Устройство реализующее обмен данными между сетями с различными протоколами взаимодействия

Обновлено: 04.07.2024

С момента разработки в 1979 году он не теряет своей популярности. Согласно статистике HMS Industrial Networks в 2021 году Modbus занимает 10% мирового рынка промышленных сетей (по 5% приходится на Modbus RTU и Modbus TCP).

В статье расскажем об основных особенностях протокола Modbus, его преимуществах и недостатках, а также наиболее частых сценариях использования.

Базовые принципы работы Modbus

Modbus использует архитектуру Master-Slave, которая относительно недавно была переименована разработчиком в Client-Server. Согласно этому подходу в сети выделяется клиентское (ведущее) устройство, которое периодически отправляет запросы на серверные (ведомые) устройства с целью чтения или записи их параметров.

Пакет данных Modbus включает в себя постоянную часть PDU (Protocol Data Unit), общую для всех реализаций протокола и состоящую из кода функции и данных. Кроме этого, возможен ряд специфических полей, которые будут различаться в зависимости от физического уровня сети — чаще всего это адрес серверного устройства и контрольная сумма для выявления ошибок. С учетом дополнительных полей полный пакет Modbus носит название ADU (Application Data Unit). Рассмотрим более подробно каждое поле пакета ADU в обобщенном виде. Особенности, присущие различным вариантам протокола, будут описаны в следующем разделе.

Рассмотрим передачу пакетов в Modbus. Протокол обеспечивает клиент-серверное взаимодействие в режиме Request/Response. Клиент инициирует запрос в серверное устройство, передавая в PDU код функции и данные. В зависимости от физического уровня сети в пакете могут быть дополнительные поля, рассмотренные выше.

Если обработка запроса проходит без ошибок, то сервер возвращает пакет, содержащий исходный код функции и запрошенные данные.

При возникновении ошибки серверное устройство возвращает в качестве данных код исключения, а вместо исходного кода функции — его значение, увеличенное на 128 (0x80 в шестнадцатеричной системе HEX).

Также предусмотрены тайм-ауты на стороне клиента во избежание длительного ожидания ответа от вышедших из строя устройств.

Разновидности Modbus: ASCII, TCP и RTU

Modbus — это протокол прикладного (седьмого) уровня модели OSI (Open Systems Interconnection model). Он не зависит от нижележащих уровней и может использоваться совместно с другими протоколами, например Ethernet TCP/IP или UDP/IP, а в качестве физической среды для передачи сигналов применять последовательные интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485, оптоволокно, радиоканалы и другое.

Опишем отличия наиболее известных реализаций протокола Modbus: RTU, ASCII и TCP.

Modbus RTU (Remote Terminal Unit). Это разновидность протокола, которая в качестве физического уровня сети чаще всего использует последовательный интерфейс RS-485, реже — RS-232 и RS-422. По сути, все эти интерфейсы определяют связь с помощью витых пар, но различаются характеристиками вида максимальной длины кабеля, количества узлов и так далее.

Формат пакета Modbus RTU в целом совпадает с обобщенной формой, описанной ранее: дополнительные поля не используются. Контроль целостности пакетов ведется с помощью алгоритма CRC-16.

Важная особенность Modbus RTU в том, что для разделения пакетов должны использоваться временные паузы продолжительностью не менее чем произведение 3,5*t, где t — время передачи одного байта в текущей сети. А передача байтов данных в пределах одного пакета производится последовательно с промежутком времени между соседними байтами не более 1,5*t, иначе передача будет считаться ложной. Эти правила не дают использовать Modbus RTU в медленных, например модемных, сетях.

Modbus TCP. Это реализация ModBus в сетях Ethernet. Работает поверх TCP/IP стека.

Контроль целостности пакетов также обеспечивается средствами протокола TCP/IP, поэтому нет необходимости в его Modbus-реализации.

Наряду с адресом в заголовке пакета Modbus TCP присутствует ряд дополнительных полей:

Мы рассмотрели только открытые и самые распространенные реализации протокола Modbus. Но их гораздо больше, например MODBUS Plus — проприетарный протокол от Schneider Electric, поддерживающий режим Multi-Master.

Регистры и функции Modbus

Доступ к регистрам осуществляется с помощью 16-битного адреса. Первому элементу в каждой группе регистров соответствует адрес 0. То есть адрес любого регистра может принимать значения из диапазона 0-65535 (0x0000-0xFFFF в HEX-формате). При этом спецификация протокола не определяет, что физически из себя представляют адресные пространства и по каким внутренним адресам устройства должны быть доступны регистры. В общем случае значения регистров с одинаковым адресом, но разными типами отличаются друг от друга.

В документации ряда производителей на некоторые, особенно старые устройства адреса регистров могут быть указаны в других форматах — где адресация начинается не с нуля и первая цифра адреса определяет тип регистра. Например, Input Register с адресом 0 может быть описан как 30001, а Holding Register — как 40001. В таких случаях в пакетах данных следует передавать адреса в стандартном формате Modbus независимо от способа представления их в документации. Для получения верного адреса достаточно вычесть смещение, соответствующее типу регистра. В некоторые программные пакеты заложена автоматическая корректировка адресов.

