Сетевым протоколом называется набор правил, позволяющий осуществлять соединение и обмен данными между двумя и более включёнными в сеть компьютерами.

Фактически разные протоколы зачастую описывают лишь разные стороны одного типа связи; взятые вместе, они образуют так называемый стек протоколов. Названия «протокол» и «стек протоколов» также указывают на программное обеспечение, которым реализуется протокол.

Кто разрабатывает и стандартизирует все эти протоколы и программное обеспечение?

Новые протоколы для Интернета утверждаются IETF (Internet Engineering Task Force - Специальная комиссия инженерии Интернета), а прочие протоколы — IEEE (nstitute of Electrical and Electronics Engineers - Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике) или ISO - (International Organization for Standardization - Международная организация по стандартизации). ITU-T (Международный союз электросвязи) занимается телекоммуникационными протоколами и форматами.

Наиболее распространённой системой классификации сетевых протоколов является так называемая модель OSI. В соответствии с ней протоколы делятся на 7 уровней по своему назначению — от физического (формирование и распознавание электрических или других сигналов) до прикладного (API для передачи информации приложениями):

• Прикладной уровень (Application layer). Верхний (7-й) уровень модели, обеспечивает взаимодействие сети и пользователя. Уровень разрешает приложениям пользователя доступ к сетевым службам, таким как обработчик запросов к базам данных, доступ к файлам, пересылке электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления. Пример: HTTP, POP3, SMTP.
• Уровень представления (Presentation layer). 6-й уровень отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с уровня приложений, он преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. На уровне представления может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.
• Сеансовый уровень (Session layer). 5-й уровень модели отвечает за поддержание сеанса связи, что позволяет приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Сеансовый уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.
• Транспортный уровень (Transport layer). 4-й уровень модели, предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом неважно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Протоколы этого уровня предназначены для взаимодействия типа точка-точка. Пример: TCP, UDP
• Сетевой уровень (Network layer).3-й уровень сетевой модели OSI, предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор.
• Уровень звена данных (Data Link layer). Часто это уровень называется канальным. Этот уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Данные, полученные с физического уровня, он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня — MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На этом уровне работают коммутаторы, мосты. В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS
• Физический уровень (Physical layer). Самый нижний уровень модели, предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и соответственно их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством. На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы. Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

Уровни взаимодействуют сверху вниз и снизу вверх посредством интерфейсов и могут также взаимодействовать с таким же уровнем другой системы с помощью протоколов.

Информационные ресурсы в Интернете

• протоколы передачи данных, Адресация в сети, URL
• Web-страницы и Web-узлы, порталы. Web - пространство.
• Создание Web-страниц. Языки Web-публикаций.

· Публикации сайтов в Интернете. Представительство

Простое подключение одного компьютера к другому - шаг, необходимый для создания сети, но не достаточный. Чтобы начать передавать информацию между компьютерами, нужно, что бы компьютеры «понимали» друг друга. Исходя из этой естественной необходимости, миру компьютеров потребовался единый язык (то есть протокол ), который был бы понятен каждому из них.

Протокол - это совокупность правил, в соответствии с которыми происходит передача информации через сеть .

Существуют два типа протоколов:

· Базовый (TCP/IP), отвечающий за физическую пересылку электронных сообщений;

· Прикладные , отвечающие за работу специализированных служб Интернет (http, ftp, telnet и т.д.)

Базовый протокол

Протокол - это особый язык общения между компьютерами, разработанный программистами. Базовый протокол в сети Интернет - это TCP/IP (Transmission Control Protocol & Internet Protocol ) (протокол контроля передачи + Интернет-протокол).

Все компьютеры, подключенные к сети Интернет, понимают и поддерживают этот протокол. Протокол TCP/IP служит для разбиения информации на части (пакеты) - и передачи их по линиям связи . Все эти операции протокол выполняет автоматически, без участия пользователя. На самом деле TCP/IP состоит их двух компонентов - TCP и IP , и включает в себя также массу других протоколов.

Протокол IP (Internet protocol) - это протокол маршрутизации (доставляет информацию по назначению).

Этот протокол включает правила налаживания и поддержания связи в сети, правила обращения с IP-пакетами и их обработки, описания сетевых пакетов семейства IP (их структура и т. п.).

Протокол TCP (Transmission Control Protocol) - это транспортный протокол (управляет передачей данных).

