KURZUS: Számítógépes folyamatirányítás

MODUL: A rendszer

1.2. lecke: Rendszerstruktúrák

| Cél: A lecke célja, hogy a tananyag felhasználója
megismerje a több számítógépből álló számítógép-rendszerek telepítésének indokait és szempontjait; megismerje a számítógép-hálózatok elemeit és tipikus topológiáit; megismerje a jelátviteli csatornák és üzemmódok főbb jellemzőit.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
meg tudja fogalmazni a több-gépes rendszerek előnyeit; fel tudja vázolni a tárgyalt topológiai struktúrákat, és el tudja mondani főbb jellemzőiket; el tudja mondani az átviteli eszközök és üzemmódok főbb jellemzőit.
Időszükséglet: 1 óra
Kulcsfogalmak:
számítógép-hálózat, topológiai struktúrák külön-külön (pont-pont, busz, csillag, hurok, fa, telesen összekapcsolt struktúra), párhuzamos - soros (átviteli mód), szinkron - aszinkron (átviteli mód).
Az eddigiekben általában 'számítógép'-ről beszéltünk, egyes számban. Újabban azonban csak igen ritkán fordul elő, hogy egy technológiai folyamatot egyetlen számítógépet tartalmazó centralizált rendszer irányít. Ha egy folyamat kicsit is összetettebb, vagy térben kiterjedtebb, irányítását több számítógépből álló, összekapcsolt struktúra, számítógép-hálózat látja el. Ez a tendencia csak részben magyarázható a számítógépek árának rohamos csökkenésével. A funkciómegosztás, illetve a területi széttagolhatóság lehetővé teszi, hogy egy-egy számítógépnek csak kisebb adatmennyiséget kelljen kezelnie, kevesebb feladatot kelljen ellátnia, így könnyebb biztosítani a real-time működéshez szükséges (esetleg kritikus) ciklusidők betartását. Még fontosabb az a tény, hogy egy többgépes elosztott rendszer lényegesen megbízhatóbb. Egy számítógép kiesésekor csak egy résztechnológia marad irányítatlanul (duplikált gépek esetén még az sem!) és nem omlik össze a teljes irányító rendszer. Veszélyes technológiáknál (pl. nehézvegyipar) még egy-egy részfolyamatot önmagában is több számítógépből kialakított un. szavazó rendszer irányít a biztonság növelése érdekében.
Idézze fel a számítógép-hálózatokról és a rendszerek megbízhatóságáról korábban, másutt tanultakat és próbálja az alábbiakat a már megismert keretbe illeszteni. Ha nincsenek ilyen irányú korábbi ismeretei, gondoljon arra, hogy későbbi, konkrét rendszertervezési feladat felmerülése esetén az itt tárgyaltaknál lényegesen mélyebben meg kell majd ismernie ezeket a teületeket. Ehhez az elmélyüléshez az itt megszerzett ismeretek csak vezérfonalat adnak.
A több, összekapcsolt számítógépből álló rendszer adatátviteli hálózatnak tekinthető. Az adatátviteli hálózat információközlő (adó) és információfogadó (vevő) egységek átviteli utakkal összekapcsolt, adott topológiájú együttese. Folyamatirányító rendszerekben adó pl. az érzékelő, a távadó, a számítógép kimenete, stb.; vevő pl. a beavatkozó szerv, a kijelző műszer, a számítógép bemenete, stb. Ugyanaz a berendezés adó és vevő funkciót is elláthat (pl. a számítógép).
Az alábbiakban áttekintjük a jellegzetes topológiai struktúrákat, megjegyezve, hogy itt most struktúraképző elemeknek csak komplett (perifériákkal ellátott) számítógépeket tekintünk. Ezeket a jelen kontextusban szokás 'állomás'-nak vagy 'terminál'-nak nevezni. A tárgyalás során röviden megvizsgáljuk a meghibásodások hatásait és a bővítési lehetőségeket. (Bővítésen csak struktúratartó bővítést értünk, amely megőrzi az alaptopológia jellemzőit.)
