристики физических устройств, а с другой обеспечить принцип совместимости устройств с разными возможностями. Характеристики диалога диктуются устройством с меньшими возможностями.

Если взаимодействие осуществляется по принципу "терминал-терминал" или "процесс-процесс", то "user" - это сторона, инициирующая соединение, а "server" - пассивная сторона.

Принцип договорных опций или команд позволяет согласовать возможности представления информации на терминальных устройствах. NVT - это минимально необходимый набор параметров, который позволяет работать по telnet даже самым допотопным устройствам, реальные современные устройства обладают гораздо большими возможностями представления информации. Принцип договорных команд позволяет использовать эти возможности. Например, NVT является терминалом, который не может использовать функции управления курсором, а реальный терминал, с которого осуществляется работа, умеет это делать. Используя команды договора, терминальная программа предлагает обслуживающему процессу использовать Esc-последовательности для управления выводом информации. Получив такую команду процесс начинает вставлять управляющие последовательности в данные, предназначенные для отображения.

Симметрия взаимодействия по протоколу telnet позволяет в течении одной сессии программе-"user" и программе-"server" меняться местами. Это принципиально отличает взаимодействие в рамках telnet от традиционной схемы "клиент-сервер". Симметрия взаимодействия тесно связана с процессом согласования формы обмена данными между участниками telnet-соединения. Когда речь идет о работе на удаленной машине в режиме терминала, то возможности ввода и отображения информации определяются только конкретным физическим терминалом и договорной процесс сводится к заказу терминальной программой характеристик этого терминала. Гораздо сложнее обстоит дело, когда речь идет об обмене информацией между двумя терминальными программами в режиме "терминал-терминал". В этом случае каждая из сторон может выступать инициатором изменения принципов представления информации и здесь проявляется еще одна особенность протокола telnet. Протокол не использует принцип "запрос-подтверждение", а применяет принцип "прямого действия". Это значит, что если терминальная программа хочет расширить возможности представления информации, то она делает это (например, вставляет в информационный поток Esc-последовательности), если в ответ она получает информацию в новом представлении, то это означает, что попытка удалась, в противном случае происходит возврат к стандарту NVT.

Обычно процесс согласования форм представления информации происходит в начальный момент организации telnet-соединения. Каждый из процессов старается установить максимально возможные параметры сеанса. Однако эти параметры могут быть изменены и позже, в процессе взаимодействия (например, после запуска прикладной программы).

В Unix-системах параметры терминалов обычно описаны в базе данных описания терминалов termcap. При инициировании telnet-соединения обычно именно эти параметры используются в процессе согласования формы представления данных. При этом из одной системы в другую обычно передается значение переменной окружения TERM. Если для этого значения переменной TERM имеются одинаковые описания в termcap, то проблем с представлением информации обычно не бывает; если терминал, заказанный в TERM, не определен, то берется стандартный терминал системы. При этом не все функции этого терминала будут задействованы. В процессе договора останутся только те, которые поддерживаются на обоих концах соединения. Часто можно столкнуться с ситуацией, когда значения переменных TERM на локальной и удаленной машинах совпадают, а информация на экране отображается не так, как этого бы хотелось. Скорее всего это вызвано различиями в описании данного устройства в базе данных termcap.

Сетевой виртуальный терминал (NVT). Концепция сетевого виртуального терминала позволяет обеспечить доступ к ресурсам удаленной машины с любого терминального устройства. Под терминальным устройством понимают любую комбинацию физических устройств, позволяющих вводить и отображать информацию. Для тех кто знаком с универсальными машинами серии EC, такое определение терминала не является новым: в момент загрузки системы можно было назначить составную консоль, в которую могли входить устройство ввода с перфокарт и алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ). В более ранних вычислительных комплексах такими терминалами могли быть системная печать и устройство чтения перфоленты (как на МИНСК-22) или телетайп (как на М-6000). Понятно, что за таким понятием терминала стоит требование устойчивости системы, которое было основополагающим для проекта ARPA.

В протоколе TELNET NVT определен как "двунаправленное символьное устройство, состоящее из принтера и клавиатуры". Принтер предназначен для отображения приходящей по сети информации, а клавиатура - для ввода данных, передаваемых по сети и, если включен режим "echo", вывода их на принтер. По умолчанию предполагается, что для обмена информацией используется 7-битовый US ASCII, каждый символ которого закодирован в 8-битовое поле. Любое преобразование символов является расширением стандарта NVT.