Кратко

Данные, предназначенные для пересылки. Разбиваются протоколом TCP на отдельные части –пакеты. Каждый пакет имеет свой порядковый номер и адрес , по которому необходимо доставить информацию. Пакеты могут идти разными маршрутами, но в конце пути обязательно соединяются в одно целое с помощью протокола TCP. Если какой-то пакет отсутствует (потерялся) или дошел с искажениями, то он пересылается заново.

Подробно

Протокол TCP занимается проблемой пересылки больших объемов информации, основываясь на возможностях протокола IP.

TCP делит информацию , которую надо переслать, на несколько частей . Нумерует каждую часть , чтобы позже восстановить порядок . Чтобы пересылать эту нумерацию вместе с данными, он кладет каждый кусочек информации в конверт, который содержит соответствующую информацию. Это и есть TCP-конверт. Получившийся TCP-пакет помещается в отдельный IP-конверт и получается IP-пакет, с которым сеть уже умеет обращаться.

Получатель распаковывает IP-конверты и видит TCP-конверты , распаковывает их и помещает данные в последовательность частей в соответствующее место. Если чего-то не достает, он требует переслать этот кусочек снова. В конце концов, информация собирается в нужном порядке и полностью восстанавливается. Вот теперь этот массив пересылается выше к пользователю (на диск, на экран, на печать).

В реальности пакеты не только теряются , но и могут искажаться при передаче из-за наличия помех на линиях связи. TCP решает и эту проблему. Для этого он пользуется системой кодов, исправляющих ошибки. Существует целая наука о таких кодировках. Простейшим примером такового служит код с добавлением к каждому пакету контрольной суммы (и к каждому байту бита проверки на четность). При помещении в TCP-конверт вычисляется контрольная сумма, которая записывается в TCP-заголовок. Если при приеме заново вычисленная сумма не совпадает с той, что указана на конверте, значит что-то тут не так, - где-то в пути имели место искажения, так что надо переслать этот пакет по новой, что и делается.

Таким образом, протокол TCP обеспечивает гарантированную доставку с установлением логического соединения в виде байтовых потоков.

Прикладные протоколы

Для работы прикладных программ, таких как программы электронной почты , требуется не только правильно упаковать информацию в пакеты и отправить их, но и необходимо четко договориться о содержимом этих пакетов, а также о процедуре обмена пакетами. Так, например, для получения письма необходимо предъявить пароль обладателя почтового ящика, а это уже целая последовательность действий. Таким образом, необходимы и другие протоколы.

Название протокола Расшифровка Назначение

· HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) – Протокол передачи гипертекста

· FTP (File Transfer Protocol) – протокол передачи файлов

· SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – Простой протокол отправки электронных писем

· POP3 (Post Office Protocol) – Протокол получения электронных писем

· NNTP (News Net Transfer Protocol) – Протокол телеконференций

· TELNET – Протокол для подключения к удаленному компьютеру

· WAIS (Wide-Area Information Servers) – протокол поиска информации в базах данных

· WAP (Wireless Application Protocol) – протокол предоставления доступа к службам Интернета пользователям беспроводных устройств

Прежде всего определим области применения каналов передачи данных в электроэнергетике и задачи, которые решаются с их помощью. В настоящее время к основным областям применения систем передачи данных можно отнести системы релейной защиты и автоматики (РЗА), диспетчерского и автоматизированного технологического управления электроэнергетическими объектами (АСТУ), а также системы автоматизированного учета энергоресурсов. В рамках этих систем решаются следующие задачи:

Системы АСТУ

1. Передача данных между локальными устройствами телемеханики (ТМ), устройствами РЗА и центральной приемопередающей станцией (ЦППС).
2. Передача данных между объектом и диспетчерским центром.
3. Передача данных между диспетчерскими центрами.

Системы учета

1. Передача данных от приборов учета в устройства сбора и передачи данных (УСПД).
2. Передача данных от УСПД на сервер.

В части систем РЗА можно отметить следующее: несмотря на то, что сбор данных с устройств РЗА в АСТУ в цифровом формате стал внедряться с момента появления цифровых устройств РЗА, связи между устройствами по-прежнему организуются аналоговыми цепями.

В РЗА системы передачи информации могут выполнять следующие функции:

1. Передача дискретных сигналов.
2. Передача данных между устройствами РЗА и ЦППС.

Другим важным каналом передачи, общим как для систем РЗА, так и для систем АСТУ и учета, является канал, по которому осуществляется передача измерений от измерительных трансформаторов тока и напряжения. До последнего времени о внедрении цифровых протоколов связи на данном уровне речь не шла, однако, имея в виду появление протокола для передачи мгновенных значений тока и напряжения МЭК 61850-9-2, на проблемах этого информационного канала также стоит остановиться.