A) A pont-pont struktúra (1. ábra) két állomás egyetlen lehetséges kapcsolata. Ha az átviteli közeg megsérül, a rendszer atomizálódik, a kapcsolatot igénylő funkciók kiesnek, de a részfunkciók épek maradnak. Ha állomás esik ki, a rendszer-szintű, valamint a kiesett állomás által ellátandó funkciók egyaránt megszűnnek. Struktúratartó bővítés nem lehetséges (ugyanis akkor már három állomás lenne).
Pont-pont kapcsolat
1. ábra
B) A busz struktúra esetében egy közös átviteli eszközre több állomás párhuzamosan csatlakozik. Két változat létezik: a hierarchikus és a nem-hierarchikus busz.
A hierarchikus struktúrában (2. ábra) van egy kitüntetett (vezérlő) állomás, a többi pedig alárendelt. Az alárendelt állomások közti kommunikációt a vezérlő állomás szervezi, időrendben, vagy prioritás szerint. Ha alállomás esik ki, részfunkciók szűnnek meg. Ha a vezérlő állomás esik ki, a rendszer szétesik, de a részfunkciók megmaradnak. Ha a busz sérül meg, a vezérlő terminált tartalmazó rész-busz ép marad, de a leszakadt rész elérhetetlensége miatt a rendszer-szintű funkciók csorbulnak. A nem-hierarchikus struktúrában (3. ábra) nincs előre meghatározott kitüntetett egység. Itt bármely állomás átveheti a busz vezérlését, így mindig csak aktuális vezérlő van. Ez a szervezés az előzőnél lényegesen bonyolultabb, ugyanis az állomásoknak állandóan figyelniük kell egymás üzemkészségét (jelenlétét) és valamilyen algoritmus alapján ki kell választaniuk az aktuális vezérlőt. Viszont a rendszer hibatűrőbb; a rendszer-szintű sérülések kisebb hatókörűek. Ha az aktuális vezérlő kiesik, helyébe lép egy másik, így rendszer-szintű funkcióvesztés alig következik be. Aktuálisan nem-vezérlő terminál kiesésekor a helyzet a hierarchikus buszéhoz hasonló. Ha az átviteli közeg szakad meg, a rendszer két, önmagában működőképes részre hasad.
Mindkét fajta busz telepítése viszonylag olcsó, bővítésűk egyszerű.
Hierarchikus busz
2. ábra
Nem-hierarchikus busz
3. ábra
C) A csillag struktúrában (4. ábra) egy kitüntetett egységhez (központ) külön-külön, saját adatátviteli utakkal kapcsolódnak az egyes terminálok. Az adatforgalmat a központ szervezi, bármely két terminál csak a központon keresztül léphet kapcsolatba egymással. A buszhoz képest igen nagy előny, hogy itt egyidejűleg több állomás-pár kommunikálhat. Ha a központ meghibásodik, a rendszer szétesik, vagyis a rendszer-szintű funkciók megszűnnek. Ha állomás esik ki, az általa ellátott részfunkciók szűnnek meg. Ha az átviteli közeg sérül, akkor egy vagy több terminál kiszakad a rendszerből, de ezek saját feladataikat továbbra is ellátják. A csillag struktúra telepítése és bővítése egyaránt igen költséges.
