Издательство Томского политехнического университета

Вид материала

Содержание

Модель OSI
Физический уровень
Канальный уровень
Сетевой уровень
Транспортный уровень
Сеансовый уровень
Уровень представления
Прикладной уровень
Критика модели OSI
Profibus DP, Profibus FMS и Profibus PA.
Profibus FMS
Резервирование обеспечивает высокий коэффициент готовности*, короткое время восстановления, отсутствие потерь данных и нечувстви
Сетевое оборудование
Межсетевые шлюзы
Другое сетевое оборудование
Сетевые адаптеры
Коммутаторы (switches)
Мосты (bridges)
Межсетевой экран (брандмауэр, Firewall)
Модем (модулятор-демодулятор)
...
Полное содержание

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7

Модель OSI

Поскольку основной функцией сети является соединение между собой различного оборудования, проблема открытости, в частности, стандартизации, для сетей приобретает особое значение. В связи с этим в начале 80-х годов Международной организацией по стандартизации ISO (International Standardization Organization) совместно с рядом других организаций была сформулирована и принята модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection), которая сыграла и играет до сих пор важную роль в развитии сетей.

Полное описание модели OSI занимает более 1000 страниц текста. Это связано с тем, что сетевое взаимодействие устройств является сложной задачей. Для решения таких задач обычно используется декомпозиция сложной задачи на более простые. Декомпозиция выполняется таким образом, чтобы количество и сложность связей, а также поток данных между подзадачами были минимальными. В модели OSI было использовано семь подзадач (уровней), причем декомпозиция выполнена таким образом, что взаимодействие осуществляется только между соседними уровнями.

Такой подход обеспечил возможность решения задачи взаимодействия систем для каждого уровня отдельно, в том числе независимыми группами разработчиков. В частности, для сетевого взаимодействия устройств необходимо согласовать между собой электрические уровни сигналов, задержки и длительности импульсов, типы соединителей, способы кодирования информации, способы обеспечения достоверности передачи, формы и форматы адресации, форматы данных, способы доступа к сети, способы буферизации данных, способы деления их на пакеты и восстановления целостности сообщений и др.

Номер	Название	Протокол	Примеры	Единица
уровня	уровня			обмена
7	Прикладной	Прикладной протокол	FTP, HTTP,	APDU,
			SMTP	Сообщение Данные
6	Уровень	Протокол уровня	SSL	PPDU Данные
	представления	представления
5	Сеансовый	Сеансовый протокол		SPDU Данные
4	Транспортный	Транспортный протокол	TCP, UDР, SPX	TPDU Сегменты
3	Сетевой	Сетевой протокол	IP, IPX	Пакет
2	Канальный (пе-	Протокол канального		Кадр
	редачи данных)	уровня
1	Физический	Протокол физического		Бит
		уровня

Семь уровней модели OSI представлены в табл. 2.1.

Модель OSI не включает средства взаимодействия между собой приложений, расположенных на разных компьютерах сети, такие как, например, DDE, ОРС или CORBA, а описывает только средства, реализуемые операционной системой, системными утилитами и аппаратурой. Поэтому прикладной уровень нельзя путать с уровнем взаимодействия приложений, который в модель OSI не входит.

Если приложение обращается с запросом к прикладному уровню, то на основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение, состоящее из заголовка и поля данных, и передает его вниз, на уровень представления. Протокол представительного уровня выполняет требуемые действия, содержащиеся в заголовке прикладного уровня, и добавляет к сообщению свою служебную информацию — заголовок представительного уровня, в котором содержатся инструкции для соответствующего уровня получателя сообщения. Сформированное таким образом сообщение с уже двумя заголовками передается вниз сеансовому уровню, который также добавляет к нему свой заголовок. Таким образом, дойдя до физического уровня, сообщение обрастает семью заголовками, после чего оно передается по сети адресату. Когда сообщение достигнет адресата, оно проходит весь стек протоколов в обратном порядке, от физического уровня до прикладного. На каждом уровне выполняются соответствующие функции, содержащиеся в заголовке каждого уровня.

