Розуміння роботи мереж на базовому рівні має дуже важливе значення для кожного адміністратора сервера чи веб-майстра. Це необхідно для правильного налаштуванняваших сервісів у мережі, а також легкого виявлення можливих проблемта вирішення неполадок.

У цій статті ми розглянемо загальні концепції мереж інтернету, обговоримо основну термінологію, найпоширеніші протоколи, а також характеристики та призначення кожного рівня мереж. Тут зібрана тільки теорія, але вона буде корисна початківцям адміністраторам і всім, хто цікавиться.

Перед тим як обговорювати основи Інтернету, нам потрібно розібратися з деякими загальними термінами, які часто використовуються фахівцями та зустрічаються в документації:

З'єднання- в мережах з'єднання означає можливість передавати дані між пристроями. Перед початком передачі даних має відбутися з'єднання, параметри якого описані протоколом;
Пакет- це основний структурний блок даних у мережі. Усі дані передаються як пакетів, великі дані поділяються на невеликі пакети, фіксованого розміру. У кожному пакеті є заголовок, в якому знаходиться інформація про дані, пункт призначення, відправник, рядок життя пакета, час відправлення і т д;
Мережевий інтерфейс- це фізичне або віртуальний пристрій, що дозволяє комп'ютеру підключитися до мережі. Якщо у вас є дві карти на комп'ютері, то ви можете налаштувати мережний інтерфейс для кожної з них. Також мережний інтерфейс може бути віртуальним, наприклад локальний інтерфейс lo;
LAN- це ваша локальна мережа, до неї підключені лише ваші комп'ютери і більше ніхто не має доступу до неї. Це може бути ваша домашня чи офісна мережа;
WAN- це глобальна мережа інтернет, зазвичай цей термін застосовується для позначення всієї мережі інтернет, також цей термін може належати до мережного інтерфейсу;
Протокол- Набір правил та стандартів, які визначають команди та спосіб комунікації між пристроями. Існує безліч протоколів, і ми їх розглянемо нижче. Найпопулярніші з них – це TCP, UDP, IP та ICMP, також є протоколи мережі інтернет вищого рівня, наприклад, HTTP та FTP;
Порт- Це адреса на комп'ютері, який пов'язаний із певною програмою. Це не мережний інтерфейс і місцезнаходження. За допомогою портів програми можуть спілкуватись між собою;
Брандмауер- це програмне забезпечення, яке контролює все мережеві пакети, що проходять через комп'ютер. Пакети, що проходять, обробляються на основі правил, створених користувачем. Також брандмауер може закривати певні порти, щоб зробити комп'ютер більш безпечною;
NAT-це служба перетворення мережевих адресміж локальною та глобальною мережею. Кількість вільних мережевих адрес у мережі зменшується, тому необхідно знайти рішення, і рішенням стало створення локальних мереж, де кілька комп'ютерів можуть мати одну IP адресу. Усі пакети приходять на роутер, а він вже потім за допомогою NAT розподіляє їх між комп'ютерами.
VPN- це віртуальна приватна мережаЗа допомогою неї можна об'єднати кілька локальних мереж через мережу інтернет. Використовується здебільшого для забезпечення безпеки.

Ви можете знайти набагато більше термінів, але тут ми перерахували всі основні, які зустрічатимуться найчастіше.

Рівні мереж та модель OSI

Зазвичай, мережі обговорюються у горизонтальній площині, розглядаються протоколи мережі Інтернет верхнього рівня та програми. Але для встановлення з'єднань між двома комп'ютерами використовується безліч вертикальних шарів та рівнів абстракції. Це означає, що існує кілька протоколів, які працюють один поверх одного для реалізації мережного з'єднання. Кожен наступний, більш високий шар абстрагує дані, що передаються, і робить їх простіше для сприйняття наступним шаром, і в кінцевому підсумку додатком.

Існує сім рівнів чи верств роботи мереж. Нижні рівні будуть відрізнятися залежно від використовуваного вами обладнання, але дані будуть передаватися одні й ті самі і будуть мати той самий вигляд. На іншу машину дані завжди передаються на найнижчому рівні. На іншому комп'ютері дані проходять усі шари у зворотному порядку. На кожному з шарів до даних додається своя інформація, яка допоможе зрозуміти, що робити з цим пакетом на віддаленому комп'ютері.

Модель OSI

Так склалося історично, коли справа доходить до рівнів роботи мереж, використовується модель OSI або Open Systems Interconnect. Вона виділяє сім рівнів:

Рівень додатків- Найвищий рівень, представляє роботу користувача та додатків з мережею Користувачі просто передають дані і не замислюються про те, як вони будуть передаватися;
Рівень вистави- дані перетворюються на більш низькорівневий формат, щоб бути такими, якими їх очікують отримати програми;
Рівень сесії- на цьому рівні обробляються з'єднання між віддаленим комп'ютерамта, які будуть передавати дані;
Транспортний рівень- на цьому рівні організовується надійна передача даних між комп'ютерами та перевірка отримання обома пристроями;
Мережевий рівень- використовується для управління маршрутизацією даних у мережі доки вони не досягнуть цільового вузла. На цьому рівні пакети можуть бути розбиті на дрібніші частини, які будуть зібрані одержувачем;
Рівень з'єднання- відповідає за спосіб встановлення з'єднання між комп'ютерами та підтримки його надійності за допомогою існуючих фізичних пристроїв та обладнання;
Фізичний рівень- відповідає за обробку даних фізичними пристроями, включає програмне забезпечення, яке управляє з'єднанням на фізичному рівні, наприклад, Ehternet або Wifi.

Як бачите, перед тим, як дані потраплять до апаратного забезпеченняїм потрібно пройти безліч верств.

Модель протоколів TCP/IP

Модель TCP/IP, ще відома як набір основних протоколів інтернету, дозволяє уявити рівні роботи мережі більш просто. Тут є лише чотири рівні, і вони повторюють рівні OSI:

Програми- у цій моделі рівень програм відповідає за з'єднання та передачу даними між користувачам. Програми можуть бути у віддалених системах, але вони працюють начебто перебувають у локальній системі;
Транспорт- Транспортний рівень відповідає за зв'язок між процесами, тут використовуються порти для визначення якому додатку потрібно передати дані та який протокол використовувати;
Інтернет- на цьому рівні дані передаються від вузла до вузла через Інтернет. Тут відомі кінцеві точки з'єднання, але не реалізується безпосередній зв'язок. Також на цьому рівні визначаються IP-адреси;
З'єднання- цей рівень реалізує з'єднання фізично, що дозволяє пристроям передавати між собою дані незалежно від того, які технології використовуються.

Ця модель менш абстрактна, але мені вона більше подобається і її простіше зрозуміти, оскільки вона прив'язана до технічних операцій, що виконуються програмами. За допомогою кожної з цих моделей можна припустити, як насправді працює мережа. Фактично є дані, які перед тим, як будуть передані, упаковуються за допомогою декількох протоколів, передаються через мережу через кілька вузлів, а потім розпаковуються у зворотному порядку одержувачем. Кінцеві програми можуть і не знати, що дані пройшли через мережу, для них все може виглядати ніби обмін здійснювався на локальній машині.

Основні протоколи інтернету

Як я вже сказав. в основі роботи мережі лежить використання кількох протоколів, які працюють один поверх іншого. Давайте розглянемо основні мережеві протоколи інтернет, які вам часто зустрічатимуться, і спробуємо зрозуміти різницю між ними.