Для работы с каждым типом регистров определены функции чтения и записи. Наиболее часто используемые функции описаны ниже.

Для каждой функции в спецификации протокола Modbus определена структура PDU: какие данные и в каком порядке должны использоваться в запросах и ответах. Рассмотрим формирование пакетов Modbus RTU на примере функции Read Coils с кодом 1. Эта функция, кроме передачи собственного кода, требует наличия в запросе адреса первого Coil-регистра и количества регистров, которые необходимо прочитать. В случае успешного выполнения запроса в ответе будут возвращены код функции, число байт, необходимое для вывода запрошенных Coil-регистров, и статус всех этих регистров.

Предположим, нам нужно обратиться к серверному устройству с адресом 1 и прочитать 19 его Coil-регистров с номерами 20–38. Адресация регистров ведется с 0, поэтому адрес первого нужного нам регистра будет 0x13 (это 19 в HEX-системе). Требуемое для чтения количество регистров также будет равно 0x13 (для чтения запрошено 19). В качестве адреса и кода функции указываем 01. Контрольная сумма формируется по алгоритму CRC-16 на основе других полей пакета.

В случае отсутствия ошибок в ответе вернутся без изменений адрес серверного устройства и код функции. Для расчета числа байтов, которые потребуются для возврата состояния регистров, нужно разделить запрошенное количество регистров на 8 и к результату прибавить 1, если остаток от деления не равен 0. В нашем случае результат деления 19 на 8 равен 2, но остаток положительный — поэтому для вывода регистров потребуется 2+1=3 байта. Это значение будет указано в ответе после кода функции. И далее будут следовать 3 байта, описывающие состояние выбранных регистров. Например, первый байт будет описывать состояние 8 Coil-регистров с номерами 27-20. Если в поле, к примеру, содержится HEX-значение CD — статус соответствующих 8 регистров такой: 1100 1101.

Если в процессе обработки запроса на серверном устройстве возникнет ошибка (например, обнаружен несуществующий адрес регистра), то в ответе будет содержаться измененный код функции, равный исходному коду плюс смещение 0x80 — в нашем примере 0x81, и код исключения — в нашем примере 03, что значит неверный формат запроса. С полным перечнем возможных исключений можно ознакомиться в документации.

Преимущества и недостатки Modbus

К преимуществам Modbus относятся:

Разумеется, у использования протокола есть и недостатки:

1. Отсутствие встроенной аутентификации и шифрования передаваемых данных.

Поэтому при использовании протокола Modbus TCP необходимо настраивать дополнительные VPN-тоннели. Относительно недавно для Modbus TCP было разработано расширение Modbus Security (с поддержкой TLS), но оно пока не получило широкого распространения.

2. Отсутствие начальной инициализации системы.

Назначать сетевые адреса и настраивать параметры каждого конкретного устройства требуется вручную. Некоторые производители разрабатывают шаблоны для своих Modbus-устройств, но это не упрощает их взаимодействие с контроллерами и ПО других производителей.

3. Спецификации для ограниченного набора типов данных .

В протоколе определен метод передачи только для битов и 16-битных регистров. С другими типами данных (строки, числа с плавающей запятой и так далее) различные производители Modbus-решений поступали по собственному усмотрению. По этой причине впоследствии невозможно было внести дополнения в протокол, так как это могло привести к проблемам из-за уже существующего несовпадения форматов.

4. Недостатки Master-Slave-взаимодействия.

5. Отсутствие поддержки режима Multi-Master для интерфейсов RS-232/RS-485

Другие протоколы, основанные на этих же интерфейсах, поддерживают работу с несколькими ведущими устройствами (например, CAN и Profibus).

Где используется Modbus

Чаще всего Modbus применяется для передачи сигналов от контрольно-измерительных приборов к главному контроллеру или системе сбора данных. Основные сценарии использования Modbus:

Клиент-серверные приложения для мониторинга и программирования устройств (в том числе дистанционного) в промышленности, строительстве, инфраструктуре, транспорте, энергетике. Примеры: мониторинг энергопотребления, контроль производственных процессов, надзор за ходом строительства и так далее.
Передача данных от датчиков и приборов интеллектуальным устройствам в интернете вещей (Internet of Things, IoT).
Связь диспетчерских компьютеров с удаленными терминалами в SCADA-системах.
Приложения, где требуется беспроводная связь, например в газовой и нефтяной промышленности.

Несмотря на свой возраст, Modbus активно используется и с современными технологиями — например, он отлично чувствует себя в облаке. Многие провайдеры предлагают возможность создания облачных IoT-платформ — для снижения затрат на разработку IoT-сервисов, обеспечения сбора данных и управления устройствами в real-time-режиме. И поддержка Modbus — обязательный пункт для подобных решений, так как невозможно построить межмашинное взаимодействие без протокола, реализованного множеством поставщиков на тысячах различных устройств.

Такая сочетаемость с современными трендами лишний раз показывает, что за прошедшие годы Modbus не только не утратил своей популярности, но и до сих пор остается одним из самых востребованных протоколов в промышленной производственной среде.