Большинство уровней модели OSI имеют смысл только в сетях с коммутацией пакетов (а не каналов). Тем не менее отдельные ее уровни и термины используются практически во всех сетях. Сеансовый уровень и уровень представления на практике используются редко, а сетевой уровень и канальный практически всегда и сильно перегружены.

Физический уровень

На физическом уровне (Physical layer) происходит передача данных по таким линиям связи, как витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель или радиоканал. Основная функция физического уровня — обеспечить прием логической единицы (а не нуля) на стороне получателя в том случае, если на стороне отправителя передана единица. На физическом уровне используются понятия: длительность импульса и паузы, длительности фронтов импульсов, количество проводов и цоколевки разъемов, помехозащищенность, волновое сопротивление, полоса пропускания, кодирование информации, синхронизация, модуляция, определение начала кадра, уровень логической единицы и логического нуля.

Канальный уровень

На физическом уровне не учитывается, что канал передачи может быть занят другими устройствами, подключенными к сети. Проверка доступности канала передачи осуществляется на канальном уровне (Data Link Layer). Канальный уровень разбивает передаваемые данные на кадры и выполняет функции обнаружения и коррекции ошибок с помощью контрольной суммы, помещаемой в начало или конец каждого кадра. Кадр считается полученным, если контрольная сумма, вычисленная на стороне получателя, совпадает с контрольной суммой, приписанной к переданному кадру. При обнаружении ошибки канальный уровень может выполнить повторную передачу поврежденного кадра. Функция исправления ошибок не является обязательным требованием стандарта.

Сетевой уровень

Основное назначение сетевого уровня (Network Layer) — определение маршрутов пересылки пакетов от источника к приемнику сообщений. Маршруты могут быть жестко заданы или меняться динамически в зависимости от текущей загруженности сети. Сетевой уровень отвечает также за объединение нескольких разных сетей в единую транспортную систему, причем эти сети могут использовать различные принципы передачи сообщений, методы адресации и обладать произвольной структурой связей.

Транспортный уровень

Транспортный уровень (Transport Layer) обеспечивает доставку сообщений с требуемым уровнем качества (надежности). В модели OSI выделяют на выбор пользователя пять классов сервиса, которые отличаются срочностью доставки сообщений, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи (таких, как искажение, потеря или дублирование пакетов). На транспортном уровне выполняется разбивка сообщений сеансового уровня на пакеты, их нумерация, буферизация принимаемых пакетов, упорядочивание прибывающих пакетов, управление потоками.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (Session Layer) управляет диалогом (сеансом связи): отслеживает очередность передачи сообщений участниками сети; вставляет метки

в длинные сообщения, чтобы в случае потери связи выполнить повторную передачу только утерянной части сообщения; устанавливает способ обмена (дуплексный или полудуплексный). Этот уровень редко используется на практике, а его функции часто объединяются с функциями прикладного уровня.

Уровень представления

Уровень представления (Presentation Layer) оперирует с формой представления передаваемой по сети информации, не изменяя ее содержания. На этом уровне может задаваться тип кодирования символов (например, ASCII или ANSI), может изменяться синтаксис передаваемых сообщений, задаваться тип шифрования и дешифрования данных для обеспечения их секретности. Примером такого протокола является Secure Socket Layer (SSL), обеспечивающий секретность сообщений для протокола TCP/IP.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (Application Layer) представляет собой набор популярных протоколов, с помощью которых осуществляется доступ к файлам (например, с помощью протокола FTP) или веб-страницам (с помощью HTTP), к электронной почте (SMTP).