NVT предполагается буферизованным устройством. Это означает, что данные, вводимые с клавиатуры, не посылаются сразу по сети, а собираются в пакеты, которые отправляются либо по мере заполнения буфера, либо по специальной команде. Такая организация NVT призвана с одной стороны минимизировать сетевой трафик, а с другой обеспечить совместимость с реальными буферизованными терминалами. Например, таковым и являются терминалы ЕС-7920, из-за которых можно было потерять целый экран информации в случае зависания машины.

В моменты окончания печати на принтере NVT или отсутствия символов в буфере клавиатуры по сети должна посылаться специальная команда GA (Go Ahead). Смысл этой команды заключается в следующем: в реальных компьютерах линия "терминал-процесс" находится под управлением либо терминальной программы (ввод данных), либо печатающей программы. После выполнения своей функции каждая из них возвращает управление и освобождает линию. Обычно это происходит при работе с полудуплексными устройствами, такими как IBM-2741. Для того, чтобы протокол позволял работать и с этими устройствами, введен сигнал GA.

2.2 Описание существующей системы организации удаленного обмена файлами с использованием протокола

Современная АСУТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Создание АСУ сложными технологическими процессами осуществляется с использованием автоматических информационных систем сбора данных и вычислительных комплексов, которые постоянно совершенствуются по мере эволюции технических средств и программного обеспечения.

АСУ ТП и диспетчерское управление

Непрерывную во времени картину развития АСУТП можно разделить на три этапа, обусловленные появлением качественно новых научных идей и технических средств. В ходе истории меняется характер объектов и методов управления, средств автоматизации и других компонентов, составляющих содержание современной системы управления.

Первый этап отражает внедрение систем автоматического регулирования (САР). Объектами управления на этом этапе являются отдельные параметры, установки, агрегаты; решение задач стабилизации, программного управления, слежения переходит от человека к САР. У человека появляются функции расчета задания и параметры настройки регуляторов.

Второй этап - автоматизация технологических процессов. Объектом управления становится рассредоточенная в пространстве система; с помощью систем автоматического управления (САУ) реализуются все более сложные законы управления, решаются задачи оптимального и адаптивного управления, проводится идентификация объекта и состояний системы. Характерной особенностью этого этапа является внедрение систем телемеханики в управление технологическими процессами. Человек все больше отдаляется от объекта управления, между объектом и диспетчером выстраивается целый ряд измерительных систем, исполнительных механизмов, средств телемеханики, мнемосхем и других средств отображения информации (СОИ).

Третий этап - автоматизированные системы управления технологическими процессами - характеризуется внедрением в управление технологическими процессами вычислительной техники. Вначале - применение микропроцессоров, использование на отдельных фазах управления вычислительных систем; затем активное развитие человеко-машинных систем управления, инженерной психологии, методов и моделей исследования операций и, наконец, диспетчерское управление на основе использования автоматических информационных систем сбора данных и современных вычислительных комплексов.

От этапа к этапу менялись и функции человека (оператора/диспетчера), призванного обеспечить регламентное функционирование технологического процесса. Расширяется круг задач, решаемых на уровне управления; ограниченный прямой необходимостью управления технологическим процессом набор задач пополняется качественно новыми задачами, ранее имеющими вспомогательный характер или относящиеся к другому уровню управления.

Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления технологическими процессами получает информацию с монитора ЭВМ или с электронной системы отображения информации и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов.

Основой, необходимым условием эффективной реализации диспетчерского управления, имеющего ярко выраженный динамический характер, становится работа с информацией, т. е. процессы сбора, передачи, обработки, отображения, представления информации.

От диспетчера уже требуется не только профессиональное знание технологического процесса, основ управления им, но и опыт работы в информационных системах, умение принимать решение (в диалоге с ЭВМ) в нештатных и аварийных ситуациях и многое другое. Диспетчер становится главным действующим лицом в управлении технологическим процессом.

Говоря о диспетчерском управлении, нельзя не затронуть проблему технологического риска. Технологические процессы в энергетике, нефтегазовой и ряде других отраслей промышленности являются потенциально опасными и при возникновении аварий приводят к человеческим жертвам, а также к значительному материальному и экологическому ущербу.

Статистика говорит, что за тридцать лет число учтенных аварий удваивается примерно каждые десять лет. В основе любой аварии за исключением стихийных бедствий лежит ошибка человека.

