Эталонная модель взаимодействия открытых систем ( OSI-модель)

Информационный обмен между различными уровнями АСУ осуществляется посредством локальных вычислительных сетей. Сети охватывают относительно небольшие территории (до 5–10 км) внутри отдельных предприятий и объединяют с помощью общего канала связи сотни абонентских узлов (сетевой абонентский узел – это компьютер, PLC, панель визуализации и т д.). Они могут подключаться к другим локальным сетям, а также региональном и глобальном сетям.

Локальные вычислительные сети обеспечивают физическую и логическую связь между распределенными промышленными контроллерами, измерительными преобразователями и исполнительными механизмами и их интеграцию в единую систему управления технологическим процессом, называются локальными промышленными сетями (ЛПС).

Основными требованиями к сетям, которые эксплуатируются в промышленных условиях, являются:

– высокая надежность;

– высокая скорость передачи данных (что отличает их, например, от глобальных сетей, которые могут вносить в передачу данных значительные задержки);

– простота монтажа.

В настоящее время существует большое разнообразие локальных промышленных сетей, которые условно разделены на два уровня и соединены посредством мостов между собой и с верхними уровнями АСУП: уровень датчиков и уровень производственного процесса:

– ЛПС для уровня ввода-вывода (sensor / actuator level) - объединение простых устройств: датчиков и исполнительных механизмов распределенной АСУП. Каждое из этих устройств должно иметь специальную интерфейсную микросхему. Сети данного уровня обеспечивают высокоскоростную передачу коротких сообщений. Длина сегмента сети обычно порядка 100 м, количество узлов – несколько десятков, цикл опроса шины – порядка 10 мс, объем передаваемых данных за цикл – от одного до нескольких десятков байт. Примерами этих сетей являются ASI и Profibus DP;

– ЛПС для уровня производственного процесса (field level) – объединение промышленных контроллеров для сбора, обработки информации и управления технологическим процессом. Сеть может объединять сотни узлов и предназначена для передачи больших объемов данных (цикл шины – порядка 100 мс). Примерами таких сетей являются Profibus FMS и Bitbus.

Основой работы ЛПС служит стандарт, разработанный Международной организацией по стандартизации (International Standards Organization – ISO), описывающий правила соединения аппаратных и программных средств в единую систему. Он носит название модели взаимодействия открытых систем – (Open System Interconnection – OSI). Как правило, производители сетевого оборудования определяют свои изделия в терминах OSI-модели.

Архитектура OSI-модели делится на семь независимых уровней. В соответ-

ствии с этим передача информации в сети сводится до семи подзадач, соответствующих определенным уровням модели. OSI-модель определяет назначение и правила взаимодействия уровней. Отдельные уровни различаются по специфике выполненных процессов и по технологиям реализации. Каждый уровень обеспечивает полный набор услуг для уровня, расположенного выше.

В табл. 1.2 показаны конкретные примеры реализации всех семи уровней OSI-модели. Нижние два уровня: физический и канальный – реализуются аппаратно-программным способом, остальные пять – в основном программным. Так, сетевой уровень реализуется драйверами операционной системы, а также аппаратными и программными средствами маршрутизаторов. Верхние четыре уровня реализуются средствами сетевой операционной системы.

 

Таблица 1.2 – Примеры реализации уровней OSI-модули

 

Уровень	Название	Назначение
1	Физический	Физическое (механическое и электрическое) соединение среды передачи данных
2	Канальный	Передача по физическому адресу в сети, доступ к среде передачи данных
3	Сетевой	Логическое адресация и маршрутизация
4	Транспортный	Прозрачная передача пакетов данных по сети
5	Сеансовый	Управление диалогом между устройствами сети
6	Представительский	Преобразование данных при передаче информации между устройствами с различными форматами данных
7	Прикладной	Предоставление сетевого сервиса для программ пользователя

 

При передаче информации между прикладными программами, находящимися на различных узлах сети, передаваемая информация проходит вниз через все уровни системы и преобразуется к виду, который пригоден для передачи по физическим каналам связи. После доставки по требуемым адресу информация проходит через все уровни наверх и превращается в исходный вид.

Более подробно рассмотрим каждый уровень.

Физический уровень реализует физическое управление и относится к физической цепи, по которому передаются биты информации, например, телефонной. На этом уровне модель OSI определяет физические, электрические, функциональные и процедурные характеристики цепей связи, а также требования к сетевым адаптерам и модемам.

Канальный уровень осуществляет управление звеном сети (каналом) и относится к пересылке блоков (совокупности битов) информации по физическому звену. Осуществляет такие процедуры управления, как определение начала и конца блока, выявление ошибок передачи, адресация сообщений и др. Канальный уровень определяет правила совместного использования сетевых аппаратных средств компьютерами сети.

Сетевой уровень относится к виртуальному (мнимому) уровню цепи, который не обязан существовать физически. С помощью интерфейса, обеспечиваемого этим уровнем, удается «спрятать» сложности управления передачей на физическом уровне. Программные средства данного уровня обеспечивают определение маршрута пакетов в сети. Маршрутизаторы, обеспечивающие поиск оптимального маршрута на основе анализа адресной информации, функционируют на сетевом уровне модели OSI. В качестве более простого маршрутного устройства между сегментами сети или различными локальными сетями может выступать и устройство, которое называется мостом, функционирующем на более низком канальном уровне модели OSI.

Транспортный уровень. Первые три уровня образуют общую сеть, которую коллективно могут использовать многие пользователи. На транспортном уровне контролируется очередность пакетов сообщений и их принадлежность. Таким образом, в процессе обмена между компьютерами поддерживается виртуально связь, аналогичная телефонной коммутации.

Сеансовый уровень. В некоторых случаях трудно организовать процесс взаимодействия между пользователями из-за обилия способов такого взаимодействия. Для устранения этих трудностей на данном уровне координируются и стандартизируются процессы установления сеанса, управления передачей и приемом пакетов сообщений, завершение сеанса. На сеансовом уровне между компьютерами устанавливается и завершается виртуальная связь по такому же принципу, как при голосовой телефонной связи.

Представительный уровень. Программные средства этого уровня выполняют преобразования данных с внутреннего формата компьютера, который передает во внутренний формат компьютера-получателя, если эти форматы отличаются друг от друга (например, IBM PC и DEC). Данный уровень включает функции, относящиеся к используемому набору символов, кодированию данных и способам представления данных на экранах дисплеев или печати. Кроме конвертирования форматов на данном уровне осуществляется сжатие передаваемых данных и их распаковка.

Прикладной уровень относится к функциям, которые обеспечивают поддержку пользователе на более высоком прикладном и системном уровнях, например:

– организацию доступа к общим сетевым ресурсам информации, дисковой памяти, программным приложениям, внешним устройствам (принтерам, стримерам и др.);

– общее управление сетью (управление конфигурацией, разграничение доступа к общим ресурсам сети, восстановление работоспособности после сбоев и отказов, управление производительностью);

– передачу электронных сообщений, включая электронную почту;

– организацию электронных конференций;

– диалоговые функции высокого уровня.

Модель OSI представляет собой стандартизированный каркас и общие рекомендации. Требования же к определенным компонентам сетевого программного обеспечения задаются протоколами.

Локальные промышленные сети, как правило, реализуют физический, канальный и прикладной уровни OSI-модели, остальные уровни в большинстве случаев излишни.