Интеллектуальные сети: Концентратор данных или шлюз?
С момента создания коммуникационных сетей приходится выбирать между централизованными и децентрализованными решениями. Однако существует не только два решения, но и возможность выбора различных уровней децентрализации. Выбор уровня децентрализации зависит от ряда параметров. К основным параметрам относятся связь между различными сетевыми элементами и их вычислительная мощность.
Устройства и топология интеллектуальных сетей
Основополагающим элементом любой интеллектуальной сети является интеллектуальный счетчик. Счетчик называется «умным», если он имеет интерфейс связи, позволяющий интегрировать его в интеллектуальную сеть. Наиболее распространенными интерфейсами связи являются: PLC (связь по линии электропередачи), W-MBus, ZigBee, 6LoWPAN, GPRS и т.д.
Если не учитывать GPRS, который не требует шлюза или концентратора, то можно сказать, что остальные виды связи являются недорогими с точки зрения построения сети связи, но характеризуются меньшей надежностью связи и относительно низкой пропускной способностью.
Из-за относительно небольшого расстояния между сетями, используемыми для связи с интеллектуальными счетчиками, необходимо обеспечить связь сети с другими сетями, такими как Интернет.
Эта функциональность может обеспечиваться шлюзом или концентратором данных, который может быть расположен в трансформаторе, общих зонах здания или в другом месте. Эти устройства связываются с головным сервером, в основном через мобильные сети. Пример топологии интеллектуальной сети, включающей подключение к головному серверу, показан на рисунке 1.
Шлюз
Самая важная функция шлюза — передача сообщений из одной сети в другую. Кроме того, шлюз может управлять топологией подсетей или интегрировать функции маршрутизатора.
Следует отметить, что счетчики в большинстве случаев не поддерживают протоколы, используемые в компьютерных сетях, которые в основном основаны на веб-сервисах. Даже если устройства совместимы с протоколом IP, на прикладном уровне они используют специализированные протоколы для интеллектуальных сетей, такие как DLMS, W MBus и т. д.
В связи с этим функциональные возможности концентратора данных по-прежнему необходимы, но их можно реализовать на стороне сервера, где можно использовать языки программирования высокого уровня и проще поддерживать программное обеспечение.
Шлюз с очередью/без очереди
На качество связи влияет поддержка очереди сообщений в шлюзе. Если шлюз не поддерживает очереди, он может быть реализован очень просто, с низкими требованиями к вычислительной мощности, но с потенциально плохими последствиями для пропускной способности, частоты ошибок и задержки связи.
Если шлюз поддерживает очередь, он также должен поддерживать QoS (качество обслуживания), что позволяет определять приоритеты сообщений с помощью планировщика. Хорошим примером такого планировщика является LLQ (low-latency queuing), используемый в Ethernet-маршрутизаторах. Однако реализация очереди вместе с поддержкой QoS требует больших вычислительных затрат.
Способ расчета параметров связи для шлюза без очереди и с очередью, если вторая сеть работает по типу «ведущий-ведомый» (запрос-ответ), приведен в таблице 1. В варианте без очереди скорость передачи данных [скорость, с которой передается информация в канале связи] всегда меньше скорости передачи данных в обеих сетях.
| ШЛЮЗ БЕЗ ОЧЕРЕДИ | ШЛЮЗ С ОЧЕРЕДЬЮ / КОНЦЕНТРАТОР | |
| Скорость передачи данных (R) | R = ( R1 R2 ) / ( R1 + R2 ) | R = min (R1 , R2 ) |
| Латентность | Латентность = Латентность1 + Латентность2 | Латентность = Латентность2 |
| Коэффициент ошибок (PER) | PER = 1 — (1 — PER1 ) (1 — PER2 ) | PER = ( R — min( R1(1-PER1 ), R2(1-PER2 )) / R |
| Пропускная способность | L R / ( L + RЛатентность ) ( 1 – PER ) |
Значительное относительное снижение по сравнению с минимальной скоростью передачи происходит, если эти скорости одинаковы. Задержка — это сумма задержек в обеих сетях, а коэффициент ошибок всегда больше, чем коэффициент ошибок в отдельных сетях.
Значительное относительное увеличение коэффициента ошибок до наибольшего происходит, если сети имеют одинаковый коэффициент ошибок. В случае шлюзов с очередью скорость передачи данных ограничивается только скоростью передачи данных более медленной сети.
| GPRS | MT-PLC | |
| Скорость передачи данных (R) | R1 = 3200 B/s | R2 = 1160 B/s |
| Латентность | Латентность1 = 0,3 s | Латентность2 = 0,022 s |
| Коэффициент ошибок (PER) | PER1 = 20 % | PER2 = 30 % |
| Длина рамы | L = 42 B |
На долгосрочную пропускную способность сети влияет только задержка второй сети, поскольку задержка первой сети устраняется очередью. Отношение ошибок более быстрой сети возникает только в том случае, если ее пропускная способность ниже пропускной способности более медленной сети.