В пакет протоколов взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection — OSI) входит ряд стандартных протоколов, основанных на эталонной модели OSI. Эти протоколы являются частью международной программы развития протоколов передачи данныхПо компьютерным сетям и других стандартов, улучшающих функциональную > совместимость оборудования различных производителей. Программа OSI появилась в ^Ответ. на потребность в международных сетевых стандартах. OSI предназначена для улучшения обмена данными между аппаратными и программными системами с раз- |ЙЙши базовыми архитектурами.

Спецификации OSI были задуманы и реализованы двумя международными организациями по > стандартизации: международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization — ISO) и сектором телекоммуникационных^ стандартовмеждународного телекоммуникационного союза (International Telecommunication Union-Telecommunications Standards Sector — ITU-T). В настоящей главе представлен краткий обзор стека протоколов OSI и показано его соответствие ^йцф* эталонной Mojjen^OSI.

Сетевые протоколы OSI

На рис. 34.1 показана связь стека протоколов OSI с уровнями эталонной модели 0SI| Более подробно компоненты стека будут рассмотрены далее в настоящей главе, а протоколы маршрутизации OSI — в главе 48 "Протоколы маршрутизации OSI".

Физический и канальный уровни OSI

Стек протоколов OSI содержит ряд стандартных протоколов доступа к среде передачи на физическом и канальном уровнях. Большое разнообразие протоколов доступа 1С-среде передачи, поддерживаемых в стеке протоколов OSI, позволяет другим стекам .. … _к протоколов легко сосуществовать с OSI в одной и той же сети. Поддерживаются сле- W* .’ дующие протоколы доступа к среде передачи: IEEE 802.2 LLC, IEEE 802.3, Token " Ring/IEEE 802.5, FDDI и X.25.

Рис. 34.1. Соответствие пакета протоколов OSI уровням эталонной модели OSI

Сетевой уровень OSI

Для пакета протоколов OSI на сетевом уровне определены два протокола маршрутизации: протокол "конечная система-промежуточная система" (End System-to- Intermediate System — ES-IS) и протокол "промежуточная система-промежуточная система" (Intermediate System-to-Intermediate System — IS-IS). Кроме того, в пакете OSI реализованы два вида сетевых служб: службы, ориентированные на соединение, и службы, не требующие установки соединения.

Стандарты уровней OSI

Кроме стандартов, которые определяют протоколы и службы сетевого уровня OSI, существуют приведенные ниже стандарты, описывающие спецификации сетевого уровня OSI.

« ISO 8648. Определяет внутреннюю организацию сетевого уровня (internal organization of the network layer — IONL), согласно которой сетевой уровень делится на три подуровня, чтобы поддерживать разные типы подсетей.

e ISO 8348. Определяет адресацию сетевого уровня и описывает поддерживаемые сетевым уровнем OSI службы, ориентированные на соединение, и службы, не требующие подтверждения соединения.

в ISO TR 9575. Описывает структуру, понятия и терминологию, используемые для протоколов маршрутизации OSI.

Службы OSI, не требующие подтверждения соединения

Службы OSI, не требующие подтверждения соединения, реализуются при помощи протокола CLNP и службы CLNS. CLNP и CLNS описаны в стандарте ISO 8473.

Протокол сетевой службы, не требующий подтверждения соединения (Connectionless Network Protocol — CLNP) представляет собой протокол сетевого уровня OSI, предназначенный для передачи данных верхнего уровня по каналам, не требующим подтверждения соединения, и для регистрации ошибок. CLNP является интерфейсом между службой CLNS и верхними уровнями.

CLNS предоставляет службы сетевого уровня для транспортного уровня при помощи протокола CLNP.

В отличие от сетевой службы, работающей в режиме соединения (Connection- Mode Network Service — CMNS), служба, не требующая подтверждения соединения (Connectionless Network Service — CLNS), не устанавливает и не прерывает соединение, поскольку для каждого пакета, передающегося через сеть, маршруты определяются отдельно.

Кроме того, служба CLNS обеспечивает доставку методом наименьших затрат (best-effort), т.е. не гарантирует, что данные не будут потеряны, искажены, перепутаны или скопированы. Обнаружение и исправление ошибок службы CLNS выполняется протоколами транспортного уровня.

Службы OSI, ориентированные на соединение

Службы OSI, ориентированные на соединение, реализованы при помощи протокола CONP и службы CMNS.

Ориентированный на соединение сетевой протокол (Connection-Oriented Network Protocol — CONP) представляет собой протокол сетевого уровня OSI, предназначенный для передачи данных верхнего уровня по каналам, требующим подтверждения соединения, и для регистрации ошибок. CONP основан на протоколе пакетного уровня (Packet-Layer Protocol — PLP) Х.25 и описывается стандартом ISO 8208 "Х.25 Packet-Layer Protocol for DTE".

Протокол CONP служит интерфейсом между службой CMNS и верхними уровнями. Именно служба сетевого уровня, описанная в стандарте ISO 8878, играет роль интерфейса между транспортным уровнем и CONP.

Сетевая служба, работающая в режиме соединения (Connection-Mode Network Service — CMNS), выполняет функции, связанные с явным выбором маршрутов для обмена данными между элементами транспортного уровня. В число этих функций входят установка, поддержка и прекращение соединения. Кроме того, в отличие от CLNS, CMNS также поддерживает механизм запросов качества обслуживания (QoS).

