6.3. Канальний рівень
Канальний рівень моделі OSI складається з підрівня управління логічним з'єднанням LLC (Logical Link Control) і підрівня доступу до фізичної лінії передачі МАС (Media Access Control).
На рис. 6.5 представлена структура Ethernet-фрейму. Він починається з преамбули, яка є одиницями, що чергуються, і нулями і вказує одержувачеві, що починається передача фрейма. Поле «Прапор початку» вказує одержувачеві, що відразу після закінчення цього поля почнеться передача змістовної частини фрейма. Адресою відправника і одержувача є МАС адреси. Поле «Тип» вказує, який тип протоколу більш високого рівня інкапсульований в полі даних. Поле СRC містить значення контрольної суми (СRС) для всього фрейма.
Рис. 6.5. Структура фрейма Ethernet. Загальна довжина 72 байти. Пакети Тср/udp і IР інкапсульовані в полі «Дані».
Поле даних містить пакети протоколу більш високого рівня, наприклад Тср/udp і IР, і дані. Це поле може також містити протоколи прикладного рівня інших промислових мереж, утворюючи гібридні мережеві протоколи Modbus ТСР (на основі Modbus RTU, від компанії Schneider Electric, EtherNet/IР (на основі DeviceNet, розроблений Rockvell Automation і ODVA), HSE (на основі Foundation Fieldbus), ProfiNet (Profibus в Ethernet), Interbus -TCP/IP та інші (більше 14 протоколів). У цих протоколах залишаються наступні загальні риси Ethernet:
технологія передачі даних на фізичному рівні (Ethernet;);
метод доступу до мережі CSMA/CD;
IР протокол на 3-му рівні моделі OSI;
ТСР і UDP-протоколи на 4-му рівні моделі OSI.
Протокол Modbus ТСР (або Modbus Тср/iр) використовується для того, щоб підключити пристрої з протоколом Modbus до Ethernet, або Інтернет. Він використовує кадри Modbus RTU на 7-му (прикладному) рівні моделі OSI, протоколи Ethernet на 1-му і 2-му рівні моделі OSI і Тср/i на 3-му і 4-му рівні, тобто Ethernet Тср/iр використовується для транспортування модифікованого кадру Modbus RTU.
Рис. 6.6. Частина фрейма Modbus ТСР, що вбудовується в поле «Дані» фрейма Ethernet
Кадр Modbus RTU (див. рис. 5.1) використовується без поля контрольної суми, оскільки використовується стандартна контрольна сума Ethernet Тср/iр. Не використовується також поле адреси, оскільки в Ethernet використовується інша система адресації. Таким чином, тільки два поля: «Код функції» і «Дані» (блок PDU) вбудовуються в протокол Ethernet Тср/iр. Перед ними вставляється нове поле — заголовок МВАР (Modbus Аррlication Protocol — прикладний протокол Modbus, рис. 6.6).
Поле «Ідентифікатор обміну» використовується для ідентифікації повідомлення у разі, коли в межах одного ТСР з'єднання клієнт посилає серверу декілька повідомлень без очікування відповіді після кожного повідомлення.
Поле «Ідентифікатор протоколу» містить нулі і зарезервовано для майбутніх застосувань. Поле «Довжина» указує кількість наступних за ним байт.
Поле «Ідентифікатор пристрою» ідентифікує видалений сервер, розташований поза мережею Ethernet (наприклад, в мережі Modbus RTU, яка сполучена з Ethernet за допомогою міжмережевого моста). Найчастіше це поле містить нулі або одиниці, ігнорується сервером і відправляється назад в тому ж вигляді (як луна).
Зображений на рис. 6.6 фрейм називається фреймом ADU (Application Data Unit), вбудовується в поле «Дані» фрейма Ethernet (рис. 6.5) і посилається через ТСР порт 502, спеціально зарезервований для Modbus ТСР (порти призначаються і контролюються організацією IANA (Internet Assigned Numbers Authority www.iana.org). Клієнти і сервери Modbus посилають, отримуютьі прослуховують повідомлення через ТСР порт 502.
Таким чином, структура кадру і сенс його полів «Код функції» і «Дані» для Modbus і Modbus ТСР абсолютно ідентичні, тому для роботи з Modbus ТСР не вимагається додаткового навчання в порівнянні з Modbus RTU. Ті ж самі коди функцій і дані, що і в Modbus OSI, передаються по черзі з прикладного (7-го) рівня моделі OSI (рис. 6.7) на транспортний рівень, який додає до блоку Рdu кадру Modbus RTU (рис. 5.1) заголовок з протоколом ТСР. Далі новий отриманий кадр передається на мережевий рівень, де в нього додається заголовок IР, потім він передається на канальний рівень Ethernet і на фізичний. Дійшовши до фізичного рівня, блок PDU виявляється таким, що «обріс» заголовками протоколів всіх рівнів, через які він пройшов. Пройшовши по лінії зв'язку, повідомлення просувається від низу до верху стеком протоколів (рівням моделі OSI) в пристрої одержувача, де на кожному рівні з нього видаляється відповідний заголовок, а на прикладному рівні виділяється блок PDU (код функції і дані) кадру протоколу Modbus RTU.
Рис. 6.7. Процес передачі кадру Modbus RTU по рівнях моделі OSI через стек протоколів Ethernet Тср/iр в мережах з протоколом Modbus ТСР
У мережі з протоколом Modbus ТСР пристрої взаємодіють за типом «клієнт-сервер», де як клієнт виступає головний пристрій, як сервер — слейв-пристрій. Сервер не може ініціювати зв'язок в мережі, але деякі пристрої в мережі можуть виконувати роль як клієнта, так і сервера.
Modbus ТСР не має широкомовного або багатоабонентського режиму, він здійснює з'єднання тільки між двома пристроями.