MAC або (Media Access Control)- це протокол низького рівня, який використовується для ідентифікації пристроїв у локальній мережі. Кожен пристрій, підключений до мережі, має унікальну MAC адресу, задану виробником. У локальних мережах, а всі дані виходять з локальної мережі і потрапляють у локальну мережу перед тим, як потрапити до одержувача, використовуються фізичні адреси MAC для позначення пристроїв. Це один із небагатьох протоколів рівня з'єднання, з яким досить часто доводиться стикатися.
IP (Internet Protocol)- Розташований рівнем вище, за MAC. Він відповідає за визначення IP-адрес, які будуть унікальними для кожного пристрою і дозволяють комп'ютерам знаходити один одного в мережі. Він належить до рівня мережі TCP/IP. Мережі можуть бути пов'язані один з одним у складні структури, за допомогою цього протоколу комп'ютери можуть визначити кілька можливих шляхів цільового пристрою, причому під час роботи ці шляхи можуть змінюватися. Є кілька реалізацій протоколу, але найпопулярнішою на сьогоднішній день є IPv4 та IPv6.
ICMP (Internet control message protocol)- Використовується для обміну повідомленнями між пристроями. Це можуть бути повідомлення про помилки або інформаційні повідомленняале він не призначений для передачі даних. Такі пакети використовуються у таких діагностичних інструментах, як ping та traceroute. Цей протокол знаходиться вище за протокол IP;
TCP (Transmission control protocol)- це ще один основний мережевий протокол, який знаходиться на тому ж рівні, що й ICMP. Його завдання – управління передачею даних. Мережі ненадійні. Через велику кількість шляхів пакети можуть приходити не так чи навіть губитися. TCP гарантує, що пакети будуть прийняті правильно, а також дозволяє виправити помилки передачі пакетів. Інформація наводиться до правильного порядку, а потім передається додатку. Перед передачею даних створюється з'єднання з допомогою так званого алгоритму потрійного рукостискання. Він передбачає надсилання запиту та підтвердження відкриття з'єднання двома комп'ютерами. Багато додатків використовують TCP, це SSH, WWW, FTP та багато інших.
UDP (User Datagram Protocol)– це популярний протокол, схожий на TCP, який також працює на транспортному рівні. Відмінність між ними полягає в тому, що тут використовується ненадійна передача даних. Дані не перевіряються при отриманні, це може бути поганою ідеєю, але в багатьох випадках цього цілком достатньо. Оскільки потрібно відправляти менше пакетів, UDP працює швидше за TCP. Оскільки з'єднання встановлювати не потрібно, цей протокол може використовуватися для відправки пакетів відразу на кілька машин або IP телефонії.
HTTP (hypertext transfer protocol)- це протокол рівня програми, який є основою роботи всіх сайтів інтернету. HTTP дозволяє запитувати певні ресурси віддаленої системи, наприклад, веб-сторінки, і файли;
FTP (file transfer protocol)- Це протокол передачі файлів. Він працює на рівні програм та забезпечує передачу файлу від одного комп'ютера до іншого. FTP – не безпечний, тому не рекомендується його застосовувати для особистих даних;
DNS (domain name system)- Протокол того ж рівня, що використовується для перетворення зрозумілих і легко читаються адрес в складні IP адреси, які важко запам'ятати і навпаки. Завдяки йому ми можемо отримати доступ до сайту на його доменного імені;
SSH (secure shell)- Протокол рівня додатків, реалізований для забезпечення віддаленого керуваннясистемою захищеного каналу. Багато додаткових технологій використовують цей протокол для своєї роботи.

Є ще багато інших протоколів, але ми розглянули лише мережеві протоколи, які найбільше важливі. Це дасть вам загальні поняття того, як працює мережа та інтернет загалом.

Висновки

У цій статті ми розглянули основи мереж та протоколів, які використовуються для організації їхньої роботи. Звичайно, це зовсім недостатньо, щоб зрозуміти все, але тепер у вас є певна база і ви знаєте як різні компоненти взаємодіють один з одним. Це допоможе вам розуміти інші статті та документацію. Якщо вас серйозно зацікавили основи Інтернету, то тут не вистачить кількох статей. Вам потрібна книга. Зверніть увагу на Камер Д. Мережі TCP/IP. Принципи, протоколи та структура. Свого часу я її прочитав і мені дуже сподобалося.

На завершення відео про модель OSI:

Трохи теорії. Протоколи передачі даних— це набори угод (вважай стандарти), які регулюють обмін даними між різними програмами. Сенс протоколів передачі у тому, щоб цю саму передачу упорядкувати і зробити незалежної від апаратної платформи (тобто. від якоїсь однієї конкретної «железяки»).

Протокол не слід плутати з інтерфейсом підключення і взагалі з фізичним рівнем (хоча такий термін і зустрінеться нам у даній моделі). Протокол це рівень логічний.

Мережеві протоколи

Мережеві протоколи регулюють обмін зв'язку між двома приєднаними до мережі пристроями. Взагалі, що ми в цьому випадку маємо на увазі під мережею? З'єднання комп'ютера та монітора це мережа? Ні, оскільки в цьому випадку монітор — це виводи. Відбувається виведення інформації на екран, але не обмін нею. Відповідно, під мережею ми маємо на увазі зв'язок двох і більше пристроїв, здатних зберігати та обробляти інформацію.

Найчастіше мережеві протоколи класифікують за моделлю OSI (Open Systems Interconnection Basic Reference Model). Модель складається із семи рівнів та спрощує розуміння функціонування мережі. Рівні знаходяться вертикально один над одним. Рівні взаємодіють один з одним по вертикалі через інтерфейси і можуть взаємодіяти з паралельним рівнем іншої системи по горизонталі за допомогою протоколів. Кожен рівень може взаємодіяти лише зі своїми сусідами та із собі подібним.

Неважко здогадатися, що прикладний рівень є найвищим (сьомим), а фізичний лежить в основі основ (перший рівень).

Ходімо знизу вгору.

1. Фізичний рівень— на цьому рівні працюють хаби та ретралятори сигналу. Тут здійснюється передача даних про проводи або бездротовим шляхом. Відбувається кодування сигналу. Здійснюється стандартизація мережного інтерфейсу (наприклад, роз'єм RJ-45).

2. Канальний рівень- Рівень комутаторів, мостів і драйверів мережевих карт. Дані упаковуються у кадри, перевіряються помилки та дані відправляються на мережевий рівень.

Протоколи: Ethernet, FDDI, PPP, PPTP, L2TP, xDSL та ін.

3. Мережевий рівень— тут визначається шлях передачі, визначається найкоротший маршрут, відбувається контроль несправностей мереж. Це рівень маршрутизаторів.

Протоколи: IPv4, IPv6, ARP, ICMP.

4. Транспортний рівеньвідповідає за механізм передачі. Блоки даних розбиваються на фрагменти, уникають втрати та дублювання.

Протоколи: TCP, UDP, RDP, SPX, SCTP та ін.

5. Сеансовий рівеньвідповідає за підтримку сеансу зв'язку. Створення та завершення сеансу, права передачі даних та підтримка сеансу в момент неактивності програм – все відбувається на цьому рівні.

Протоколи: SSL, NetBIOS.

6. Рівень уявленнязаймається кодуванням та декодуванням даних. Дані з програми перетворюються на формат для транспортування по мережі, а ті, що прийшли з мережі, у формат, зрозумілий додатку.

Протоколи: FTP, SMTP, Telnet, NCP, ASN.1 та ін.

7. Прикладний рівень- Це рівень взаємодії мережі та користувача. На цьому рівні різні програми, якими користується людина, набувають доступу до мережі.

Протоколи: , HTTPS, FTP, POP3, XMPP, DNS, SIP, Gnutella та ін.

Популярні протоколи

HTTP, HTTPS - протоколи передачі гіпертексту. Використовується при пересиланні веб-сторінок.

FTP – протокол передачі файлів. Використовується для обміну даними між комп'ютерами, деякі з них відіграють роль спеціальних сховищ файлів – файлових серверів.

POP – протокол поштового з'єднання. Призначений для обробки запитів на отримання пошти від поштових програм користувача.

SMTP — це поштовий протокол, який відповідає за правила надсилання повідомлень.

Telnet – протокол віддаленого доступу.

TCP — це мережевий протокол, який відповідає за передачу даних у мережі Інтернет.

Ethernet - протокол, що визначає стандарти мережі на фізичному та канальному рівнях.

Протоколи зв'язку в АСУ ТП

У сучасних системах автоматизації, внаслідок постійної модернізації виробництва, все частіше трапляються завдання побудови розподілених промислових мереж із використанням гнучких протоколів передачі.

Минули ті часи, коли десь в апаратній ставилася величезна шафа з обладнанням, до неї тяглися кілометри товстих пучків кабелів, що ведуть до датчиків та виконавчих механізмів. Сьогодні, в переважній більшості випадків, набагато вигідніше встановити кілька локальних контролерів, об'єднаних в єдину мережу, тим самим заощадивши на установці, тестуванні, введенні в експлуатацію та технічне обслуговуванняпорівняно із централізованою системою.

Для організації промислових мереж використовується безліч інтерфейсів і протоколів передачі даних, наприклад Modbus, Ethernet, CAN, HART, PROFIBUS та ін. Вони необхідні передачі даних між датчиками, контролерами і виконавчими механізмами (ІМ); калібрування датчиків; живлення датчиків та ІМ; зв'язку нижнього та верхнього рівнівАСУ ТП. Протоколи розробляються з урахуванням особливостей виробництва та технічних систем, забезпечуючи надійне з'єднанняі високу точність передачі між різними пристроями. Поряд з надійністю роботи в жорстких умовахвсе більш важливими вимогами в системах АСУ ТП стають функціональні можливості, гнучкість у побудові, простота інтеграції та обслуговування, відповідність до промислових стандартів.

Найбільш поширеною системою класифікації мережевих протоколів є теоретична модель OSI ( базова еталонна модельвзаємодії відкритих систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model). Специфікацію цієї моделі було остаточно прийнято у 1984 році Міжнародною Організацією зі Стандартизації (ISO). Відповідно до моделі OSI протоколи діляться на 7 рівнів, розташованих один над одним, за своїм призначенням - від фізичного (формування та розпізнавання електричних або інших сигналів) до прикладного (API для передачі інформації додатками). Взаємодія між рівнями може здійснюватися як вертикально, так і горизонтально (Рис. 1). У горизонтальній взаємодії програмам потрібен загальний протокол обміну даними. У вертикальному – за допомогою інтерфейсів.

Мал. 1. Теоретична модель OSI.

Прикладний рівень

Прикладний рівень - рівень додатків ( англ. Application layer). Забезпечує взаємодію мережі та програм користувача, що виходять за рамки моделі OSI. На цьому рівні використовуються такі протоколи: HTTP, Gopher, Telnet, DNS, SMTP, SNMP, CMIP, FTP, TFTP, SSH, IRC, AIM, NFS, NNTP, NTP, SNTP, XMPP, FTAM, APPC, X.400, X .500, AFP, LDAP, SIP, ITMS, Modbus TCP, BACnet IP, IMAP, POP3, SMB, MFTP, BitTorrent, eD2k, PROFIBUS.

Представницький рівень

Представницький рівень ( англ. Presentation layer) - рівень подання даних. На цьому рівні може здійснюватись перетворення протоколів та стиснення/розпакування або кодування/декодування даних, а також перенаправлення запитів іншому мережному ресурсу, якщо вони не можуть бути оброблені локально. Запити програм, отримані з рівня додатків, він перетворює на формат передачі через мережу, а отримані з мережі дані перетворює на формат, зрозумілий додаткам. До цього рівня зазвичай належать такі протоколи: HTTP, ASN.1, XML-RPC, TDI, XDR, SNMP, FTP, Telnet, SMTP, NCP, AFP.

Сеансовий рівень

Сеансовий рівень ( англ. Session layer) керує створенням/завершенням сеансу зв'язку, обміном інформацією, синхронізацією завдань, визначенням права на передачу даних та підтримкою сеансу в періоди неактивності додатків. Синхронізація передачі забезпечується поміщенням потік даних контрольних точок, починаючи з яких відновлюється процес при порушенні взаємодії. Використовувані протоколи: ASP, ADSP, DLC, Named Pipes, NBT, NetBIOS, NWLink, Printer Access Protocol, Zone Information Protocol, SSL, TLS, SOCKS.

Транспортний рівень

Транспортний рівень ( англ. Transport layer) організовує доставку даних без помилок, втрат та дублювання в тій послідовності, як вони були передані. Поділяє дані на фрагменти рівної величини, поєднуючи короткі та розбиваючи довгі (розмір фрагмента залежить від протоколу, що використовується). Використовувані протоколи: TCP, UDP, NetBEUI, AEP, ATP, IL, NBP, RTMP, SMB, SPX, SCTP, DCCP, RTP, TFTP.

Мережевий рівень

Мережевий рівень ( англ. Network layer) визначає шляхи передачі даних. Відповідає за трансляцію логічних адрес та імен у фізичні, за визначення найкоротших маршрутів, комутацію та маршрутизацію, за відстеження неполадок та заторів у мережі. Використовуються протоколи: IP, IPv6, ICMP, IGMP, IPX, NWLink, NetBEUI, DDP, IPSec, ARP, RARP, DHCP, BootP, SKIP, RIP.

Канальний рівень

Канальний рівень ( англ. Data link layer) призначений для забезпечення взаємодії мереж фізично. Отримані з фізичного рівня дані перевіряє на помилки, якщо потрібно виправляє, пакує у кадри, перевіряє на цілісність, і відправляє на мережевий рівень. Канальний рівень може взаємодіяти з одним чи кількома фізичними рівнями. Специфікація IEEE 802 розділяє цей рівень на 2 підрівні - MAC (Media Access Control) регулює доступ до фізичного середовища, що розділяється, LLC (Logical Link Control) забезпечує обслуговування мережевого рівня. Використовувані протоколи: STP, ARCnet, ATM, DTM, SLIP, SMDS, Ethernet, FDDI, Frame Relay, LocalTalk, Token ring, StarLan, L2F, L2TP, PPTP, PPP, PPPoE, PROFIBUS.

Фізичний рівень

Фізичний рівень ( англ. Physical layer) призначений безпосередньо передачі потоку даних. Здійснює передачу електричних або оптичних сигналів в кабель або радіоефір і, відповідно, їх прийом і перетворення в біти даних відповідно до методів кодування цифрових сигналів. Використовувані протоколи: RS-232, RS-422, RS-423, RS-449, RS-485, ITU-T, xDSL, ISDN, T1, E1, 10BASE-T, 10BASE2, 10BASE5, 100BASE-T, 1000 , 1000BASE-TX, 1000BASE-SX.

Як ви могли помітити, багато протоколів згадуються відразу на кількох рівнях. Це говорить про недопрацьованість та віддаленість теоретичної моделі від реальних мережевих протоколів, тому прив'язка деяких із них до рівнів OSI є умовною.

У світовій практиці, серед мереж загального застосування, найпоширеніший протокол HTTP (англ. HyperText Transfer Protocol - "протокол передачі гіпертексту"). Належить до прикладного та представницького рівнів теоретичної моделі OSI. HTTP базується на технології «клієнт-сервер», тобто існує споживач (клієнт), який ініціює з'єднання та надсилає запит, і постачальник (сервер), який чекає на з'єднання для отримання запиту, здійснює необхідні дії та повертає назад повідомлення з результатом. Основним типом НТТР-клієнта є браузер, наприклад Mozilla Firefox, Opera або Microsoft Internet Explorer. HTTP в даний час повсюдно використовується в Всесвітнього павутиннядля отримання інформації із веб-сайтів.

Мал. 2. Технологія клієнт сервер.

На базі HTTP розроблено розширені протоколи: HTTPS ( англ. Hypertext Transfer Protocol Secure), що підтримує шифрування, та HTTP-NG ( англ. HTTP Next Generation), що збільшує швидкодію Web і розширює можливості промислового застосування.

Позитивні сторони:простота розробки клієнтських програм, можливість розширення протоколу шляхом додавання власних заголовків, поширеність протоколу.

Негативні сторони: великий розмірповідомлень, порівняно з двійковими даними, відсутність навігації у ресурсах сервера, неможливість використання розподілених обчислень.

створення віддалених диспетчерських пунктів, Web-програми для SCADA систем, програмне забезпечення промислових контролерів, організація відеоспостереження.

На сьогоднішній день протокол HTTP та його модифікації підтримуються обладнанням та програмним забезпеченням більшості виробників. Розглянемо деякі з них.

В обладнанні компанії Korenix серій JetNet, JetRock, JetPort, JetI/O, JetBox (побудова мереж на базі промислового Ethernet), JetWave ( бездротові рішення) протоколи сімейства HTTP використовуються для організації доступу, конфігурування та керування пристроями.

Компанія ICPDAS для роботи з протоколом HTTP пропонує наступне обладнання та програмне забезпечення. Контролери серії ХРАК, WinPAC, WinCon, LinPAC, ViewPAC працюють під управлінням операційних систем Windowsта Linux, із вбудованим HTTP-сервером. Програмні пакети InduSoft (SCADA), ISaGRAF, Web HMI, VXCOMM, MiniOS7 Studio також використовують HTTP-сервер для зв'язку та взаємодії з пристроями.

Керовані комутатори, вбудовані комп'ютери, обладнання промислових бездротових мереж, Виробництва компанії Моха, не обходяться без використання протоколів сімейства HTTP.

Мал. 3. Сумісність протоколів сімейства Modbus.

Для організації взаємодії між елементами автоматизації у промислових мережах передачі широко застосовується комунікаційний протокол Modbus. Існують три основні реалізації протоколу Modbus, дві для передачі даних по послідовним лініях зв'язку, як мідним EIA/TIA-232-E (RS-232), EIA-422, EIA/TIA-485-A (RS-485), так і оптичним і радіо: Modbus RTU та Modbus ASCII, і для передачі даних по мереж Ethernetповерх TCP/IP: Modbus TCP.

Відмінність між протоколами Modbus ASCII та Modbus RTU полягає у способі кодування символів. У режимі ASCII дані кодуються за допомогою таблиці ASCII, де кожному символу відповідає два байти даних. У режимі RTU дані передаються у вигляді 8-розрядних двійкових символів, що забезпечує більш високу швидкість передачі даних. ASCII допускає затримку до 1 секунди на відміну від RTU, де повідомлення мають бути безперервними. Також режим ASCII має спрощену систему декодування та управління даними.

Протоколи сімейства Modbus (Modbus ASCII, Modbus RTU та Modbus TCP/IP) використовують один прикладний протокол, що дозволяє забезпечити їхню сумісність. Максимальна кількістьмережевих вузлів у мережі Modbus - 31. Протяжність ліній зв'язку та швидкість передачі даних залежить від фізичної реалізації інтерфейсу. Елементи мережі Modbus взаємодіють, використовуючи клієнт-серверну модель, засновану на транзакціях, що складаються із запиту та відповіді.

Зазвичай у мережі є лише один клієнт, так званий, «головний» (англ. master) пристрій, і кілька серверів - «підлеглих» (slaves) пристроїв. Головний пристрій ініціює транзакції (передає запити). Підлеглі пристрої передають дані, що запитуються головним пристроєм, або роблять запитані дії. Головний може адресуватися індивідуально до підлеглого або ініціювати передачу широкомовного повідомлення всім підлеглих пристроїв. Підлеглий пристрій формує повідомлення та повертає його у відповідь на запит, адресований саме йому.

Області промислового застосування:

Простота застосування протоколів сімейства Modbus у промисловості зумовило його поширення. На сьогоднішній день обладнання практично всіх виробників підтримує протоколи Modbus.

Компанія ICPDAS пропонує широкий спектр комунікаційного обладнання для організації мереж на базі протоколів сімейства Modbus: серія I-7000 (шлюзи DeviceNet, сервери Modbus, комунікаційні контролери, що адресуються); програмовані контролери серій ХРАК, WinPAC, WinCon, LinPAC, ViewPAC.

Операторські панелі виробництва Weintek, частотні перетворювачі Control Techniques для зв'язку з контролерами також використовують протокол Modbus.

Традиційно протоколи сімейства Modbus підтримуються OPC серверами SCADA систем (Clear SCADA, Control Microsystems, InTouch Wonderware, TRACE MODE) для зв'язку з елементами управління (контролерами, ЧРП, регуляторами та інших.).

Мал. 4. Мережа Profibus.

У Європі стала вельми поширеною відкрита промислова мережу PROFIBUS (PROcess FIeld BUS). Спочатку прототип цієї мережі був розроблений компанією Siemens для своїх промислових контролерів.

PROFIBUS поєднує технологічні та функціональні особливості послідовного зв'язку польового рівня. Вона дозволяє поєднувати розрізнені пристрої автоматизації в єдину систему на рівні датчиків та приводів. Мережа PROFIBUS ґрунтується на кількох стандартах і протоколах, використовує обмін даними між провідним та веденими пристроями (протоколи DP та PA) або між кількома провідними пристроями (протоколи FDL та FMS).

Мережа PROFIBUS можна асоціювати із трьома рівнями моделі OSI: фізичний, канальний та рівень додатків.

Єдиним протоколом доступу до шини всім версій PROFIBUS є реалізований на другому рівні моделі OSI протокол PROFIBUS-FDL. Цей протоколвикористовує процедуру доступу за допомогою маркеру (token). Так само, як і мережі на базі протоколів Modbus, мережа PROFIBUS складається з провідних (master) та ведених (slave) пристроїв. Провідний пристрій може керувати шиною. Коли провідний (master) пристрій має право доступу до шини, він може передавати повідомлення без віддаленого запиту. Ведені пристрої – це звичайні периферійні пристрої, не мають прав доступу до шини, тобто вони можуть лише підтверджувати повідомлення, що приймаються, або передавати повідомлення провідному пристрою на його запит. У мінімальній конфігурації мережа може складатися або з двох провідних або з одного ведучого і одного веденого пристрою.

Одні й самі канали зв'язку мережі PROFIBUS допускають одночасне використання кількох протоколів передачі. Розглянемо кожен із них.

PROFIBUS DP (Decentralized Peripheral - Розподілена периферія) — протокол, орієнтований забезпечення швидкісного обміну даними між провідними DP-пристроями і пристроями розподіленого ввода-вывода. Протокол характеризується мінімальним часом реакції та високою стійкістю до дії зовнішніх електромагнітних полів. Оптимізовано для високошвидкісних та недорогих систем.

PROFIBUS PA (Process Automation - Автоматизація процесу) - протокол обміну даними з обладнанням польового рівня, розташованим у звичайних або вибухонебезпечних зонах. Протокол дозволяє підключати датчики та приводи на одну лінійну шину або кільцеву шину.

PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification – Специфікація повідомлень польового рівня) – універсальний протокол для вирішення завдань з обміну даними між інтелектуальними мережевими пристроями (контролерами, комп'ютерами/програматорами, системами людино-машинного інтерфейсу) на польовому рівні. Деякий аналог промислового Ethernet зазвичай використовується для високошвидкісного зв'язку між контролерами і комп'ютерами верхнього рівня.

Всі протоколи використовують однакові технології передачі даних та загальний метод доступу до шини, тому вони можуть функціонувати на одній шині.

Позитивні сторони:відкритість, незалежність від постачальника, поширеність.

Області промислового застосування:організація зв'язку датчиків та виконавчих механізмів з контролером, зв'язок контролерів та керуючих комп'ютерів, зв'язок з датчиками, контролерами та корпоративними мережами, у SCADA системах.

Основну масу обладнання, що використовує протокол PROFIBUS, складає обладнання компанії SIEMENS. Але в Останнім часомцей протокол отримав застосування у більшості виробників. Певною мірою це зумовлено поширеністю систем управління з урахуванням контролерів Siemens.

Мал. 5. Мережа Profibus з урахуванням устаткування ICP DAS.

Компанія ICPDAS для реалізації проектів на базі PROFIBUS пропонує ряд провідних пристроїв: шлюзи PROFIBUS/Modbus серії GW, перетворювачі PROFIBUS в RS-232/485/422 серії I-7000, модулі та каркаси віддаленого вводу/виводу PROFIBUS серії PROFIBUS. В даний час інженерами компанії ICPDAS ведуться інтенсивні розробки в галузі створення PROFIBUS провідного пристрою.

Насамперед визначимо області застосування каналів передачі в електроенергетиці і завдання, які вирішуються з допомогою. В даний час до основних областей застосування систем передачі даних можна віднести системи релейного захисту та автоматики (РЗА), диспетчерського та автоматизованого технологічного управлінняелектроенергетичними об'єктами (АСТУ), а також системи автоматизованого обліку енергоресурсів. У межах цих систем вирішуються такі:

Системи АСТУ

Передача даних між локальними пристроямителемеханіки (ТМ), пристроями РЗА та центральною приймальною станцією (ЦППС).
Передача даних між об'єктом та диспетчерським центром.
Передача даних між диспетчерськими центрами

Системи обліку

Передача даних від приладів обліку до пристроїв збору та передачі даних (УСПД).
Передача даних від УСПД на сервер.

У частині систем РЗА можна відзначити таке: незважаючи на те, що збір даних з пристроїв РЗА в АСТУ в цифровому форматі став впроваджуватися з появи цифрових пристроїв РЗА, зв'язки між пристроями, як і раніше, організуються аналоговими ланцюгами.

У РЗА системи передачі можуть виконувати такі функции:

Передача дискретних сигналів.
Передача даних між пристроями РЗА та ЦППЗ.

Іншим важливим каналом передачі, загальним як систем РЗА, так систем АСТУ і обліку, є канал, яким здійснюється передача вимірювань від вимірювальних трансформаторів струму і напруги. До останнього часу про впровадження цифрових протоколів зв'язку на даному рівні не йшлося, однак, маючи на увазі появу протоколу передачі миттєвих значень струму і напруги МЕК 61850-9-2, на проблемах цього інформаційного каналу також варто зупинитися.

Послідовно розглянемо кожну з перерахованих вище функцій передачі інформації та існуючі підходи до їх реалізації.

Передача вимірювань від ТТ та ТН

Передача сигналів від вимірювальних трансформаторів струму (ТТ) та напруги (ТН) здійснюється за кабелями з мідними жилами змінного струмута напруги відповідно. Для даного способухарактерні проблеми, про які досить часто згадується в літературі:

велика розгалуженість та протяжність мідних кабелів, що призводить до необхідності застосування великої кількості допоміжного обладнання (випробувальних блоків, клемників тощо) і, як наслідок, до підвищення вартості систем та складності монтажу та налагодження;
схильність вимірювальних ланцюгів до впливу електромагнітних перешкод;
складність або відсутність можливості контролю справності вимірювального каналу в темпі процесу; складність пошуку місця пошкодження;
вплив опору вимірювальних ланцюгів на точність вимірювань та необхідність узгодження потужності ТТ/ТН з опором ланцюгів та навантаженням приймача.

Передача дискретних сигналів між пристроями

Передача дискретних сигналів між пристроями зазвичай здійснюється подачею оперативної напруги за допомогою замикання вихідного реле одного пристрою дискретний вхід іншого.

Такий спосіб передачі має такі недоліки :

необхідно велике число контрольних кабелів, прокладених між шафами з апаратурою;
пристрої повинні мати велику кількість дискретних входів та виходів;
кількість переданих сигналівобмежується певною кількістю дискретних входів та виходів;
відсутня можливість контролю зв'язку між пристроями;
можливе помилкове спрацьовування дискретного входу пристрою при замиканні на землю ланцюга передачі сигналу;
ланцюги схильні до впливу електромагнітних перешкод;
складність розширення систем РЗА.

Передача даних між РЗА та ЦППЗ

Обмін даними між РЗА та ЦППЗ на об'єкті здійснюється у цифровому форматі. Однак через необхідність інтеграції великої кількості різних пристроївцей спосіб має такі особливості:

існування великої кількості різних протоколів передачі даних, причому пристрій ЦППЗ для успішної інтеграції будь-яких пристроїв має підтримувати всі ці протоколи;
відсутність єдиної системинайменування даних, що призводить до необхідності підтримання великої кількості описової документації, а також до складнощів та помилок при налагодженні;
відносно мала швидкість передачі, обумовлена наявністю великої кількості послідовних інтерфейсів.

Передача даних між ЦППЗ об'єкта та диспетчерським центром

Передача даних між об'єктом та диспетчерським центром також ведеться у цифровому форматі. Зазвичай цих цілей використовують протоколи МЕК 60870-101/104. Особливості реалізації цих систем зв'язку:

необхідність передачі даних у протоколах диспетчерського управління, як правило, від протоколів, що застосовуються на підстанції;
передача обмеженої кількості інформації, що обумовлено необхідністю перепризначення всіх сигналів з одного протоколу на інший, і, як наслідок, втрата деяких даних, передача яких на етапі проектування не була доцільною;
відсутність єдиних найменувань сигналів у рамках об'єкта та в центрах управління мережами (ЦУС), що призводить до складності налагодження та відстеження помилок.

Звернемося до рис. 1, де наведено принципова схемаорганізації передачі. Слід зазначити велика кількістьпропрієтарних (фірмових) протоколів. Широке поширення таких протоколів вимагає, по-перше, великої кількості шлюзів (конвертерів), по-друге, хорошої кваліфікації та досвіду персоналу у роботі з різними протоколами. Зрештою, це веде до ускладнення системи та проблем при експлуатації та розширенні.

Мал. 1. Схема організації передачі.

Охарактеризуємо коротко показані стандартні протоколи.

Modbus

Modbus – один із найпоширеніших мережевих протоколів для інтеграції пристроїв РЗА в систему АСТУ, побудований на архітектурі «клієнт-сервер». Популярність цього протоколу багато в чому зумовлена його відкритістю, тому більшість пристроїв підтримують цей протокол.

Протокол Modbus може застосовуватися передачі даних по послідовним лініях зв'язку RS-485, RS-433, RS-232, і навіть мережі TCP/IP (Modbus TCP).

Стандарт Modbus складається з трьох частин, що описують прикладний рівень протоколу, специфікацію канального та фізичного рівнів, а також специфікацію ADU для транспортування через стек TCP/IP.

До переваг цього стандартуслід віднести його масовість і відносну простоту реалізації систем з його основі. До недоліків – відсутність можливості оперативної сигналізації від кінцевого пристрою до майстра у разі потреби. Крім того, стандарт не дозволяє кінцевим пристроям обмінюватися фіксованими даними без участі майстра. Це суттєво обмежує застосовність MODBUS-рішень у системах регулювання реального часу.

ПЕК 60870-5-101/103/104

МЕК 60870-5-101 – протокол телемеханіки, призначений передачі сигналів ТМ в АСТУ. Він також побудований на архітектурі клієнт-сервер і призначений для передачі даних по послідовним лініях зв'язку RS-232/485.

Протокол МЕК 60870-5-104 є розширенням протоколу 101 та регламентує використання мережного доступуза протоколом TCP/IP. Стандарти МЕК 60870-5-101/104 не мають на увазі наявність семантичної моделі даних.

Протокол МЕК 60870-5-103 призначений для забезпечення можливості інтеграції в систему керування енергооб'єктом пристроїв РЗА. На відміну від стандартів МЕК 60870-5-101/104 він визначає семантику для фіксованого набору даних, що формуються пристроями РЗА. Одним із основних недоліків протоколу МЕК 60870-5-103 є відносно невисока швидкість передачі даних.

Протоколи МЕК 60870-5-101/103/104 забезпечують досить високу функціональність при вирішенні завдань телеуправління, телесигналізації та телевимірювань, інтеграції даних пристроїв у системи керування. На відміну від Modbus вони дозволяють здійснювати спорадичну передачу даних з пристроїв.

В основу протоколів, як і попередньому випадку, покладено обмін таблицями сигналів, причому типи даних, якими здійснюється обмін, жорстко фіксовані.

В цілому протоколи добре підходять для вирішення описаного вище спектру завдань, однак мають ряд недоліків:

Передача даних здійснюється на два етапи: призначення індексованих комунікаційних об'єктів на прикладні об'єкти; призначення прикладних об'єктів на змінні у прикладній базі даних чи програмі. Таким чином, відсутній семантичний зв'язок (повністю або частково) між даними, що передаються, і об'єктами даних прикладних функцій.
Протоколи не передбачають можливості передачі сигналів реального часу. При цьому під сигналами реального часу розуміються дані, які повинні передаватися в темпі процесу з мінімально можливими витримками часу, до яких відносяться, наприклад команди відключення, передача миттєвих значень струмів і напруг від вимірювальних трансформаторів. При передачі таких сигналів затримки каналі зв'язку є критичними. Зазначимо, що цей пункт не пов'язаний з можливістю синхронізації пристроїв з єдиним сервером часу, а саме щодо швидкості передачі даних між пристроями.

DNP3

У Росії цей стандарт поширений слабо, проте деякі пристрої автоматизації все ж таки підтримують його. Довгий час протокол не був стандартизований, але зараз його затверджено як стандарт IEEE-1815.

DNP3 підтримує і послідовні лінії зв'язку RS-232/485, та мережі TCP/IP. Протокол описує три рівні моделі OSI: прикладний, канальний та фізичний. Його відмінною особливістює можливість передачі як від провідного пристрою до веденого, і між веденими пристроями. DNP3 також підтримує спорадичну передачу даних від керованих пристроїв.

В основу передачі даних покладено, як і у випадку МЕК-101/104, принцип передачі таблиці значень. При цьому з метою оптимізації використання комунікаційних ресурсів ведеться посилка не всієї бази даних, лише її змінної частини.

Важливою відмінністю протоколу DNP3 від розглянутих раніше є спроба об'єктного опису моделі даних і незалежність об'єктів даних від повідомлень, що передаються. Для опису структури даних у DNP3 використовується опис XML інформаційної моделі.

В дане докладне порівняння протоколів, але ми в табл. 1 наведемо короткі витримки стосовно розглянутих вище протоколів.

Таблиця 1. Протоколи передачі

Параметр	Протокол
Параметр	Modbus	МЕК-101/103/104	DNP3
Лінії зв'язку	RS-232/485/422 TCP/IP (Modbus TCP)	RS-232/485/422 TCP/IP (104)	RS-232/485/422 TCP/IP
Архітектура	Клієнт – сервер	Клієнт – сервер	Клієнт – сервер
Принцип передачі	Обмін індексованими точками даних
Спорадична передача даних	Ні	Так	Так
Семантична модель даних	Ні	Ні Базова (103)	Так
Передача даних у режимі реального часу	Ні	Ні	Ні

Висновки

З наведеного короткого аналізу видно, що існуючі протоколи зв'язку досить успішно дозволяють реалізовувати завдання диспетчерського управління / інтеграції даних у системи управління, проте не дозволяють реалізовувати функції реального часу (такі як передача дискретних сигналів між пристроями РЗА, передача миттєвих значень струмів та напруг).

Велика кількість пропрієтарних протоколів призводить до ускладнення процесу інтеграції пристроїв у єдину систему:

Протоколи повинні підтримуватися контролером та ЦППЗ, що вимагає реалізації підтримки великої кількості протоколів в УСО та ЦППЗ одночасно і веде до подорожчання обладнання.
Для інтеграції пристроїв за пропрієтарними протоколами потрібна кваліфікація налагоджувального персоналу у роботі з кожним.
Перепризначення сигналів з пропрієтарних протоколів до загальнопромислових і назад часто призводить до втрати інформації, включаючи додаткову інформацію(Таку як мітки часу, мітки якості тощо).

При передачі даних, як і раніше, застосовується велика кількість послідовних інтерфейсів, що накладає обмеження на швидкість передачі даних, обсяг даних і кількість пристроїв, одночасно включених в інформаційну мережу.

Передача відповідальних команд управління (команди відключення вимикачів від РЗА, оперативні блокування тощо) і оцифрованих миттєвих значень струмів і напруг неможлива в цифровому форматі через непридатність існуючих протоколів зв'язку передачі інформації.

Слід зазначити, що існуючі протоколи зв'язку не пред'являють вимог до формального опису конфігурацій протоколів і сигналів, що передаються, у зв'язку з чим проектна документація на системи АСТУ містить лише опис сигналів на твердих носіях.

Основні положення під час створення стандарту МЕК 61850

Робота над стандартом МЕК 61850 почалася в 1995 році, причому спочатку велася двома незалежними, паралельно працюючими групами: одна з них, утворена UCA, займалася розробкою загальних об'єктних моделей підстанційного обладнання (GOMFSE); Друга, утворена в рамках технічного комітету 57 МЕК, займалася створенням стандарту на протокол передачі даних для підстанцій.

Пізніше, 1997 року, роботи обох груп були об'єднані під егідою робочої групи 10 ТК 57 МЕК та увійшли в основу стандарту МЕК 61850.

В основі стандарту лежать три положення:

Він має бути технологічно незалежним, тобто незалежно від технологічного прогресу стандарт повинен зазнавати мінімальних змін.
Він має бути гнучким, тобто допускати вирішення різних завдань з використанням одних і тих самих стандартизованих механізмів.
Він має бути розширюваним.

Розробка першої редакції стандарту зайняла близько 10 років. Відповідаючи поставленим вимогам, стандарт дозволяє відповідати потребам електроенергетики, що змінюються, і використовувати останні досягнення в галузі комп'ютерних, комунікаційних та вимірювальних технологій.

На сьогоднішній день МЕК 61850 складається з 25 різних документів(у тому числі розроблюваних), які охоплюють широке коло питань і роблять його набагато більшим, ніж просто специфікацією низки комунікаційних протоколів. Відзначимо основні особливості стандарту:

Визначає не тільки те, як повинен здійснюватися обмін інформацією, а й те, якою інформацією повинен здійснюватись обмін. Стандарт описує абстрактні моделі обладнання об'єкта та виконуваних функцій. Інформаційна модель, що лежить в основі стандарту, представляється у вигляді класів об'єктів даних, атрибутів даних, абстрактних сервісів та опису взаємозв'язків між ними.
Визначає процес проектування та налагодження систем.
Визначає мову опису конфігурації системи (System Configuration Description Language – SCL). Ця мовазабезпечує можливість обміну інформацією про конфігурацію пристроїв у стандартизованому форматі між програмним забезпеченням різних фірм-виробників.
Описує методики випробувань та приймання обладнання.

Працюючи з МЕК 61850, необхідно розуміти, що стандарт:

не визначає конкретні методики впровадження, комунікаційні архітектури чи вимоги до конкретних продуктів;
не стандартизує функціональність та алгоритми пристроїв,
сфокусований на описі функціональних можливостейпервинного та вторинного обладнання, функцій захисту, управління та автоматизації, видимих ззовні.

Безперечно, така масштабна робота не може бути ідеальною. Як приклади неточностей та недоробок стандарту, зокрема, називається відсутність методик формальної перевірки відповідності вимогам стандарту, ряд технічних неточностей в описі параметрів та підходів до їх обробки тощо. Докладніше ці питання будуть розглянуті у подальших публікаціях.

До недоліків стандарту часто відносять неконкретність опису вимог і надто велику свободу при реалізації, що, на думку розробників, якраз є одним із його головних переваг.

Список літератури

Баглейбтер О.І. Трансформатор струму у мережах релейного захисту. Протидія насичення ТТ аперіодичної складової струму КЗ // Новини ЕлектроТехніки. 2008. № 5 (53).
Schaub P., Haywood J., Ingram D., Kenwrick A., Dusha G. Test and Evaluation of Non Conventional Instrument Transformers and Sampled Value Process Bus on Powerlink's Transmission Network. SEAPAC 2011. CIGRE Australia Panel B5.
Шевцов М. В. Передача дискретних сигналів між УРЗА цифровими каналами зв'язку // Релейщик. 2009. №1.
Schwarz K. Comparison of IEC 60870-5-101/-103/-104, DNP3, та IEC 60870-6-TASE.2 with IEC 61850 ( електронний документ: http://bit.ly/NOHn8L).
Brunner C., Apostolov A. IEC 61850 Brand New World. PAC World Magazine. Summer 2007.
IEC 61850-1: Introduction and Overview.

Мережевим протоколом називається набір правил, що дозволяє здійснювати з'єднання та обмін даними між двома та більше включеними до мережі комп'ютерами. Фактично, різні протоколи часто описують лише різні сторони одного типу зв'язку; узяті разом, вони утворюють так званий стек протоколів. Назви<протокол>і<стек протоколов>також свідчить про програмне забезпечення, яким реалізується протокол.

Прикладний рівень (Application Layer). Верхній (7-й) рівень моделі забезпечує взаємодію мережі та користувача. Рівень дозволяє програмам користувача доступ до мережевих служб, таких як обробник запитів до баз даних, доступ до файлів, пересилання електронної пошти. Також відповідає за передачу службової інформації, надає додаткам інформацію про помилки та формує запити до рівня подання. Наприклад: HTTP, POP3, SMTP.
Рівень вистави (Presentation layer). 6-й рівень відповідає за перетворення протоколів та кодування/декодування даних. Запити програм, отримані з рівня додатків, він перетворює на формат передачі через мережу, а отримані з мережі дані перетворює на формат, зрозумілий додаткам. На рівні представлення може здійснюватися стиснення/розпакування або кодування/декодування даних, а також перенаправлення запитів іншому мережному ресурсу, якщо вони не можуть бути локально оброблені.
Сеансовий рівень (Session layer). 5-й рівень моделі відповідає за підтримку сеансу зв'язку, що дозволяє програмам взаємодіяти між собою тривалий час. Сеансовий рівень управляє створенням/завершенням сеансу, обміном інформацією, синхронізацією завдань, визначенням права передачі даних і підтримкою сеансу у періоди неактивності додатків. Синхронізація передачі забезпечується поміщенням потік даних контрольних точок, починаючи з яких відновлюється процес при порушенні взаємодії.
Транспортний рівень (Transport layer). 4-й рівень моделі призначений для доставки даних без помилок, втрат і дублювання в тій послідовності, як вони були передані. При цьому не має значення, які дані передаються, звідки й куди, тобто він надає сам механізм передачі. Блоки даних він поділяє на фрагменти, розмір яких залежить від протоколу, короткі об'єднує один, а довгі розбиває. Протоколи цього рівня призначені взаємодії типу точка-точка. Приклад: TCP, UDP
Мережевий рівень (Network layer). 3-й рівень мережевої моделі OSI, призначений визначення шляху передачі. Відповідає за трансляцію логічних адрес та імен у фізичні, визначення найкоротших маршрутів, комутацію та маршрутизацію, відстеження неполадок та заторів у мережі. На цьому рівні працює такий мережний пристрій, як маршрутизатор.
Рівень ланки даних (Data Link Layer). Часто цей рівень називається канальним. Цей рівень призначений для забезпечення взаємодії мереж на фізичному рівні та контролю за помилками, які можуть виникнути. Дані, отримані з фізичного рівня, він упаковує у кадри, перевіряє на цілісність, якщо потрібно виправляє помилки та відправляє на мережевий рівень. Канальний рівень може взаємодіяти з одним або декількома фізичними рівнями, контролюючи та керуючи цією взаємодією. Специфікація IEEE 802 розділяє цей рівень на 2 підрівні - MAC (Media Access Control) регулює доступ до фізичного середовища, що розділяється, LLC (Logical Link Control) забезпечує обслуговування мережевого рівня. На цьому рівні працюють комутатори, мости. У програмуванні цей рівень є драйвером. мережної плати, В операційних системах є програмний інтерфейс взаємодії канального та мережевого рівнів між собою, це не новий рівень, а просто реалізація моделі для конкретної ОС. Приклади таких інтерфейсів: ODI, NDIS
Фізичний рівень (Physical layer). Найнижчий рівень моделі призначений безпосередньо для передачі потоку даних. Здійснює передачу електричних або оптичних сигналів в кабель або радіоефір і відповідно їх прийом і перетворення в біти даних відповідно до методів кодування цифрових сигналів. Іншими словами, здійснює інтерфейс між мережним носієм та мережевим пристроєм. На цьому рівні працюють концентратори (хаби), повторювачі (ретранслятори) сигналу та медіаконвертори. Функції фізичного рівня реалізуються усім пристроях, підключених до мережі. З боку комп'ютера функції фізичного рівня виконуються мережним адаптером чи послідовним портом.

Основні протоколи, що використовуються в роботі Інтернет:

TCP/IP
IMAP4
Gorpher

КЛАСИФІКАЦІЯ КС ЗА РОЗМІРОМ. НАЗВА ТИПІВ КС, ЇХ ПРИКЛАДНА ПРОТЯЖНІСТЬ І ЗАСТОСУВАННЯ.

Локальна мережа

Локальна мережа – це комп'ютерна мережа невеликої протяжності: у межах кімнати, поверху, будівлі. Зазвичай такі мережі діють у межах однієї установи та мають невеликий радіус дії: 1-10 км. Вона мережа завжди є відомчою. В даний час немає чітких обмежень на територіальний розкид абонентів локальної обчислювальної мережі. Зазвичай, така мережа прив'язана до конкретного місця. До класу локальних мереж належать мережі окремих підприємств, фірм, банків, офісів тощо. Локальна мережа забезпечує високу швидкість передачі даних. Оскільки в цих мережах середовище зазвичай контрольована, лінії зв'язку короткі, елементи структури однорідні, то частота помилок у них низька і протоколи обміну спрощені. У локальних мережах зазвичай не використовуються засоби комунікації загального призначення ( телефонні лінії) для організації обміну інформацією. Додаткова перевага такої мережі полягає у значній економії ресурсів. Так, замість того, щоб мати принтер для кожного комп'ютера, можна мати лише один принтер. Будь-який комп'ютер у мережі міг надіслати інформацію для друку на цей принтер

Основні компоненти локальної мережі: кілька ПК, забезпечених мережним адаптером, або мережевою картою; середовище передачі, що поєднує необхідні вузли; мережеве програмне забезпечення. Для об'єднання комп'ютерів у локальну мережу потрібно вставити в кожен комп'ютер, що підключається до мережі. мережевий адаптер(контролер), який дозволяє комп'ютеру отримувати інформацію з локальної мережі та передавати дані в мережу, а також з'єднати комп'ютери кабелями, якими відбувається передача даних між комп'ютерами та іншими підключеними до мережі пристроями (принтерами, сканерами тощо). У деяких типах мереж кабелі з'єднують комп'ютери безпосередньо, в інших з'єднання кабелів здійснюється через спеціальні пристрої-концентратори (або hub), комутатори та ін. невеликих мережахТрадиційно комп'ютери з'єднуються кабелями з концентратором, який і передає сигнали від одних підключених до нього комп'ютерів до інших. Технічні засоби визначають лише потенційні можливості комп'ютерних мереж. Справжні її можливості визначає програмне забезпечення. Що ж пропонують локальні мережі? економію місця у пам'яті, т.к. багато користувачів застосовують одні і ті ж програмні продукти; хорошу системузахисту під час запису інформації; забезпечення зв'язку між окремими користувачами через комп'ютерну пошту.

Регіональні мережі

Регіональні мережі – це мережі, які зазвичай існують у межах міста, району, області, країни. Вони пов'язують абонентів, що розташовані на значній відстані один від одного. Зазвичай, відстань між абонентами регіональної обчислювальної мережі становить десятки-сотні кілометрів. Вони є об'єднанням кількох локальних мереж і частиною деякої глобальної. Особливої специфіки щодо глобальної не відрізняються. Регіональні обчислювальні мережі мають багато спільного з локальними, але вони, за багатьма параметрами, складніші за них. Наприклад, крім обміну даними та голосового обміну, регіональні обчислювальні мережі можуть передавати відео- та аудіоінформацію. Ці мережі розроблені для підтримки більших відстаней, ніж локальні обчислювальні мережі. Вони можуть використовуватися для зв'язування декількох локальних обчислювальних мереж високошвидкісні інтегровані мережеві системи. Регіональні обчислювальні мережі поєднують найкращі характеристикилокальної (низький рівень помилок, висока швидкість передачі) з більшою географічною довжиною. Останнім часом стали ще виділяти клас корпоративних мереж. Вони зазвичай охоплюють великі корпорації. Їх масштаб та структура визначаються потребами підприємств – власників.

Глобальні мережі

Глобальна обчислювальна мережа об'єднує абонентів, розташованих у різних країнах, різних континентах. Взаємодія між абонентами такої мережі може здійснюватися на базі телефонної лінії зв'язку, радіозв'язку та систем супутникового зв'язку. Глобальні обчислювальні мережі дозволяють вирішити проблему об'єднання інформаційних ресурсіввсього світу та організації доступу до цих ресурсів. Для підключення до віддалених комп'ютерів та комп'ютерним мережамвикористовуються телефонні мережі. Процес передачі даних по телефонних лініях має відбуватися у формі електричних коливань – аналога звукового сигналу, тоді як у комп'ютері інформація зберігається як кодів. Для того, щоб передати інформацію від комп'ютера через телефонну лінію, коди мають бути перетворені на електричні коливання. Цей процес називається модуляції. Для того, щоб адресат зміг почитати на своєму комп'ютері те, що йому відправлено, електричні коливання повинні бути перетворені назад на машинні коди – демодуляція. Пристрій, який здійснює перетворення даних із цифрової форми, в якій вони зберігаються в комп'ютері, в аналогову (електричні коливання), в якій вони можуть бути передані по телефонній лінії, і назад називається модем (скорочено від Модулятор ДЕМодуляції). Комп'ютер, у цьому випадку, повинен мати спеціальну телекомунікаційну програму, яка керує модемом, а також відправляє та отримує послідовності сигналів переданої інформації. Глобальні обчислювальні мережі створюються шляхом об'єднання локальних та регіональних обчислювальних мереж. Вони є конгломератом різних технологій. Порівняно з локальною обчислювальною мережею більшість глобальних відрізняють повільна швидкість передачі та вищий рівень помилок. Нові технології в галузі глобальних обчислювальних мереж націлені на вирішення цих проблем. Глобальні мережі, крім того, що вони охоплюють дуже великі території, мають низку інших особливостей порівняно з локальною мережею. Глобальні мережі, в основному, використовують як канали зв'язку телефонні лінії - це повільні канали з високим рівнемпомилок. Проте нині дедалі більше впроваджуються високошвидкісні оптоволоконні та радіосупутникові канали зв'язку.