Адресация сетевого уровня

Адресация сетевого уровня OSI реализуется при помощи двух типов иерархических

адресов: адресов точки доступа к сетевой службе и заголовков сетевых элементов.

Точка доступа к сетевой службе (Network Service Access Point — NSAP) представляет собой абстрактную точку на границе между сетевым и транспортным уровнями. NSAP является точкой, в которой транспортному уровню предоставляется доступ к сетевым службам OSI. Каждому элементу транспортного уровня выделяется одна точка NSAP и индивидуальный NSAP-адрес в объединенной сети OSI. Формат такого адреса показан на рис. 34.2.

Рис. 34.2. Каждому элементу транспортного уровня присваивается отдельный NSAP-адрес OSI

Поля NSAP-адреса

Существуют два поля NSAP-адреса: поле первоначального домена (initial domain part — IDP) и поле адреса в домене (domain-specific part — DSP).

Поле IDP делится на две части: идентификатор формата авторизации (authority format identifier — AFI) и идентификатор начального домена (initial domain identifier — IDI). AFI содержит информацию о структуре и содержании полей IDI и DSP — например, является ли длина IDI переменной и использует ли DSP десятичную или двоичиую запись. IDI определяет элемент, который может присваивать значения разделу DSP NSAP-адреса.

Поле DSP делится на четыре части сетевым администратором. Поле управления адресом предусматривает дальнейшее управление адресацией, добавляя второй идентификатор авторизации и передавая управление адресами подчиненным элементам. Поле зоны определяет зону в пределах домена и используется для маршрутизации. Поле станции определяет станцию в пределах зоны и также используется для маршрутизации. Поле селектора определяет конкретный n-селектор в пределах станции и, подобно другим полям, используется для маршрутизации. Зарезервированный п-селектор 00 определяет адрес как заголовок сетевого элемента (network entity title — NET).

NSAP-адреса конечной системы

Конечная система (End System — ES) OSI часто имеет несколько NSAP-адресов — по одному для каждого транспортного элемента. В этом случае NSAP-адреса транспортных элементов обычно различаются только последним байтом (называемым n-селектором). На рис. 34.3 показаны отношения между транспортным элементом, NSAP и сетевой службой.

Заголовок сетевого элемента (Network Entity Title — NET) используется для того, чтобы определить сетевой уровень системы, не ассоциируя эту систему с конкретным элементом транспортного уровня (как это делает NSAP-адрес). Заголовки NET полезны для адресации промежуточных систем (intermediate systems — IS), таких как маршрутизаторы, которые не выполняют функций интерфейса с транспортным уровнем. У промежуточной системы IS может быть один или несколько заголовков NET, если она присутствует в нескольких зонах или доменах.

Протоколы OSI транспортного уровня

На транспортном уровне пакет протоколов OSI реализует два типа служб: службы, ориентированные на соединение, и службы, не требующие подтверждения соединения.

Рис. 34.3. NSAP обеспечивает связь между транспортным элементом и сетевой службой

В пакет OSI входит пять протоколов транспортного уровня, ориентированных на соединение, — от транспортного протокола класса 0 до транспортного протокола класса 4. Службы, не требующие подтверждения соединения, поддерживаются только транспортным протоколом класса 4.

Транспортный протокол класса О (ТРО) — самый простой из транспортных протоколов. Он выполняет функции сегментации и повторной сборки. ТРО требует сетевой службы, ориентированной на соединение.

Транспортный протокол класса 1 (ТР1) выполняет сегментацию и повторную сборку и может устранять основные ошибки. ТР1 упорядочивает модули данных протокола (protocol data units — PDU). Если слишком много PDU не получат подтверждения получения, то протокол ТР1 передаст их повторно или переустановит соединение. ТР1 требует сетевой службы, ориентированной на соединение.

Транспортный протокол класса 2 (ТР2) выполняет сегментацию и повторную сборку, а также мультиплексирование и демультиплексирование потоков данных, проходящих по одному виртуальному каналу. ТР2 требует сетевой службы, ориентированной на соединение.

Транспортный протокол класса 3 (ТРЗ) позволяет устранять основные ошибки, выполняет сегментацию и повторную сборку, а также мультиплексирование и демультиплексирование потоков данных, проходящих по одному виртуальному каналу. ТРЗ также упорядочивает модули PDU и, если слишком много модулей PDU не получат подтверждения получения, передает их повторно или переустанавливает соединение. ТРЗ требует сетевой службы, ориентированной на соединение.

Транспортный протокол класса 4 (ТР4) позволяет устранять основные ошибки, выполняет сегментацию и повторную сборку, а также обеспечивает мультиплексирование и демультиплексирование потоков данных, проходящих по одному виртуальному каналу. ТР4 упорядочивает PDU и, если слишком много PDU не получат подтверждения о приеме, передает их повторно или переустанавливает соединение. ТР4 поддерживает надежное транспортное обслуживание и работает как со службами, ориентированными на соединение, так и со службами, не требующими подтверждения соединения. Он основан на протоколе TCP из стека протоколов Internet и является единственным классом протоколов OSI, поддерживающим сетевые службы, не требующие подтверждения соединения.