Последовательно рассмотрим каждую из вышеперечисленных функций передачи информации и существующие подходы к их реализации.

Передача измерений от ТТ и ТН

Передача сигналов от измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН) осуществляется по кабелям с медными жилами переменного тока и напряжения соответственно. Для данного способа характерны проблемы, о которых достаточно часто упоминается в литературе :

• большая разветвленность и протяженность медных кабелей, приводящая к необходимости применения большого числа вспомогательного оборудования (испытательных блоков, клеммников и т.д.) и, как следствие, к повышению стоимости систем и сложности монтажа и наладки;
• подверженность измерительных цепей воздействию элек­тромагнитных помех;
• сложность или отсутствие возможности контроля исправности измерительного канала в темпе процесса, сложность поиска места повреждения;
• влияние сопротивления измерительных цепей на точность измерений и необходимость согласования мощности ТТ/ТН с сопротивлением цепей и нагрузкой приемника.

Передача дискретных сигналов между устройствами

Передача дискретных сигналов между устройствами традиционно осуществляется подачей оперативного напряжения посредством замыкания выходного реле одного устройства на дискретный вход другого.

Такой способ передачи информации имеет следующие недостатки :

• необходимо большое число контрольных кабелей, проложенных между шкафами с аппаратурой;
• устройства должны иметь большое число дискретных входов и выходов;
• количество передаваемых сигналов ограничивается определенным количеством дискретных входов и выходов;
• отсутствует возможность контроля связи между устройствами;
• возможно ложное срабатывание дискретного входа устройства при замыкании на землю в цепи передачи сигнала;
• цепи подвержены воздействию электромагнитных помех;
• сложность расширения систем РЗА.

Передача данных между РЗА и ЦППС

Обмен данными между РЗА и ЦППС на объекте осуществляется в цифровом формате. Однако ввиду необходимости интеграции большого количества различных устройств этот способ имеет следующие особенности:

• существование большого количества различных протоколов передачи данных, причем устройство ЦППС для успешной интеграции любых устройств должно поддерживать все эти протоколы;
• отсутствие единой системы наименования данных, приводящее к необходимости поддержания большого количества описательной документации, а также к сложностям и ошибкам при наладке;
• относительно малая скорость передачи данных, обусловленная наличием большого количества последовательных интерфейсов.

Передача данных между ЦППС объекта и диспетчерским центром

Передача данных между объектом и диспетчерским центром также ведется в цифровом формате. Обычно для этих целей используют протоколы МЭК 60870-101/104. Особенности реализации этих систем связи:

• необходимость передачи данных в протоколах диспетчерского управления, как правило, отличающихся от протоколов, применяемых на подстанции;
• передача ограниченного количества информации, что обусловлено необходимостью переназначения всех сигналов с одного протокола на другой, и, как следствие, потеря некоторых данных, передача которых на этапе проектирования не была сочтена целесообразной;
• отсутствие единых наименований сигналов в рамках объекта и в центрах управления сетями (ЦУС), приводящее к сложности наладки и отслеживания ошибок.

Обратимся к рис. 1, где приведена принципиальная схема организации передачи данных. Следует отметить большое количество проприетарных (фирменных) протоколов. Широкое распространение таких протоколов требует, во-первых, большого количества шлюзов (конвертеров), во-вторых, хорошей квалификации и опыта персонала в работе с различными протоколами. В конечном счете это ведет к усложнению системы и проблемам при эксплуатации и расширении.

Рис. 1. Схема организации передачи данных.

Охарактеризуем кратко показанные стандартные протоколы.

Modbus

Modbus – один из наиболее распространенных сетевых протоколов для интеграции устройств РЗА в систему АСТУ, построенный на архитектуре «клиент–сервер». Популярность этого протокола во многом обусловлена его открытостью, поэтому большинство устройств поддерживают этот протокол.

Протокол Modbus может применяться для передачи данных по последовательным линиям связи RS-485, RS-433, RS-232, а также сети TCP/IP (Modbus TCP).

Стандарт Modbus состоит из трех частей, описывающих прикладной уровень протокола, спецификацию канального и физического уровней, а также спецификацию ADU для транспорта через стек TCP/IP.