Пример расчета параметров связи для GPRS в первой сети и MT PLC во второй сети приведен в таблице 3; параметры GPRS и MT PLC — в таблице 2.
| БЕЗ КУЕФА | С КУЕВОЙ | |
| Скорость передачи данных (R) | R = 851 B/s | R = 1160 B/s |
| Латентность | Латентность = 0,322 s | Латентность = 0,022 s |
| Коэффициент ошибок (PER) | PER = 44 % | PER = 30 % |
| Пропускная способность | 64 B/s = 0,50 kb/s | 505 B/s = 3,95 kb/s |
Поскольку скорость передачи данных в обеих сетях довольно близка, задержка в первой сети значительно выше, а коэффициенты ошибок в сетях также близки, неудивительно, что результирующая пропускная способность для шлюза без очереди значительно ниже, чем для шлюза с очередью. В случае комбинации Ethernet и MT PLC разница будет не столь существенной.
В таблице 4 приведены преимущества и недостатки шлюзов с очередью и без очереди.
| ШЛЮЗ БЕЗ ОЧЕРЕДИ | ШЛЮЗ С ОЧЕРЕДЬЮ |
| + цена + простое обновление программного обеспечения + упрощение разработки | + простое обновление программного обеспечения + упрощение разработки |
| — низкая пропускная способность сети — сложное программное обеспечение на стороне сервера — больший поток данных между шлюзом и сервером | — сложное программное обеспечение на стороне сервера — больший поток данных между шлюзом и сервером — сервер должен управлять использованием очереди шлюза. |
Концентратор данных
Концентратор данных — это еще один этап развития шлюза с очередью. Учитывая, что шлюз с очередью требует большей вычислительной мощности, есть возможность немного увеличить производительность и добавить больше функциональности. Фактические преимущества и недостатки концентратора данных приведены в таблице 5.
Автоматическое создание рутинных задач — Большинство сообщений в интеллектуальных сетях — это периодические чтения профилей с измеренными данными и асинхронные журналы, и ничто не мешает концентратору самому создавать эти сообщения. Это экономит значительную часть коммуникаций между сервером и концентратором, а серверу не нужно планировать эти задачи.
Объединение ответов в более крупные блоки — поскольку размер пакетов в сети между концентратором и сервером в большинстве случаев может значительно превышать размер пакетов в сети счетчиков, целесообразно передавать несколько ответов от счетчиков на сервер в одном сообщении. Кроме того, можно использовать сжатие данных. Как и прежде, это позволяет сэкономить значительный объем данных, передаваемых между концентратором и сервером.
| Концентратор данных |
| + снижение потока данных между концентратором данных и сервером + разработка простых приложений на стороне сервера + более быстрое реагирование на события, связанные с интеллектуальными сетями |
| — цена — разработка и обслуживание сложных FW |
Трансляция протоколов — для серверных приложений сложно реализовать специализированные протоколы, такие как DLMS, W-MBus и т. д., которые используются в интеллектуальных сетях. Поэтому преимуществом является то, что концентратор обменивается данными с сервером по протоколу, не зависящему от протокола, используемого в сети счетчиков. Кроме того, этот протокол можно оптимизировать и обеспечить большее удобство его обработки на языках программирования высокого уровня.
Анализ данных, фильтрация событий — концентратору не обязательно только передавать данные от счетчиков на сервер. Концентратор может анализировать эти данные, фильтровать их или выполнять другую обработку. Это может привести к существенной экономии на связи между концентратором и сервером, а также значительно ускорить реакцию на определенные состояния сети.
Заключение: Каким должно быть идеальное решение?
Шлюз без очереди может быть более экономичным решением, если сеть между сервером и шлюзом имеет низкую задержку и высокую пропускную способность с минимальным количеством ошибок по сравнению с сетью счетчика.
Поскольку большая часть решений на практике использует сети с более высокими коэффициентами задержек и ошибок и более низкой пропускной способностью, использование шлюза без очереди в этих случаях нецелесообразно и может привести к значительному снижению пропускной способности по сравнению с устройствами с очередью.
В этих случаях необходимо использовать как минимум шлюз с очередью или применять концентратор данных, что позволяет сэкономить на разработке серверных приложений и передаче данных между концентратором и сервером.
Концентратор также может улучшить реакцию на события интеллектуальной сети и в целом обеспечить больший комфорт при использовании и обслуживании устройства. Если в устройстве есть очередь, то очень важна организация планировщика очереди, обеспечивающего QoS.