Протоколы OSI сеансового уровня

Реализация сеансового уровня пакета протоколов OSI состоит из сеансового протокола и сеансовой службы. Сеансовый протокол позволяет пользователям сеансовой службы (SS-пользователям) общаться с сеансовой службой. SS-пользователь представляет собой элемент, запрашивающий службы сеансового уровня. Такие запросы делаются в точках доступа к сеансовой службе (session-service access points — SSAP). SS-пользователи однозначно идентифицируются по SSAP-адресу. На рис. 34.4 показано взаимодействие между SS-пользователем, точкой доступа SSAP, сеансовым протоколом и сеансовой службой.

Сеансовая служба выполняет для SS-пользователей четыре основных функции. Во- первых, она устанавливает и прекращает соединения между SS-пользователями и синхронизирует обмен данными между ними. Во-вторых, она выполняет всевозможные согласования об использовании маркеров сеансового уровня, которые должны быть у SS-пользователей для того, чтобы начать обмен данными. В-третьих, она вносит в передаваемые данные точки синхронизации, что позволяет восстановить сеанс в случае ошибок или разъединения. В-четвертых, она позволяет SS-пользователям прервать сеанс и продолжить его позднее в определенной точке.

Сеансовая служба описывается в документах ISO 8306 и ITU-T Х.215, а сеансовый протокол — документами ISO 8307 и ITU-T Х.225. Версия сеансового протокола, не требующая подтверждения соединения, определена стандартом ISO 9548.

Протоколы OSI уровня представления

Реализация уровня представлений пакета протоколов OSI состоит из протокола представлений и службы представлений. Протокол представлений позволяет пользователям службы представлений (PS-пользователям) обмениваться данными со службой представлений.

PS-пользовательпредставляет собой элемент, запрашивающий службы уровня представлений. Такие запросы делаются в точках доступа к службе представлений (presentation-service access points — PSAP). PS-пользователи однозначно идентифицируются по PSAP-адресам.

Рис. 34.4. Функции сеансового уровня обслуживают функции уровня представления через точки доступа SSAP

Служба представлений согласовывает синтаксическое преобразование данных и преобразует данные в синтаксические форматы PS-пользователей. Служба представлений используется двумя PS-пользователями для выбора используемого синтаксического преобразования. Затем элементы службы представления преобразуют данные, поступающие от PS-пользователя, в формат переноса.

Служба представления OSI определена документами ISO 8822 и ITU-T Х.216, а протокол OSI уровня представления — документами ISO 8823 и ITU-T Х.226. Версия протокола представлений, не требующая подтверждения соединения, определена стандартом ISO 9576.

В данной статье, мы разберемся, что такое сетевая модель OSI, из каких уровней она состоит, и какие функции выполняет. Итак, предмет разговора является некой моделью взаимодействия эталонов, определяющих последовательность обмена данных, и программ.

p, blockquote 1,0,0,0,0 -->

p, blockquote 2,0,0,0,0 -->

Аббревиатура OSI Open Systems Interconnection, означает модель взаимодействия открытых систем. Для решения задачи совместимости разнообразных систем, организация по стандартизации выпустила в 1983 г. эталон модели OSI. Она описывает структуру открытых систем, их требования, и их взаимодействие.

p, blockquote 3,0,0,0,0 -->

p, blockquote 4,0,0,0,0 -->

Open system – это система, составлена согласно открытым спецификациям, которые доступны каждому, а также соответствуют определенным стандартам. Например, ОС Windows считается open system, потому что она создана на основе открытых спецификаций, которые описывают деятельность интернета, но начальные коды системы закрыты.

p, blockquote 5,0,0,0,0 -->

Достоинство в том, что есть возможность построить сеть из устройств от разных изготовителей, если нужно, заменить ее отдельные компоненты. Можно без проблем, объединить несколько сетей в одну целую.

p, blockquote 6,0,0,0,0 -->

Согласно рассматриваемой нами модели, необходимо, чтобы вычислительные сети состояли из семи уровней. Вследствие того, что модель не описывает протоколы, определяемые отдельными стандартами, она не является сетевой архитектурой.

p, blockquote 7,0,0,0,0 -->

К сожалению, с практической точки зрения, модель взаимодействия открытых систем не применяется. Её особенность заключается в овладении теоретическими вопросами сетевого взаимодействия. Именно поэтому в качестве простого языка для описания построения разных видов сети используется эта модель.

p, blockquote 8,0,0,0,0 -->

Уровни модели OSI

p, blockquote 9,0,0,0,0 -->

Нижние ступени системы с первой по третью, управляют физической доставкой данных по сети, их называют media layers.

p, blockquote 10,0,0,0,0 -->

Остальные, уровни способствуют обеспечению точной доставки данных между компьютерами в сети, их называют хост-машины.

p, blockquote 11,0,0,0,0 -->

Прикладной – это ближайший уровень к юзеру. Его отличие от других в том, что он не предоставляет услуги другим ступеням. Обеспечивает услугами прикладные процессы, которые лежат за пределами масштаба модели, например, передача базы данных, голоса, и другое.

p, blockquote 12,0,0,0,0 -->

Физический уровень (PHYSICAL)

Данный этап устроен сравнительно проще других, ведь кроме единиц и нулей в нем нет других систем измерений, данный уровень не анализирует информацию и именно поэтому является самым нижним из уровней. На нем в основном осуществляется передача информации. Главный параметр загруженности – бит.

p, blockquote 13,0,0,0,0 -->

Основная цель физического уровня представить нуль и единицу в качестве сигналов, передаваемые по среде передачи данных.

p, blockquote 14,0,0,0,0 -->

p, blockquote 15,0,0,0,0 -->

p, blockquote 16,0,0,0,0 -->

В качестве канала передачи информации используются:

Кабели: телефонный, коаксиал, витая пара, оптический.
Беспроводные технологии, такие как, радиоволны, инфракрасное излучение.
Спутниковые КС
Беспроводная оптика или лазеры, применяются редко, из-за низкой скорости и большого количества помех.