К достоинствам данного стандарта следует отнести его массовость и относительную простоту реализации систем на его базе. К недостаткам – отсутствие возможности оперативной сигнализации от конечного устройства к мастеру в случае необходимости. Кроме того, стандарт не позволяет конечным устройствам обмениваться фиксированными данными друг с другом без участия мастера. Это существенно ограничивает применимость MODBUS-решений в системах регулирования реального времени.

МЭК 60870-5-101/103/104

МЭК 60870-5-101 – протокол телемеханики, предназначенный для передачи сигналов ТМ в АСТУ. Он также построен на архитектуре «клиент–сервер» и предназначен для передачи данных по последовательным линиям связи RS-232/485.

Протокол МЭК 60870-5-104 является расширением протокола 101 и регламентирует использование сетевого доступа по протоколу TCP/IP. Стандарты МЭК 60870-5-101/104 не подразумевают наличие семантической модели данных.

Протокол МЭК 60870-5-103 предназначен для обеспечения возможности интеграции в систему управления энергообъекта устройств РЗА. В отличие от стандартов МЭК 60870-5-101/104, он определяет семантику для фиксированного набора данных, формируемых устройствами РЗА. Одним из основных недостатков протокола МЭК 60870-5-103 является относительно невысокая скорость передачи данных.

Протоколы МЭК 60870-5-101/103/104 обеспечивают достаточно высокую функциональность при решении задач телеуправления, телесигнализации и телеизмерений, интеграции данных устройств в системы управления. В отличие от Modbus они позволяют также осуществлять спорадическую передачу данных с устройств.

В основу протоколов, как и в предыдущем случае, положен обмен таблицами сигналов, причем типы данных, которыми осуществляется обмен, жестко фиксированы.

В целом протоколы хорошо подходят для решения описанного выше спектра задач, однако обладают рядом недостатков :

1. Передача данных осуществляется в два этапа: назначение индексированных коммуникационных объектов на прикладные объекты; назначение прикладных объектов на переменные в прикладной базе данных или программе. Таким образом, отсутствует семантическая связь (полностью или частично) между передаваемыми данными и объектами данных прикладных функций.
2. Протоколы не предусматривают возможность передачи сигналов реального времени. При этом под сигналами реального времени понимаются данные, которые должны передаваться в темпе процесса с минимально возможными выдержками времени, к которым относятся, например, команды отключения, передача мгновенных значений токов и напряжений от измерительных трансформаторов. При передаче таких сигналов задержки в канале связи являются критическими. Отметим, что данный пункт не связан с возможностью синхронизации устройств с единым сервером времени, а касается именно вопросов скорости передачи данных между устройствами.

DNP3

В России этот стандарт распространен слабо, однако некоторые устройства автоматизации все же поддерживают его. Долгое время протокол не был стандартизован, но сейчас он утвержден как стандарт IEEE-1815.

DNP3 поддерживает и последовательные линии связи RS-232/485, и сети TCP/IP. Протокол описывает три уровня модели OSI: прикладной, канальный и физический. Его отличительной особенностью является возможность передачи данных как от ведущего устройства к ведомому, так и между ведомыми устройствами. DNP3 также поддерживает спорадическую передачу данных от ведомых устройств.

В основу передачи данных положен, как и в случае с МЭК-101/104, принцип передачи таблицы значений. При этом с целью оптимизации использования коммуникационных ресурсов ведется посылка не всей базы данных, а только ее переменной части.

Важным отличием протокола DNP3 от рассмотренных ранее является попытка объектного описания модели данных и независимость объектов данных от передаваемых сообщений. Для описания структуры данных в DNP3 используется XML-описание информационной модели.

В дано подробное сравнение протоколов, но мы в табл. 1 приведем краткие выдержки применительно к рассмотренным выше протоколам.

Таблица 1. Протоколы передачи данных

Параметр	Протокол
	Modbus	МЭК-101/103/104	DNP3
Линии связи	RS-232/485/422 TCP/IP (Modbus TCP)	RS-232/485/422 TCP/IP (104)	RS-232/485/422 TCP/IP
Архитектура	Клиент – сервер	Клиент – сервер	Клиент – сервер
Принцип передачи данных	Обмен индексированными точками данных
Спорадическая передача данных	Нет	Да	Да
Семантическая модель данных	Нет	Нет Базовая (103)	Да
Передача данных в режиме реального времени	Нет	Нет	Нет

Выводы

Из представленного краткого анализа видно, что существующие протоколы связи достаточно успешно позволяют реализовывать задачи диспетчерского управления / интеграции данных в системы управления, однако не позволяют реализовывать функции реального времени (такие как передача дискретных сигналов между устройствами РЗА, передача мгновенных значений токов и напряжений).

