Добро пожаловать в сеть

Даже в эпоху глобальных сетей все еще встречаются устройства, у которых нет собственных сетевых интерфейсов. В таких ситуациях современный способ соединения обеспечивают специализированные серверы устройств — Device Server.

До сих пор многие промышленные устройства поддерживают только управление через последовательные интерфейсы (как правило, RS-232 или RS-485), изначально рассчитанные на подключение управляющего терминала или ПК посредством короткого кабеля (см. Рисунок 1). Поэтому для организации централизованного управления такими устройствами в пределах одного здания зачастую приходится прокладывать очень длинные последовательные кабели, что является весьма трудоемкой задачей. Как правило, для этих целей используются кабели RS-422.

Рисунок 1. Традиционно устройства с последовательными интерфейсами разрабатывались для реализации прямых соединений посредством коротких кабелей.

С 80-х годов для подключения к сети устройств с последовательными интерфейсами нередко использовались большие терминальные серверы. В таком случае эти устройства физически подсоединялись к портам серверов: принтеры, модемы, конвертеры и другое специализированное оборудование подключались к портам сервера, к которым затем можно было получить доступ с хостов в сети.

Теперь сетевые соединения распространились практически повсеместно. Сети WLAN широко внедряются в больших городах и на промышленных комплексах, а стандарт 3G и еще более быстрая технология LTE проникают даже в сельскую местность. Таким образом, создается основа для широкого внедрения решений М2М. В результате возникает впечатление, что сегодня любое электронное устройство должно по умолчанию поддерживать возможность подключения к сети, однако на предприятиях до сих пор остается немало унаследованного оборудования (инженерные системы, средства автоматизации, медицинская техника, торговые терминалы, системы безопасности и др.). Вот более конкретные примеры из области автоматизации: сетевых интерфейсов лишены насосные контроллеры, сканеры штрихкодов, весовое оборудование и принтеры. До сих пор на рынке предлагаются привлекательные варианты аппаратного и программного обеспечения, при разработке которых сетевые подключения не предусматривались, а единственным способом подключения является последовательное соединение.

В больших и разнородных средах ИТ имеется много аргументов в пользу того, чтобы все устройства с последовательными интерфейсами подключить к сети. Тем самым упрощается их установка и техническое обслуживание, обеспечивается круглосуточный — в том числе дистанционный — доступ к оборудованию. Кроме того, администраторы получают возможность проверять статус устройств с последовательными интерфейсами посредством SNMP.

Но использовать для этих целей терминальные серверы — это все равно что палить из пушки по воробьям. Такая задача не соответствует их размерам и вычислительной мощности. Современные интегральные микросхемы обеспечивают необходимую функциональность с помощью решений гораздо меньшего размера. Речь идет о так называемых серверах устройств (Device Server), которые, имея всего один порт, позволяют реализовать подключение к сети очень экономичным способом. Для этих целей применяется печатная плата размером со спичечную коробку, а некоторым производителям даже удалось уменьшить ее до размеров монетки в два евро. Серверы устройств оснащены последовательным (обычно RS-232) и сетевым интерфейсами (предлагаются также варианты с поддержкой WLAN). После их установки в сети оборудование с последовательными интерфейсами тут же становится доступным для управления через локальную сеть и Интернет (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Благодаря серверу устройств системы с последовательными интерфейсами могут общаться через сеть.

ПАКЕТНАЯ СЛУЖБА ДЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ

Техническая сложность заключается в том, что последовательное соединение никогда не было рассчитано на подключение к сетям, маршрутизацию, и уж тем более передачу данных через Интернет. Последовательные данные поступают непрерывным потоком от одного устройства к другому, а Ethernet и TCP/IP, как известно, на это не рассчитаны. Иначе говоря, сервер устройства выполняет более серьезную задачу, чем просто интеграцию физических и электрических соединений. Действуя на уровне протоколов, он разделяет данные на пакеты, указывает для каждого адрес назначения, включает пакеты в датаграмму IP, снабжает их заголовками (Header) и концевыми записями (Trailer). Затем пакеты отправляются либо напрямую к месту назначения, либо на шлюз. Таким образом, серверы устройств инкапсулируют последовательные данные в пакеты TCP или UDP и в таком виде передают их по сети. Этот процесс функционирует в обоих направлениях. В конечном счете серверы устройств содержат стек протоколов TCP/IP, функционал для дистанционного управления, а также один последовательный и один сетевой интерфейс.

Однако иногда одного только сервера устройства бывает недостаточно. Некоторые устройства с последовательными интерфейсами требуют наличия отдельного ПК для обработки своих данных и информации. Тогда сервер устройства выступает и как элемент решения, но дополнительно на ПК запускается программа для переадресации сигналов (Redirector Software). Это ПО принимает сигналы ПК, предназначенные для его порта COM, перенаправляет их на сетевой порт, после чего они поступают на сетевой интерфейс сервера устройства (см. Рисунок 3). Иначе говоря, перенаправляющая программа отвечает за то, чтобы ПК «думал», что он напрямую общается с локальным устройством через интерфейс COM, хотя на самом деле это устройство находится в другом месте, а вся коммуникация осуществляется по сети.

Рисунок 3. ПО для перенаправления сигнала передает данные, предназначенные для последовательного порта, через сетевой интерфейс, так что ПК может дистанционно осуществлять коммуникацию с устройством, оснащенным последовательным интерфейсом.

В еще более сложных случаях выделенный ПК и устройство, оснащенное последовательным интерфейсом, обмениваются зашифрованными (или имеющими свой собственный формат) данными. Действительно, устройства с последовательными интерфейсами промышленного назначения используют бесчисленное множество разнообразных протоколов, таких как Modbus, Profibus, Bacnet, EtherNet/IP или DF1. В таком случае ПК и устройство, оснащенное последовательным интерфейсом, могут при взаимодействии использовать технологию туннелирования (Tunneling): серверы подключаются не только к самим устройствам, но и к выделенным ПК. Зашифрованные данные передаются от одного сервера устройства к другому через сеть, а уже затем отправляются с сервера на подключенное к нему устройство с последовательным интерфейсом или на ПК (см. Рисунок 4).

Рисунок 4. Зашифрованная последовательная коммуникация через сеть требует наличия серверов устройств у оборудования на обоих концах соединения. Взаимодействие между серверами осуществляется через сеть Internet или Intranet.

Если же данные не зашифрованы, то обязанности по защите информации возлагаются на сервер устройства (к примеру, при передаче медицинских данных о пациентах или иных конфиденциальных сведений). Для обеспечения безопасности данных серверы устройств оснащаются и такими важными функциями, как аутентификация, шифрование и фильтрация IP.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные разработки в области М2М предлагают решения, которые позволяют интегрировать практически любое оборудование в локальную сеть или подключить его к Интернету с помощью серверов устройств. Такой сервер может встраиваться непосредственно в устройство с последовательным интерфейсом. Как правило, речь идет об оборудовании, изготовленном в формате печатных плат. Более новые решения выполнены в виде встраиваемых модулей или систем на одном кристалле.

Дэрил Миллер — вице-президент по инжинирингу компании Lantronix.