Очень редко возникают ошибки в оптических кабелях, так как повлиять на распространение света сложно. В медных кабелях, ошибки возникают, но достаточно редко, а в беспроводной среде, ошибки возникают очень часто.

p, blockquote 19,0,0,0,0 -->

Канальный уровень (DATA LINK)

Следующая станция, которую посетит информация, напомнит таможню. А именно IP-адрес будет сравнен на совместимость со средой передачи. Здесь также выявляются и исправляются недочеты системы. Для удобства дальнейших операций, биты группируются в кадры – frame.

p, blockquote 20,0,0,0,0 -->

p, blockquote 21,0,0,0,0 -->

Задачи data link

На канальном уровне выявляются и исправляются ошибки. При обнаружении таковой проводится проверка правильности доставки данных, если неправильно, то кадр отбрасывается.

p, blockquote 22,0,0,0,0 -->

Исправление ошибок, требует применение специальных кодов, которые добавляют избыточную информацию в передаваемые данные.

p, blockquote 23,0,0,0,0 -->

p, blockquote 24,0,0,0,0 -->

Повторная отправка данных, применяется совместно с методом обнаружения ошибок. Если в кадре обнаружена ошибка, он отбрасывается, и отправитель направляет этот кадр заново.

p, blockquote 25,0,0,0,0 -->

Практика показала эффективность следующих методов, если используется надежная среда для передачи данных (проводная) и ошибки возникают редко, то исправлять их лучше на верхнем уровне. Если в КС ошибки происходят часто, то ошибки необходимо исправлять сразу на канальном уровне.

p, blockquote 26,0,0,0,0 -->

Функции данного этапа в компьютере осуществляют сетевые адаптеры и драйверы, подходящие к ним. Через них и происходит непосредственный обмен данными.

p, blockquote 27,0,0,0,0 -->

Некоторые протоколы, используемые на канальном уровне, это HDLC, Ethernet применяющая шинную топологию и другие.

p, blockquote 28,0,0,0,0 -->

Сетевой уровень (NETWORK)

Этап напоминает процесс распределения информации. К примеру, все пользователя делиться на группы, а пакеты данных расходятся в соответствии с IP адресами, состоящими из 32 битов. Именно благодаря работе маршрутизаторов на этой инстанции, устраняются все различия сетей. Это процесс так называемой логической маршрутизации.

p, blockquote 29,0,0,0,0 -->

p, blockquote 30,0,0,0,0 -->

Назначение сетевого уровня

Мы можем передавать информацию от одного компьютера к другому через Ethernet и Wi-Fi, тогда зачем нужен еще один уровень? У технологии канального уровня (КУ) есть две проблемы, во-первых, технологии КУ отличаются друг от друга, во-вторых, есть ограничение по масштабированию.

p, blockquote 31,0,0,0,0 -->

Какие могут быть различия в технологиях канального уровня?

p, blockquote 32,0,0,0,0 -->

p, blockquote 33,0,0,0,0 -->

Может различаться максимальный размер кадра (MTU), например, в изернете 1500, а в вай-фай 2300. Как можно согласовывать такие различия на сетевом уровне?

p, blockquote 34,0,0,0,0 -->

Можно предоставлять разный тип сервиса, например, кадры из Вай-Фай принимаются с отправкой подтверждения, а в Ethernet отправляются без подтверждения.

p, blockquote 35,0,0,0,0 -->

Для того чтобы согласовать разницу адресаций, на сетевом уровне, вводятся глобальные адреса, которые не зависят от адресов конкретных технологий (ARP для TCP/IP) канального уровня.

p, blockquote 36,0,0,0,0 -->

Чтобы передавать данные через составные сети, у которых разный размер передаваемого кадра, используется фрагментация. Рассмотрим пример, первый компьютер передает данные второму, через 4 промежуточные сети, объединенные 3-ми маршрутизаторами. У каждой сети разный MTU.

p, blockquote 37,1,0,0,0 -->

p, blockquote 38,0,0,0,0 -->

Компьютер сформировал первый кадр и передал его на маршрутизатор, маршрутизатор проанализировал размер кадра, и понял, что передать полностью его через сеть 2 нельзя, потому что mtu2 у него слишком мал.

p, blockquote 39,0,0,0,0 -->

p, blockquote 40,0,0,0,0 -->

Маршрутизатор разбивает данные на 3 части и передает их отдельно.

p, blockquote 41,0,0,0,0 -->

p, blockquote 42,0,0,0,0 -->

Следующий маршрутизатор объединяет данные в один, большой пакет, определяет его размер и сравнивает с mtu сети 3. И видит, что один пакет MTU3 целиком передать нельзя (MTU3 больше, чем MTU2, но меньше, чем MTU1) и маршрутизатор разбивает пакет на 2 части и отправляет следующему маршрутизатору.

p, blockquote 43,0,0,0,0 -->

p, blockquote 44,0,0,0,0 -->

Последний маршрутизатор объединяет пакет и отправляет получателю целиком. Фрагментация занимается объединением сетей и это скрыто от отправителя и получателя.

p, blockquote 45,0,0,0,0 -->

Как решается проблема масштабируемости на сетевом уровне?