Критика модели OSI

Несмотря на то, что модель OSI является общепризнанным стандартом, она очень несовершенна. В промышленных сетях используются только два или три уровня этой модели, и даже сеть Ethernet не использует уровни 5 и 6. Существуют четыре причины, объясняющие это:

несвоевременность — модель OSI появилась слишком поздно, когда начали появляться и быстро завоевали популярность протоколы TCP/IP, которые не нуждались в уровнях 5 и 6 этой модели;

плохая технология — выбор семиуровневой структуры был скорее политическим, чем техническим. Эталонная модель OSI оказалась невероятно сложной;

неудачная реализация — в результате сложности модели и протоколов неудачу потерпели все фирмы, которые пытались реализовать эту модель;

неудачная политика — OSI считался детищем европейских телекоммуникационных министерств и правительства США, и, хотя это было не совсем верно, мысль об этом не способствовала продвижению этой модели на фоне растущего интереса к модели TCP/IP, которая ассоциировалась с популярной в то время операционной системой UNIX.

Тем не менее, методологически модель OSI очень актуальна до сих пор и все сетевые стандарты начинают свое описание с указания соответствия между этой моделью и конкретным стандартом.

Модель OSI будет использована ниже при рассмотрении сети Profibus.

Profibus

Слово PROFIBUS получено из сокращений PROcess Field BUS, что приблизительно переводится как «промышленная шина для технологических процессов». Стандарт Profibus был первоначально принят в Германии в 1987 г., в 1996 г. он стал международным (EN 50170 и EN 50254).

Сеть Profibus использует только первый и второй уровни модели OSI (табл. 2.10). Один из вариантов сети, Profibus FMS, использует также уровень 7.

Profibus имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS и Profibus PA.

Profibus DP (Profibus for Decentralized Peripherals — Profibus для децентрализованной периферии) использует уровни 1 и 2 модели OSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель OSI не входит. Непосредственный доступ из пользовательского приложения к канальному уровню осуществляется с помощью DDLM (Direct Data Link Mapper — прямой преобразователь для канального уровня). Пользовательский интерфейс обеспечивает функции, необходимые для связи с устройствами ввода-вывода и контроллерами. Profibus DP в отличие от FMS и РА построен таким образом, чтобы обеспечить наиболее быстрый обмен данными с устройствами, подключенными к сети.

Profibus FMS (Profibus с FMS-протоколом) использует уровень 7 модели OSI и применяется для обмена данными с контроллерами и компьютерами на регистровом уровне. Profibus FMS предоставляет большую гибкость при передаче больших объемов данных, но проигрывает протоколу DP в популярности вследствие своей сложности. Profibus FMS и DP используют один и тот же физический уровень, основанный на интерфейсе RS-485, и могут работать в общей сети.

Profibus PA (Profibus for Process Automation — для автоматизации технологических процессов) использует физический уровень на основе стандарта IEC 1158-2, который обеспечивает питание сетевых устройств через шину и не совместим с RS-485. Особенностью Profibus РА является возможность работы во взрывоопасной зоне. В последние годы появился стандарт PROFInet, который основан на Industrial Ethernet и технологиях COM, DCOM. Он легко обеспечивает связь промышленной сети Profibus с офисной сетью Ethernet.

Profibus является многомастерной сетью (с несколькими ведущими устройствами). В качестве ведомых устройств выступают обычно устройства ввода- вывода, клапаны, измерительные преобразователи. Они не могут самостоятельно получить доступ к шине и только отвечают на запросы ведущего устройства.

Резервирование.

С целью повышения надежности в Profibus предусмотрено резервирование, выполненное следующим образом:

ведомые устройства содержат два различных Profibus-интерфейса, основной и резервный. Они могут быть либо в одном устройстве, либо в двух одинаковых устройствах (основном и резервном);

устройства снабжаются двумя независимыми стеками протоколов со специальным расширением для резервирования;

процесс резервирования стеков протоколов осуществляется путем запуска специального программного объекта резервирования RedCom.

В нормальном режиме коммуникация выполняется только через основное устройство, которое посылает диагностическую информацию резервному устройству. В случае, когда основное устройство дает сбой, резервное устройство берет на себя его функции. Кроме того, мастер контролирует все ведомые устройства и выдает диагностическое сообщение на верхний уровень АСУ ТП, как только в системе вышло из строя основное устройство и не осталось резервного или когда вышло из строя резервное. Резервное устройство может работать на основной Profibus линии или на двух, если имеется резервная.

