2.2. 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 [Таненбаум - Олифер].

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 7 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.

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, OPC 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 [Таненбаум].

2.2.1. 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.

2.2.2. 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.

2.2.3. 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.

2.2.4. 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.

2.2.5. 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 выполнит 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.

2.2.6. 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.

2.2.7. 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).

2.2.8. Критика модели OSI

Несмотря на то, что модель OSI является общепризнанным стандартом, она очень несовершенна [Таненбаум]. Как мы увидим далее, 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: [Таненбаум]

• 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. Если сложить в стопку распечатку официального описания ее стандарта, то получится кипа бумаги высотой в один метр [Таненбаум];
• 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 [Таненбаум], 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 ряда промышленных сетей.

• 1 Архитектура системы
• 2 Промышленные сети и интерфейсы
  • 2.1 Общие сведения о промышленных сетях
  • 2.2 Модель OSI
  • 2.3 Интерфейсы RS-485, RS-422 И RS-232
  • 2.4 Интерфейс «токовая петля»
  • 2.5 HART-протокол
  • 2.6 CAN
  • 2.7 PROFIBUS
  • 2.8 MODBUS
  • 2.9 Промышленный ETHERNET
  • 2.10 Протокол DCON
  • 2.11 Беспроводные локальные сети
  • 2.12 Сетевое оборудование
  • 2.13. Заключение
• 3 Защита от помех
• 4 Измерительные каналы
• 5 ПИД-регуляторы
• 6 Контроллеры
• 7 Автоматизация опасных объектов
• 8 Аппаратное резервирование
• 9 Программное обеспечение
• Литература

© НИЛ АП, ООО, 1989-2024