Работа ведется не с отдельными адресами, как на канальном уровне, а с блоками адресов. Пакеты, для которых не известен путь следования отбрасываются, а не пересылаются обратно на все порты. И существенное отличие от канального, возможность нескольких соединений между устройствами сетевого уровня и все эти соединения будут активными.

p, blockquote 46,0,0,0,0 -->

Задачи сетевого уровня:

Объединить сети, построенные разными технологиями;
Обеспечить качественное обслуживание;
Маршрутизация, поиск пути от отправителя информации к получателю, через промежуточные узлы сети.

Маршрутизация

Поиск пути отправки пакета между сетями через транзитные узлы – маршрутизаторы. Рассмотрим пример выполнения маршрутизации. Схема состоит из 5 маршрутизаторов и двух компьютеров. Как могут передаваться данные от одного компьютера к другому?

p, blockquote 47,0,0,0,0 -->

p, blockquote 48,0,0,0,0 -->

В следующий раз данные могут быть отправлены другим путем.

p, blockquote 49,0,0,0,0 -->

p, blockquote 50,0,0,0,0 -->

В случае поломки одного из маршрутизатора, ничего страшного не произойдет, можно найти путь в обход сломанного маршрутизатора.

p, blockquote 51,0,0,0,0 -->

p, blockquote 52,0,0,0,0 -->

Протоколы, применяемые на этом этапе: интернет протокол IP; IPX, необходимый для маршрутизации пакетов в сетях и др.

p, blockquote 53,0,0,0,0 -->

Транспортный уровень (TRANSPORT)

Есть следующая задача, на компьютер, который соединен с составной сетью приходит пакет, на компьютере работает много сетевых приложений (веб-браузер, скайп, почта), нам необходимо понять какому приложению нужно передать этот пакет. Взаимодействием сетевых приложений занимается транспортный уровень.

p, blockquote 54,0,0,0,0 -->

Задачи транспортного уровня

Отправка данных между процессами на разных хостах. Обеспечение адресации, нужно знать для какого процесса предназначен тот или другой пакет. Обеспечение надежности передачи информации.

p, blockquote 55,0,0,1,0 -->

Модель взаимодействия open system

Хосты — это устройства где функционируют полезные пользовательские программы и сетевое оборудование, например, коммутаторы, маршрутизаторы.

p, blockquote 56,0,0,0,0 -->

p, blockquote 57,0,0,0,0 -->

Особенностью транспортного уровня является прямое взаимодействие одного компьютера с транспортным уровнем на другом компьютере, на остальных уровнях взаимодействие идет по звеньям цепи.

p, blockquote 58,0,0,0,0 -->

Такой уровень обеспечивает сквозное соединение между двумя взаимодействующими хостами. Данный уровень независим от сети, он позволяет скрыть от разработчиков приложений детали сетевого взаимодействия.

p, blockquote 59,0,0,0,0 -->

Для адресации на транспортном уровне используются порты, это числа от 1 до 65 535. Порты записываются вот так: 192.168.1.3:80 (IP адрес и порт).

p, blockquote 60,0,0,0,0 -->

Особенности транспортного уровня

Обеспечение более высокой надежности, в отличии от сети, которая используется для передачи данных. Применяются надежные каналы связи, ошибки в этих КС происходят редко, следовательно, можно строить надежную сеть, которая будет стоить дешево, а ошибки можно исправлять программно на хостах.

p, blockquote 61,0,0,0,0 -->

p, blockquote 62,0,0,0,0 -->

Сеансовый уровень (SESSION)

Сеансовый (сессия) – это набор сетевых взаимодействий, целенаправленных на решение единственной задачи.

p, blockquote 63,0,0,0,0 -->

p, blockquote 64,0,0,0,0 -->

Сеансовый определяет, какая будет передача информации между 2-мя прикладными процессами: полудуплексной (по очередная передача и прием данных); или дуплексной (одновременная передача и прием информации).

p, blockquote 65,0,0,0,0 -->

Уровень представления данных (PRESENTATION)

Функции – представить данные, передаваемых между прикладными процессами, в необходимой форме.

p, blockquote 66,0,0,0,0 -->

Для описания этого уровня, используют автоматический перевод в сети с различных языков. Например, Вы набираете номер телефона, говорите на русском, сеть автоматом переводит на французский язык, передает информацию в Испанию, там человек поднимает трубку и слышит Ваш вопрос на испанском языке. Это задача, пока не реализована.