Подход к резервированию в Profibus имеет следующие свойства:

одна и та же модификация устройств используется для реализации различных вариантов резервирования;

ведущее, ведомое устройство и шина могут быть резервированы независимо друг от друга;

не требуется особого дополнительного конфигурирования резервного устройства;

возможен полный мониторинг обоих ведомых устройств.

Резервирование обеспечивает высокий коэффициент готовности*, короткое время восстановления, отсутствие потерь данных и нечувствительность системы к отказам.

Описание устройств

Современные модули ввода-вывода являются интеллектуальными устройствами и выполняют многие функции, которые ранее выполнялись только контроллерами. Однако, чтобы выполнить эти функции, устройства требуют сложной настройки при инсталляции системы, при обслуживании и параметризации. Поэтому необходимо иметь точное и полное описание сведений об устройствах, таких как тип выполняемых функций, количество входов/выходов, диапазон изменения переменных, единицы измерения, значения по умолчанию, идентифицирующие параметры устройства и т.д.

Profibus предлагает несколько методов и средств для описания устройств, которые обеспечивают унификацию описания. По историческим причинам в промышленной автоматизации используется в основном формат GSD (General Station Data — общие данные об устройстве). Описание устройств в этом формате создается их изготовителем и поставляется вместе с устройством.

Характеристики устройства описываются с помощью языка описания электронных устройств Electronic Device Description Language (EDDL) и поставляются в виде текстового файла EDD (Electronic Device Description — описание электронного устройства). Интерпретатор этого описания очень хорошо апробирован для приложений средней сложности. Для сложных приложений Profibus предлагает другой программный компонент — Device Type Manager (DTM).

Текстовый файл GSD содержит как общую, так и специфичную для конкретного устройства информацию. С помощью ключевых слов средство конфигурирования может прочесть идентификационные записи, настраиваемые параметры, типы данных, допустимые значения параметров. Некоторые из ключевых слов обязательны (по стандарту), например имя изготовителя, другие являются опционными.

GSD-файл загружается в средство конфигурирования системы Profibus Configurator и используется при ее инсталляции.

Более мощным средством описания устройств является язык EDD, который является частью международного стандарта IEC 61804-2 и позволяет описывать устройства средней сложности. Еще более мощными являются независимые от конкретной промышленной сети средства описания устройств FDT/DTM (Field Device Tool/Device Type Manager — средство для устройств полевого уровня/менеджер типа устройства), которые позволяют описывать очень сложные устройства.

Сетевое оборудование

При проектировании распределенных АСУ ТП с применением промышленных сетей могут возникать следующие проблемы:

требуемая длина отводов от общей шины (например, для сетей на основе интерфейса RS-485) превышает допустимую;

предельно допустимая длина линии связи меньше необходимой;

необходимое количество подключенных к сети устройств превышает допустимое по спецификации на используемое оборудование;

к сети необходимо подключить устройство, не имеющее соответствующего порта (например, вольтметр с портом RS-232 к сети на основе интерфейса RS-485 или Ethernet);

необходимо объединить несколько различных сетей с различными протоколами в единую сеть (например, когда требуется объединить Ethernet с CAN и Modbus RTU);

не удается ослабить влияние помех до допустимого уровня, используя медный кабель;

фрагмент сети установлен на подвижном объекте.

Эти и аналогичные проблемы решаются с помощью вспомогательных сетевых устройств: повторителей и преобразователей интерфейса, концентраторов, коммутаторов, мостов, маршрутизаторов, шлюзов. В каждом конкретном случае системный интегратор должен выбрать необходимый состав оборудования исходя из смысла решаемой задачи.

Межсетевые шлюзы

Межсетевые шлюзы (Gateways) позволяют выполнять обмен данными между различными сетями. Сети могут различаться протоколами, структурами фреймов, форматами и кодированием данных. Модели OSI сетей могут быть существенно различными, поэтому в межсетевых шлюзах используются все уровни модели OSI, с 1-го по 7-й. В структуре межсетевых шлюзов имеются два специализированных сетевых контроллера, которые реализуют полный стек протоколов обеих сетей. Для сетей CAN, Ethernet, Profibus и других со сложным стеком протоколов выпускаются специализированные микросхемы (ASIC — Application-Specific Integrated Circuit), в которых уже реализован стек протоколов. Каждый интерфейс имеет также буферную память, которая необходима для обмена данными между сетями с разной скоростью передачи данных. Это позволяет принять информацию из одной сети в соответствии с ее стеком протоколов, выделить телеграмму (обычно данные и адрес) на уровне приложений или на одном из нижележащих уровней, затем передать ее сверху вниз через другой стек протоколов в другую сеть.

Другое сетевое оборудование

Маршрутизатор (router) выполняет перемещение информации между подсетями (сегментами сети) от источника к приемнику по оптимальному пути, используя 3-й (сетевой) уровень модели OSI. Для нахождения оптимума используются адрес получателя и таблица маршрутизации, в которых содержится информация о маршрутах и их метрике (предпочтительности). Таблица маршрутизации может быть составлена статически (вручную) или динамически. При ручном составлении таблица должна корректироваться каждый раз, когда в топологию сети вносятся изменения. При динамической маршрутизации записи обновляются автоматически с помощью одного из стандартных алгоритмов маршрутизации.

Сетевые адаптеры. Для подключения компьютера к промышленной сети можно использовать межсетевой шлюз с интерфейсом RS-232, однако скорость передачи информации в таком случае будет ограничиваться пропускной способностью порта RS-232. Для получения высокой скорости передачи (например, 12 Мбит/с для Profibus или 100 Мбит/с для Ethernet) нужно использовать сетевой адаптер в виде платы («сетевой карты»), вставляемой в слот шины PCI на материнской плате компьютера.

Коммутаторы (switches) — интеллектуальные многопортовые повторители. Они выполняют роль репитеров и, кроме того, анализируют фреймы, сверяют контрольную сумму, выделяют из фрейма адрес устройства назначения и направляют фрейм в нужный порт в соответствии с адресом.

Мосты (bridges) — устройства для соединения и передачи пакетов между двумя сегментами одной и той же сети. Работают обычно на уровне 1 и 2, реже до уровня 4 модели OSI, поэтому их иногда называют устройствами канального уровня. Они устанавливают соединение, выполняют анализ контрольной суммы, выполняют повторную передачу после буферизации, но не изменяют структуру фреймов и не выделяют из них данные. Мосты являются устаревшими устройствами и вместо них в последнее время применяют коммутаторы.

Мультиплексор — это устройство, позволяющее передавать по одному каналу связи несколько сигналов (потоков данных) одновременно. На входе канала мультиплексор объединяет несколько потоков данных, поступающих от разных источников, например от двух разных компьютеров, в один общий поток, который передается по общему каналу с высокой пропускной способностью. Используется временное или частотное разделение потоков данных. На противоположном конце канала мультиплексор выполняет обратную операцию выделения данных из общего потока.

Мультиплексоры эффективны, когда пропускная способность канала передачи намного превышает информационную производительность источников данных.

Межсетевой экран (брандмауэр, Firewall) — комплекс аппаратных и (или) программных средств, выполняющих фильтрацию поступающей из сети информации по различным критериям, например с целью защиты от несанкционированного доступа или вирусов. Межсетевой экран может работать на сетевом уровне, сеансовом уровне и уровне приложений модели OSI.

Модем (модулятор-демодулятор) выполняет модуляцию, т.е. изменяет характеристики несущего сигнала с целью внесения в него передаваемой информации и выполняет демодуляцию для извлечения информации на приемном конце канала связи. Модем используется для передачи данных по телефонным линиям (телефонный модем), кабелям системы коллективного телевидения, проводам для передачи электрической энергии, через спутник (спутниковый модем), радиоканал (радиомодемы), сотовые каналы связи (GSM-модем). Модемы бывают аналоговые (устарели) и цифровые (ISDN, DSL и их модификации).

Blog

Содержание