Csillag
4. ábra
D) A fa struktúra (5. ábra) úgy épül fel, hogy egy állomáshoz, mint gyökérelemhez (0. szint) önálló átviteli utakkal újabb állomások (1. szint), majd ezekhez még újabbak és még újabbak... kapcsolódnak. Minden állomás az előző szint végeleme és egyben egy újabb szint (ha van ilyen) gyökéreleme. A fa struktúrában bármely két terminál legalább egy (ha azonos gyökérelemhez tartoznak), de lehet, hogy több állomás közvetítésével teremthet csak kapcsolatot egymással. A fa struktúrában - a csillaghoz hasonlóan - egyidejűleg több állomás-pár kommunikálhat. A fa meglehetősen bonyolult; különösebb előnyös tulajdonsága nincs. (Legfeljebb az, hogy adekvát adatátviteli megfelelője lehet egy hierarchikusan rétegzett technológiai struktúrának. Ám ez inkább esztétikai szempont, mint közvetlen, gyakorlati előny.) A meghibásodások hatásának elemzése is bonyolult, nem választható szét a gyökérelem és a végelem kiesése, minthogy a fa belsejében minden állomás mindkettő egyben. Általánosságban annyit lehet mondani, hogy minél magasabb (kisebb sorszámú) szinthez tartozó elem hibásodik meg, annál nagyobb a rendszert érő funkcionális veszteség. A kommunikációt úgy kell tervezni, hogy az egymással gyakori kapcsolatot igénylő terminálok topológiailag közel essenek egymáshoz, azaz lehetőleg közös gyökérelemhez tartozzanak. A fa telepítésére és bővítésére ugyanaz vonatkozik, mint a csillagéra. (Egyébként is, a csillag egyszintes fának tekinthető.)
Fa
5. ábra
E) A hurok (6. ábra) zárt átviteli út, mely a ráfűzött állomások mindegyikén áthalad. Az információáramlás úgy szerveződik, hogy a hurok valamely állomása címzett adatcsomagot indít el a célállomás felé. A csomag minden közbülső terminálon áthalad. A nem érintett (nem megcímzett) állomások a csomagot továbbadják egészen addig, amíg az a célállomáshoz nem ér. Ez már nem adja tovább, hanem feldolgozza az adatot. A hurokban nincs kitüntetett állomás, mindegyik egyenrangú, és bármelyik kezdeményezhet adatforgalmat. A hurok mentén két irányban lehetséges a kommunikáció, van egy un. direkt és egy un. kerülő irány. A két irány egyenrangú, és bármikor sor kerülhet irányváltásra. Egy terminál kiesése egyben a hurok megszakadását is jelenti, mert a hibás állomás nem tud részt venni az adattovábbításban. Ilyenkor irányváltással bonyolítható le az adatforgalom. Ebből adódik a hurok kiemelkedő hibatűrő képessége, hiszen egy szakadást (állomáskiesést) lényegében rendszer-szintű funkcióvesztés nélkül elvisel. Telepítési és bővítési költségei nagyjából a buszéihoz hasonlók.
Hurok
6. ábra
F) A teljesen összekapcsolt struktúrában (7. ábra) minden állomást minden másikkal külön, saját átviteli eszköz köt össze. Két állomás között így nem csak a közvetlen út használható, hanem más állomásokon áthaladó közvetett utak sokasága is. Egy-egy terminál kiesése a többi struktúránál említettekhez hasonló következményekkel jár (lokális funkcióvesztés), viszont egy, vagy akár több átviteli út sérülése észre sem vehető. Így ez a struktúra rendkívül hibatűrő. Ennek azonban nagy ára van, mert a telepítése és a bővítése egyaránt roppant költséges.
Teljesen összekapcsolt struktúra
7. ábra
Kell még szólni az egységek közötti adatátvitel eszközeiről és módjairól. Itt a meghatározó szempont az, hogy milyen típusú (analóg vagy digitális) jelet, mekkora távolságra, milyen irányú kapcsolattal és mekkora sebességgel kell átvinni.
Minthogy a jelfeldolgozás tipikusan villamos, a jelátviteli utak is villamos vezetékek. Ezek lehetnek már meglévő, vagy kiépítendő vezetékek. A meglévők a távíró és a távbeszélő vonalak. A távíró vonalakon a kétállapotú jelek közvetlenül (áram megléte, áram hiánya) vihetők át, ám viszonylag kis sebességgel. A távbeszélő vonalon a bináris jel valamilyen 300...3400Hz közötti vivőjel modulálásával vihető át. A modulációhoz és a jel visszaállításához (demoduláció) külön eszközök - modemek - használatosak. Az igényesebb, főként a nagyobb sebességű jelátvitelhez koaxiális kábelek felhasználásával szélessávú, távolsági vezetékeket építenek ki. Ezek igen drágák, viszont az átviteli sebesség a nagy sávszélességből adódóan 105 bit/sec is lehet. Újabban egyre inkább terjednek az optikai kábelek is, azonban drágaságuk miatt alkalmazásuk még nem általános. Van még egy különleges és érdekes jelátviteli eszköz, a közös memória. Ezt egymáshoz közel levő (max. 1-2 méter) intelligens berendezések közti adatátvitelre használják. Ez a megoldás (az un. memóriacsatolás) jellemző a multiprocesszoros számítógépek felépítésére is. Az átviteli sebesség itt rendkívül nagy, a rendszerbusz frekvenciájának megfelelő.
A felsorolt átviteli eszközök mind vezetékes jellegűek. A vezeték nélküli információátvitel a folyamatirányításban nem jellemző. Ennek oka feltehetőn az, hogy az áthidalandó távolságok - egy-két kivételtől (pl. olaj-távvezetékek szivattyúállomásai) eltekintve - általában kicsik.
Az egyidejűleg átvitt információ mennyisége szerint párhuzamos, illetve soros átvitelt különböztetünk meg. A párhuzamos átvitel során a teljes információ egyidejűleg halad át a csatornán. Analóg jeleknél más fajta átviteli mód nem is lehetséges. Kódolt (digitális) információ esetén a párhuzamos átvitel azt jelenti, hogy a kódszó egyes bitjei külön vezetékeken, egyszerre vivődnek át. A soros átvitelnél az egyes bitek egy vezetéken, egymás után haladnak át. A párhuzamos átvitellel lényegesen nagyobb sebesség érhető el, viszont megvalósítása jóval drágább.
Nagyobb adatmennyiség (több bájt vagy szó) a csatornán egymás után, bizonyos ütemezéssel halad át. Az időzítés (ütemezés) szempontjából szinkron, illetve aszinkron átviteli módot különböztetünk meg. A szinkron átvitelnél az adó és a vevő rögzített sebességgel, adott ütemfrekvencia szerint működik, az egyes információ-egységek átvitele között mindig azonos idő telik el. Az aszinkron módban két adatelem átvitele között tetszőleges, változó hosszúságú időtartam telhet el, ezért ilyenkor az adatelemeket speciális bitekkel (start, stop bit) keretezni kell, hogy a vevőben egyértelműen azonosíthatók és szétválaszthatók legyenek.
Lépjen ki a tananyagból! Gondolja át a lecke tartalmát, rekonstruálja a szerkezetét! Vegyen elő egy lapot és írja le a lecke vázlatát! Ne sajnálja az erre fordított időt! Ha gondosan megcsinálja, már majdnem tudja is az anyagot.

| Önellenőrző kérdések
1. Sorolja fel a több-számítógépes rendszerkialakítás előnyeit!
2. Sorolja fel a hálózati alaptopológiákat és egyenként jellemezze őket hibatűrés, bővíthetőség és telepítési költségek szempontjából!
3. Válassza ki az igaz állításokat!
| A hierarchikus busznál bonyolultabb az adatforgalom szervezése, mint a nem-hierarchikus busz esetében.
| A hierarchikus busz-struktúra kevésbé hibatűrő, mint a nem-hierarchikus.
| A buszon egyidejűleg több állomás-pár kommunikálhat.
| A csillag-struktúra olcsóbb a busznál, ezért elterjedtebb.
| A csillag-struktúrában egyidejűleg több állomás-pár kommunikálhat.
| A fa-struktúrában egy állomás kiesésének hatása független az állomás pozíciójától.
| A hurok-struktúra hibatűrő képessége a buszéval azonos.
| A teljesen összekapcsolt struktúra a többinél lényegesen hibatűrőbb, de lényegesen drágább is.
| A teljesen összekapcsolt struktúra a legkönnyebben bővíthető topológia.
4. Gondolja át és röviden mondja el a villamos átviteli eszközök jellemzőit és az átviteli üzemmódok fajtáit.