p, blockquote 67,0,0,0,0 -->

Для защиты отправляемых данных по сети используется шифрование: secure sockets layer, а также transport layer security, эти технологии позволяют шифровать данные которые отправляются по сети.

p, blockquote 68,0,0,0,0 -->

p, blockquote 69,0,0,0,0 -->

p, blockquote 70,0,0,0,0 -->

Прикладной уровень (APPLICATION)

Необходим для взаимодействия между собой сетевых приложений, таких как web, e-mail, skype и тд.

p, blockquote 71,0,0,0,0 -->

По сути, представляет собой комплект спецификаций, позволяющих пользователю осуществлять вход на страницы для поиска нужной ему информации. Проще говоря, задачей application является обеспечение доступа к сетевым службам. Содержимое этого уровня очень разнообразно.

p, blockquote 72,0,0,0,0 -->

Функции application:

Решение задач, отправка файлов; управление заданиями и системой;
Определение пользователей по их логину, e-mail адресу, паролям, электронным подписям;
Запросы на соединение с иными прикладными процессами;

Видео о всех уровнях модели OSI

p, blockquote 73,0,0,0,0 -->

Заключение

Анализ проблем с помощью сетевых моделей OSI поможет быстро найти и устранить их. Недаром работа над проектом программы, способной выявить недочеты имея при этом сложное ступенчатое устройство, велась достаточно долго. Данная модель является в действительности эталоном. Ведь в одно время с ней велись работы по созданию других протоколов. Например, TCP/IP. На сегодняшний день, они довольно часто применяются.

В начале 80-х годов ряд международных организаций по стандартизации — ISO, ITU-T и некоторые другие, разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или моделью OSI. Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель OSI была разработана на основании большого опыта, полученного при создании компьютерных сетей, в основном глобальных, в 70-е годы. Полное описание этой модели занимает более 1000 страниц текста.

В модели OSI (рис. 1.25) средства взаимодействия делятся на семь уровней:

Представительный

Транспортный

Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень.

В модели OSI различаются два основных типа протоколов. В протоколах с установлением соединения (connection-oriented)перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединение и, возможно, выбрать некоторые параметры протокола, которые они будут использовать при обмене данными. После завершения диалога они должны разорвать это соединение. Телефон — это пример взаимодействия, основанного на установлении соединения.

Уровни модели OSI

Физический уровень

физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

Примером протокола физического уровня может служить спецификация 1OBase-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов.

Канальный уровень

На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом и добавлял контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок не является обязательной для канального уровня, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например, в Ethernet и frame relay.

В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с совершенно определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда, а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, lOOVG-AnyLAN.

В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.

Сетевой уровень

Протоколы канального уровня локальных сетей обеспечивают доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией, например топологией иерархической звезды. Это очень жесткое ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Можно было бы усложнять протоколы канального уровня для поддержания петлевидных избыточных связей, но принцип разделения обязанностей между уровнями приводит к другому решению. Чтобы с одной стороны сохранить простоту процедур передачи данных для типовых топологии, а с другой допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень.

На сетевом уровне сам термин сеть наделяют специфическим значением. В данном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.

На рис. 1.27 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами. Между узлами А и В данной сети пролегают два маршрута: первый через маршрутизаторы 1 и 3, а второй через маршрутизаторы 1,2 и 3.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности графика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например надежности передачи.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы сейчас рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологии, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями

На сетевом уровне определяются два вида протоколов. Первый вид — сетевые протоколы (routedprotocols) — реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршрутизации (routing protocols). С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также" программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов — Address Resolution Protocol, ARP. Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют их сути.

Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

Транспортный уровень

На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Транспортный уровень (Transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека — прикладному и сеансовому — передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное — способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети — компонентами их сетевых операционных систем. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (Session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительный уровень

Представительный уровень (Presentation layer) имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например кодов ASCII и EBCDIC. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень

Существует очень большое разнообразие служб прикладного уровня. Приведем в качестве примера хотя бы несколько наиболее распространенных реализации файловых служб: NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.

Сетезависимые и сетенезависимые уровни

Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп:

либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.

Три нижних уровня — физический, канальный и сетевой — являются сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети и используемым коммуникационным оборудованием. Например, переход на оборудование FDDI означает полную смену протоколов физического и канального уровней во всех узлах сети.

Три верхних уровня — прикладной, представительный и сеансовый — ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют какие бы то ни было изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Так, переход от Ethernet на высокоскоростную технологию lOOVG-AnyLAN не потребует никаких изменений в программных средствах, реализующих функции прикладного, представительного и сеансового уровней.

На рис. 1.28 показаны уровни модели OSI, на которых работают различные элементы сети. Компьютер с установленной на нем сетевой ОС взаимодействует с другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней. Это взаимодействие компьютеры осуществляют опосредовано через различные коммуникационные устройства: концентраторы, модемы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, мультиплексоры. В зависимости от типа коммуникационное устройство может работать либо только на физическом уровне (повторитель), либо на физическом и канальном (мост), либо на физическом, канальном и сетевом, иногда захватывая и транспортный уровень (маршрутизатор).

На рис. 1.29 показано соответствие функций различных коммуникационных устройств уровням модели OSI.

Читайте также: