Industrial Ethernet

Взгляд на идею Industrial Ethernet со стороны модели OSI. Описание основных протоколов Industrial Ethernet.

Взгляд сверху на Industrial Ethernet

Успешно завоевав мир офисной автоматизации, Ethernet и TCP/IP начали наступление на распределенные системы управления производством. В качестве основного «оружия» при этом используется заманчивая идея «бесшовного» соединения всех уровней классической пирамиды автоматизации: от уровня автоматизации технологических процессов до уровня управления предприятием. Реализация этой идеи потребовала серьезной адаптации Ethernet, особенно в плане поддержки реального времени. Недетерминированные протоколы связи типа HTTP и FTP конечно обеспечивают универсальность и удобство использования, но для применения в промышленности все же пришлось разрабатывать на основе Ethernet специальные прикладные протоколы.

OSI — модель взаимодействия открытых систем

Модель OSI (Open System Interconnection) схематично описывает и стандартизирует связи между различными устройствами в сетевой архитектуре. Модель OSI определяет семь уровней сетевого взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень и каким образом будет обеспечиваться взаимодействие с более высоким уровнем.

Прежде чем пользовательские данные из Приложения 1 (см. рис) можно будет послать через Ethernet, эти данные последовательно проходят через весь коммуникационный стек от вернего до самого нижнего уровня. При этом происходит формирование конечного пакета для передачи (инкапсуляция) — при формировании фрейма (пакета) в соответствии с требованиями текущего уровня, в него внедряется фрейм из более высокого уровня. Таким образом данные, дошедшие ло самого нижнего уровня (физическая среда передачи), передаются во вторую систему, где происходит обратный процесс последовательной передачи полученных данных на верхние уровни до пункта назначения — Приложения 2. Такой процесс подобен отлаженному конвейеру и требует четкого описания логического взаимодействия между уровнями.

В Ethernet, согласно стандарта IEEE 802.1–3, реализованы уровни 1 и 2 модели OSI. Поддержку третьего, Сетевого уровня, обеспечивает накладываемый на Ethernet протокол IP (Internet Protocol), а транспортные протоколы TCP и UDP соответствуют Уровню 4. Уровни 5–7 реализованы в прикладных протоколах FTP, Telnet, SMTP, SNMP и в рассматриваемых далее специфических протоколах для промышленной автоматизации (Industrial Ethernet). Надо отметить, что протоколы Industrial Ethernet в некоторых приложениях могут замещать или дополнять собой Уровни 3 и 4 (IP и TCP/UDP).

Уровень 1 (Физический) описывает метод последовательной, бит за битом, передачи данных через физическую среду. Применительно к стандарту IEEE 802.3, стандартный фрейм Ethernet должен выглядеть следующим образом:

Preamble — преамбула, используется для синхронизации приемного устройства и индицирует начало фрейма Ethernet;
Destination — адрес получателя;
Source — адрес отправителя;
Type Field — тип протокола высокого уровня (например, TCP/IP);
Data Field — передаваемые данные;
Check — контрольная сумма (CRC).

Уровень 2 (Канальный) повышает надежность передачи данных через Физический уровень, упаковывая данные в стандартные фреймы с добавлением адресной информации и контрольной суммы (обнаружение ошибок). Доступ к физической среде передачи, согласно IEEE 802.3, осуществляется через механизм CSMA/CD, что приводит к неизбежным коллизиям при одновременном начале передачи несколькими устройствами. Канальный уровень позволяет решить эту проблему, обеспечивая распределение прав доступа сетеобразующих устройств. Это реализовано в Ethernet-коммутаторах (Switched Ethernet technology), в которых на основании данных канального уровня все входящие данные автоматически проверяются на целостность и соответствие контрольной сумме (CRC) и при положительном результате перенаправляются только на тот порт, к которому подключен приемник данных.

Уровень 3 (Сетевой) обеспечивает обмен сообщениями между различными сетями, используя в качестве инструмента протокол IP (применительно к Ethernet). Данные, получаемые из Транспортного уровня, инкапсулируются во фрейм Сетевого уровня с заголовками IP и передаются на Канальный уровень для сегментации и дальнейшей передачи. Действующая в настоящее время версия 4 протокола IP (IPv4) использует диапазон адресов до 32 бит, а версия IPv6 расширяет адресное пространство до 128 бит.

Уровень 4 (Транспортный) обеспечивает передачу данных с заданным уровнем надежности. Поддержка этого уровня реализована в протоколах TCP и UDP. TCP (Transmission Control Protocol — протокол управления передачей) представляет собой развитый протокол со средствами установки, подтверждения и завершения соединения, со средствами обнаружения и коррекции ошибок. Высокая надежность передачи данных достигается ценой дополнительных временных задержек и увеличения объема передаваемой информации. UDP (User Datagram Protocol — пользовательский дейтаграммный протокол) создан в противовес TCP и используется в случаях, когда первоочередным фактором становится скорость, а не надежность передачи данных.

Уровни 5 — 7 отвечают за конечную интерпретацию передаваемых пользовательских данных. В качестве примера из мира офисной автоматизации можно привести протоколы FTP и HTTP. Протоколы, относящиеся к категории Industrial Ethernet, так же используют эти уровни, но различными способами, что делает их несовместимыми. Так протоколы Modbus/TCP, EtherNet/IP, CIPsync, JetSync располагаются строго над Уровнем 4 модели OSI, а протоколы ETHERNET Powerlink, PROFInet, SERCOS расширяют и частично замещают еще и Уровни 3 и 4.

EtherNet/IP