Большое количество проприетарных протоколов приводит к усложнению процесса интеграции устройств в единую систему:

• Протоколы должны поддерживаться контроллером и ЦППС, что требует реализации поддержки большого количества протоколов в УСО и ЦППС одновременно и ведет к удорожанию оборудования.
• Для интеграции устройств по проприетарным протоколам требуется квалификация наладочного персонала в работе с каждым из них.
• Переназначение сигналов из проприетарных протоколов в общепромышленные и назад часто приводит к потере информации, включая дополнительную информацию (такую как метки времени, метки качества и т.п.).

При передаче данных по-прежнему применяется большое количество последовательных интерфейсов, что накладывает ограничения на скорость передачи данных, объем передаваемых данных и количество устройств, одновременно включенных в информационную сеть.

Передача ответственных команд управления (команды отключения выключателей от РЗА, оперативные блокировки и т.п.) и оцифрованных мгновенных значений токов и напряжений невозможна в цифровом формате в силу непригодности существующих протоколов связи для передачи подобного рода информации.

Следует отметить, что существующие протоколы связи не предъявляют требований к формальному описанию конфигураций протоколов и передаваемых сигналов, в связи с чем проектная документация на системы АСТУ содержит лишь описание сигналов на твердых носителях.

Основные положения при создании стандарта МЭК 61850

Работа над стандартом МЭК 61850 началась в 1995 году, причем изначально велась двумя независимыми, параллельно работающими группами : одна из них, образованная UCA , занималась разработкой общих объектных моделей подстанционного оборудования (GOMFSE); вторая, образованная в рамках технического комитета 57 МЭК, занималась созданием стандарта на протокол передачи данных для подстанций.

Позднее, в 1997 году, работы обеих групп были объединены под эгидой рабочей группы 10 ТК 57 МЭК и вошли в основу стандарта МЭК 61850.

В основе стандарта лежат три положения:

• Он должен быть технологически независимым, то есть вне зависимости от технологического прогресса стандарт должен подвергаться минимальным изменениям.
• Он должен быть гибким, то есть допускать решение различных задач с использованием одних и тех же стандартизованных механизмов.
• Он должен быть расширяемым.

Разработка первой редакции стандарта заняла порядка 10 лет. Отвечая поставленным требованиям, стандарт позволяет соответствовать изменяющимся потребностям электроэнергетики и использовать последние достижения в области компьютерных, коммуникационных и измерительных технологий.

На сегодняшний день МЭК 61850 состоит из 25 различных документов (в том числе разрабатываемых), которые охватывают широкий круг вопросов и делают его гораздо больше, чем просто спецификацией ряда коммуникационных протоколов. Отметим основные особенности стандарта :

• Определяет не только то, как должен производиться обмен информацией, но и то, какой информацией должен производиться обмен. Стандарт описывает абстрактные модели оборудования объекта и выполняемых функций. Информационная модель, лежащая в основе стандарта, представляется в виде классов объектов данных, атрибутов данных, абстрактных сервисов и описания взаимосвязей между ними.
• Определяет процесс проектирования и наладки систем.
• Определяет язык описания конфигурации системы (System Configuration description Language – SCL). Данный язык обеспечивает возможность обмена информацией о конфигурации устройств в стандартизованном формате между программным обеспечением различных фирм-производителей.
• Описывает методики испытаний и приемки оборудования.

Работая с МЭК 61850, необходимо понимать, что стандарт:

• не описывает конкретные методики внедрения, коммуникационные архитектуры или требования к конкретным продуктам;
• не стандартизует функциональность и алгоритмы устройств,
• сфокусирован на описании функциональных возможностей первичного и вторичного оборудования, функций защиты, управления и автоматизации, видимых извне.

Безусловно, такая масштабная работа не может быть идеальной. В качестве примеров неточностей и недоработок стандарта, в частности, называется отсутствие методик формальной проверки соответствия требованиям стандарта, ряд технических неточностей в описании параметров и подходов к их обработке и так далее. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены в дальнейших публикациях.

К недостаткам стандарта часто относят неконкретность описания требований и слишком большую свободу при реализации, что, по мнению разработчиков, как раз является одним из его главных достоинств.

Список литературы

1. Баглейбтер О.И. Трансформатор тока в сетях релейной защиты. Противодействие насыщению ТТ апериодической составляющей тока КЗ // Новости ЭлектроТехники. 2008. № 5(53).
2. 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.
3. Шевцов М. В. Передача дискретных сигналов между УРЗА по цифровым каналам связи // Релейщик. 2009. № 1.
4. Schwarz K. Comparison of IEC 60870-5-101/-103/-104, DNP3, and IEC 60870-6-TASE.2 with IEC 61850 (электронный документ: http://bit.ly/NOHn8L).
5. Brunner C., Apostolov A. IEC 61850 Brand New World. PAC World Magazine. Summer 2007.
6. IEC 61850-1: Introduction and Overview.

Немного теории. Протоколы передачи данных — это наборы соглашений (считай, стандарты), которые регулируют обмен данными между различными программами. Смысл протоколов передачи данных в том, чтобы эту самую передачу упорядочить и сделать независимой от аппаратной платформы (т.е. от какой-то одной конкретной «железяки»).

Протокол не следует путать с интерфейсом подключения и вообще с физическим уровнем (хотя такой термин и встретится нам в рассматриваемой далее модели). Протокол это уровень логический .

Сетевые протоколы

Сетевые протоколы регулируют обмен связи между двумя соединенными в сеть устройствами. Вообще, что мы в данном случае подразумеваем под сетью? Соединение компьютера и монитора это сеть? Нет, поскольку в данном случае монитор — это устройства вывода. Происходит вывод информации на экран, но не обмен ею. Соответственно, под сетью мы подразумеваем связь двух и более устройств, способных хранить и обрабатывать информацию.

Чаще всего сетевые протоколы классифицируют по модели OSI (Open Systems Interconnection Basic Reference Model). Модель состоит из семи уровней и упрощает понимание функционирования сети. Уровни располагаются вертикально друг над другом. Уровни взаимодействуют друг с другом по вертикали через интерфейсы, и могут взаимодействовать с параллельным уровнем другой системы по горизонтали с помощью протоколов. Каждый уровень может взаимодействовать только со своими соседями и с себе подобным.

Нетрудно догадаться, что прикладной уровень является самым верхним (седьмым), а физический лежит в основе основ (первый уровень).

Пойдем снизу вверх.

1. Физический уровень — на этом уровне работают хабы и ретрасляторы сигнала. Здесь осуществляется передача данных по проводам или беспроводным путём. Происходит кодировка сигнала. Осуществляется стандартизация сетевого интерфейса (пример, разъем RJ-45).

2. Канальный уровень — уровень коммутаторов, мостов и драйверов сетевых карт. Данные упаковываются во фреймы, проверяются ошибки и данные отправляются на сетевой уровень.

Протоколы: Ethernet, FDDI, PPP, PPTP, L2TP, xDSL и др.

3. Сетевой уровень — здесь определяется путь передачи данных, определяется кратчайший маршрут, происходит контроль неисправностей сетей. Это уровень маршрутизаторов.

Протоколы: IPv4, IPv6, ARP, ICMP.

4. Транспортный уровень отвечает за механизм передачи. Блоки данных разбиваются на фрагменты, избегаются потери и дублирование.

Протоколы: TCP, UDP, RDP, SPX, SCTP и др.

5. Сеансовый уровень отвечает за поддержание сеанс связи. Создание и завершение сеанса, права передачи данных и поддержание сеанса в момент неактивности приложений — всё происходит на этом уровне.

Протоколы: SSL, NetBIOS.

6. Уровень представления занимается кодированием и декодированием данных. Данные из приложения преобразуются в формат для транспортировки по сети, а пришедшие из сети в формат, понятный приложению.

Протоколы: FTP, SMTP, Telnet, NCP, ASN.1 и др.

7. Прикладной уровень — это уровень взаимодействия сети и пользователя. На этом уровне различные программы, которыми пользуется человек, получают доступ к сети.

Протоколы: , HTTPS, FTP, POP3, XMPP, DNS, SIP, Gnutella и др.

Популярные протоколы

HTTP, HTTPS — протоколы передачи гипертекста. Используется при пересылке web-страниц.

FTP — протокол передачи файлов. Используется для обмена данными между компьютерами, некоторые из них играют роль специальных хранилищ файлов — файловых серверов.

POP — протокол почтового соединения. Предназначен для обработки запросов на получение почты от пользовательских почтовых программ.

SMTP — почтовый протокол, отвечающий за правила передачи сообщений.

Telnet — протокол удаленного доступа.

TCP — сетевой протокол, отвечающий за передачу данных в сети Интернет.

Ethernet — протокол, определяющий стандарты сети на физическом и канальном уровнях.

Передача данных и их преобразование в модемах выполняются в соответствии с принятыми протоколами.

Протокол передачи данных – это совокупность правил, регламентирующих формат данных и процедуры их передачи в канале связи. В протоколе, в частности, может подробно указываться, как представить данные, какой способ модуляции данных избрать с целью ускорения и защищенности их передачи, как выполнять соединение с каналом, как преодолеть действие в канале шума и обеспечить достоверность передачи данных.

Протоколы работы модема это язык, на котором связывающиеся модемы договариваются о конкретном способе взаимодействия. В результате процесса согласования модемы выбирают доступный им обоим протокол, обеспечивающий максимальную скорость передачи в соответствии с установленными пользователям условиями.

При создании модемов придерживаются определенных стандартов передачи сигналов. Стандарт обычно включает в себя совокупность протоколов, реже один протокол.

Официальным законодателем в области протоколов передачи данных для модемов является МККТТ – Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии. Этот Комитет недавно переименован в Международный институт телекоммуникаций (ITU – International Telecommunication Union).

Практически все модемные стандарты передачи данных установлены этой организацией; некоторые характеристики важнейших из них приведены в табл.7.1.

Стандарты делятся по следующим признакам.

По скорости передачи данных (V.22, V32, V32bis). В более скоростных обычно реализованы и предшествующие стандарты передачи сигналов и, кроме того, предусмотрены запасные режимы с меньшими скоростями.

По протоколам коррекции ошибок - протоколы группы MNP (Microcom Netvorking Protocol) MNP1- MNP10.Это аппаратные протоколы, обеспечивающие автоматическую коррекцию ошибок и компрессию (сжатие) передаваемых данных. В настоящее время используется стандарт МККТТ V42. В целях совместимости модем стандарта V.42 включает в себя b функции MNP.

По методу сжатия данных – (MNP5, V.42bis). Стандарт MNP5 предусматривающий сжатие информации всего лишь вдвое, уступает место стандарту МККТТ V42bis, обеспечивающему сжатие информации в четыре раза. Стандарт V42bis в качестве резервного метода сжатия данных включает стандарт MNP5, а в качестве метода коррекции ошибок - стандарт V42.

Качество модема определяется тем, какие протоколы он поддерживает.

Стандарты скорости и модуляции называют также протоколами модемной связи. Они всегда реализуются в модеме на аппаратном уровне и помимо скорости определяют способ модуляции.

Таблица 7.1. Протоколы передачи данных по телефонным каналам связи.

протокола	Скорость передачи бит/сек	Год выпуска	Примечание

Современные скоростные модемы должны:

удовлетворять протоколам не ниже V.34 или V.34 bis ;

выполнять коррекцию ошибок по протоколу V.42;

уметь работать на зашумленных и сотовых линиях связи;

поддерживать протоколы, используемые в модемах более старых версий.

Исходя из этих требований, необходимо чтобы один и тот же модем для обеспечения более эффективной работы мог использовать некую комбинацию протоколов передачи данных и контроля ошибок.

Например, при использовании модемов на асинхронном аналоговом канале между локальными сетями, хорошие устойчивые результаты могут дать следующие комбинации:

V.32bis – передача;

V42 – контроль ошибок;

V.42bis – сжатие.

Асинхронные модемы дешевле синхронных, поскольку не нуждаются в схемах и комплектах для управления синхронизацией.

Основной характеристикой модема является максимальная возможная скорость передачи данных по линиям связи, определяемая стандартом.

Наряду с показателями скорость линии существует скорость передачи по порту, определяемая скоростью обмена информацией между ПК и модемом.

При аппаратном методе сжатия скорость по порту должна быть приблизительно в 4 раза выше требуемой скорости по линии.

С целью сокращения времени и повышения надежности передачи информации в процессе информационного обмена могут выполнятся следующие функции:

при передаче информация может быть сжата. При приеме информация восстанавливается в первоначальном виде;

обеспечивается обнаружение и коррекция ошибок, возникающих в процессе передаче информации. С этой целью вся информация передаётся отдельными блоками (фреймами). В блоках помимо собственных данных содержатся добавленные передающим модемом контрольные коды. Эти коды позволяют принимающему модему проверить правильность полученного блока. В случае обнаружении ошибки принимающий модем требует повторной пересылки блока.

Компрессия данных и коррекция ошибок могут быть реализованы как программным, так и аппаратным способом, причем последний эффективнее. Для выполнения сжатия и коррекции программным путем некоторые коммутационные программы требуют установки специального драйвера.

Способ компрессии и коррекции ошибок обычно взаимосвязаны. Установление связи между двумя модемами начинается с автоматического согласования в каком режиме и при каком способе компрессии и коррекции ошибок будет установлена связь.

С целью облегчения такого согласования и предоставлению пользователю частичной возможности управления им, наиболее распространенные сочетания параметров дуплексности – компрессии – коррекции пронумерованы и получили название протоколов MNP1 – MNP10. Чем более высокому стандарту соответствует модем, тем больше протоколов MNP он понимает.

MNP1 – используется асинхронный полудуплексный метод передачи данных с побайтной организацией с повышенной степенью защиты от ошибок. Это достигается за счет снижения эффективности.

MNP2 – такой же как MNP1, но использует дуплексный метод передачи данных, что повышает пропускную способность канала.

MNP 3 - не поддерживает технологию стартовых и стоповых битов, а использует синхронный дуплексный метод передачи данных с побайтной организацией. Получив асинхронный бит от компьютера, модем убирает из него стартовые, стоповые и контрольные биты. Затем эти байты собираются в блоки и снабжаются контрольной суммой и другой служебной информацией. За счет этого удается повышать эффективность передачи данных. Эффективность – 108%

MNP4 по сути объединил все лучшее MNP 2 и MNP 3, как MNP 2 он способен менять размер блока данных и как MNP 3 уменьшать затраты на передачу служебной информации. В результате увеличивается надежность и пропускная способность канала.

MNP5 отличается возможностью вдвое сжимать передаваемые данные, что позволяет во многих случаях заметно повысить пропускную способность.

MNP10 - предназначен для использования на сильно зашумленных линиях связи, при этом значительно снижается скорость передачи.

Помимо перечисляемых MNP- протоколов модемы стандарта V 42 имеют свой, более эффективный протокол LAPM, который одновременно понимает протоколы MNP2-4. Протокол LAPM включается если модема имеют стандарт не ниже V 42. Модем стандарта V 42bis принимают эффективный протокол компрессии, который, кроме того распознает файлы сжатые архиватором и в отличии от протокола MNP5 передает их в сходном виде, не увеличивая объем передаваемой информации. Эти протоколы реализуются не аппаратными средствами, а коммуникационной программой и работают только при пересылки файлов.

В функции протоколов передачи данных входит:

разбиение данных на блоки, вычисление контрольной суммы

повторная пересылка ошибочно принятых блоков, гибкое изменение размеров блоков в зависимости от качества связи.

Многие модемы кроме обеспечения процедур передачи информации выполняют и ряд других полезных функций, таких как:

передают имя, размер и дату создания файла;

пересылать несколько файлов в одном пакете;

запоминают в случае обрыва связи до какого момента был передан файл и в следующий раз возобновляет передачу с того же места.

Для передачи файлов установлены свои протоколы, регламентирующие дополнительно процедуры разбиения информации на блоки, использования кодов с автоматическим обнаружением и исправлением ошибок, повторной пересылки неверно принятых блоков, восстановления передачи после обрыва и т. д.

К наиболее распространенным протоколам этой группы следует отнести протоколы Xmodem, Ymodem, Kermit, Zmodem. Первые три не очень эффективно работают на российских телефонных линиях, Zmodem сейчас является, пожалуй, самым распространенным протоколом передачи файлов и с полным основанием может быть рекомендован для использования.

Xmodem использует сравнительно небольшие блоки (128 байт) и простой метод вычисления контрольной суммы. Имя файла не передается, восстановления после обрыва нет, довольно низкая эффективность.

Kermit передает все атрибуты файла – имя, дату, размер, способен посылать несколько файлов в одном пакете сжимая данные, коррекция ошибок более надежна чем у Xmodem.

Ymodem передает все атрибуты файла и несколько файлов в одном пакете, размер блока 1 К. из-за того, что протокол не способен менять эту величину во время передачи, он отличается низкой эффективностью.

Zmodem создан в 1986 – первый из потоковых протоколов. Это означает, что он посылает блоки данных с контрольными суммами без остановок единым потоком, и только после передачи всего блока приемник передает контрольную сумму блоков, и при необходимости производится их контрольная передача. Zmodem так же передает атрибуты файлов, посылает несколько файлов в одном пакете, нем в первые введено восстановление после обрыва связи. Он почти идеален для модемов с аппаратной коррекцией ошибок, т.к. тратит минимальное время на контроль правильности передачи.