В результате анализа большинства аварий и происшествий на всех видах транспорта, в промышленности и энергетике были получены интересные данные. В 60-х годах ошибка человека была первоначальной причиной аварий лишь в 20% случаев, тогда как к концу 80-х доля "человеческого фактора" стала приближаться к 80%.

Одна из причин этой тенденции - старый традиционный подход к построению сложных систем управления, т. е. ориентация на применение новейших технических и технологических достижений и недооценка необходимости построения эффективного человеко - машинного интерфейса, ориентированного на человека (диспетчера).

Таким образом, требование повышения надежности систем диспетчерского управления является одной из предпосылок появления нового подхода при разработке таких систем: ориентация на оператора/диспетчера и его задачи.

Концепция SCАDA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) предопределена всем ходом развития систем управления и результатами научно-технического прогресса. Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации.

Дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI), предоставляемого SCADA - системами, полнота и наглядность представляемой на экране информации, доступность "рычагов" управления, удобство пользования подсказками и справочной системой и т. д. - повышает эффективность взаимодействия диспетчера с системой и сводит к нулю его критические ошибки при управлении.

Следует отметить, что концепция SCADA, основу которой составляет автоматизированная разработка систем управления, позволяет решить еще ряд задач, долгое время считавшихся неразрешимыми: сократить сроки разработки проектов по автоматизации и прямые финансовые затраты на их разработку.

В настоящее время SCADA является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами).

Управление технологическими процессами на основе систем SCADA стало осуществляться в передовых западных странах в 80-е годы. Область применения охватывает сложные объекты электро- и водоснабжения, химические, нефтехимические и нефтеперерабатывающие производства, железнодорожный транспорт, транспорт нефти и газа и др.

В России диспетчерское управление технологическими процессами опиралось, главным образом, на опыт оперативно-диспетчерского персонала. Поэтому переход к управлению на основе SCADA-систем стал осуществляться несколько позднее. К трудностям освоения в России новой информационной технологии, какой являются SCADA-системы, относится как отсутствие эксплуатационного опыта, так и недостаток информации о различных SCADA-системах. В мире насчитывается не один десяток компаний, активно занимающихся разработкой и внедрением SCADA-систем. Каждая SCADA-система - это "know-how" компании и поэтому данные о той или иной системе не столь обширны.

Большое значение при внедрении современных систем диспетчерского управления имеет решение следующих задач:

выбора SCADA-системы (исходя из требований и особенностей технологического процесса);

кадрового сопровождения.

Выбор SCADA-системы представляет собой достаточно трудную задачу, аналогичную принятию решений в условиях многокритериальности, усложненную невозможностью количественной оценки ряда критериев из-за недостатка информации.

Подготовка специалистов по разработке и эксплуатации систем управления на базе программного обеспечения SCADA осуществляется на специализированных курсах различных фирм, курсах повышения квалификации. В настоящее время в учебные планы ряда технических университетов начали вводиться дисциплины, связанные с изучением SCADA-систем. Однако специальная литература по SCADA-системам отсутствует; имеются лишь отдельные статьи и рекламные проспекты.

Компоненты систем контроля и управления и их назначение

Многие проекты автоматизированных систем контроля и управления (СКУ) для боль-шого спектра областей применения позволяют выделить обобщенную схему их реализации, представленную на рис. 1.

Рисунок 3. - Обобщенная схема системы контроля и управления. Примечание: составлено автором

Как правило, это двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно - аппаратной платформой.

Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (PLC - Programming Logical Controoller), которые могут выполнять следующие функции:

сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса;

управление электроприводами и другими исполнительными механизмами;

решение задач автоматического логического управления и др.

Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи.

В качестве локальных PLC в системах контроля и управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры как отечественных производителей, так и зарубежных. На рынке представлены многие десятки и даже сотни типов контроллеров, способных обрабатывать от нескольких переменных до нескольких сот переменных.

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события.

Для критичных с этой точки зрения объектов рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОСРВ). Контроллеры под управлением ОСРВ функционируют в режиме жесткого реального времени.

Разработка, отладка и исполнение программ управления локальными контроллерами осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, широко представленного на рынке.

К этому классу инструментального ПО относятся пакеты типа ISaGRAF (CJ International France), InConrol (Wonderware, USA), Paradym 31 (Intellution, USA), имеющие открытую архитектуру.

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня (см. рис.). В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, интеллектуальные или коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции. Некоторые из них перечислены ниже:

сбор данных с локальных контроллеров;

обработка данных, включая масштабирование;

поддержание единого времени в системе;