В общем случае иерархическая модель OSI выглядит следующим образом:


Рис.1. Структура иерархической модели OSI - 7.

Рассмотрим каждый уровень  модели с позиции необходимости его использования в разрабатываемой системе.

Три верхних уровня, прикладной, представительский и сеансовый, можно объединить в один – уровень управления или уровень принятия решений. Основной задачей этого уровня является анализ, полученных с нижнего уровня, данных и, на основе этого анализа, формирование решения о дальнейших выполняемых действиях системой. На уровне управления используются два вида сообщений: непосредственно информационные данные и сообщения подсистемы сигнализации (управления). В нашем случае информационными являются телеметрические данные, которые уровень управления должен сохранять в регистре данных при их получении и извлекать из него при их отправке. Уровень управления осуществляет фрагментацию передаваемых данных в соответствии с пропускной способностью КС, а затем отправляет их на нижний уровень. При получении сообщения подсистемы сигнализации, уровень управления должен обработать его, сформировать пакет или сигнал управления  и отправить его на нижний уровень. Например, это может быть сигнал о смене профиля функционирования системы, если был получен сигнал об изменении качества канала связи. В данном случае сигнал и пакет управления – это две разные вещи. Пакет управления формируется в том случае, если его нужно передать другому сетевому устройству, например, от ЦСИ к ТС. При этом он проходит через канальный уровень, где формируется пакет соответствующего уровня, и физический, где происходит кодирование, модуляция и непосредственно передача этого сообщения. Сигнал управления может не проходить все эти процедуры, а сразу отправиться на физический уровень, т.к. этот сигнал действует только внутри одного обособленного узла. Соответственно с физического уровня на уровень управления может поступать сигнал оповещения, также миную канальный уровень.

Транспортный уровень обеспечивает приложениям верхнего уровня  доставку сообщений с той степенью надежности, которая требуется, т.е. осуществляет гарантированную доставку сообщений между приложениями верхних уровней двух сетевых узлов. В нашей системе гарантированная доставка будет означать получение соответствующего пакета подтверждения. В случае неправильного приема или потери пакетов данных, должен быть сформирован запрос на повторную передачу данных. В проектируемой системе наличие транспортного уровня не требуется, т.к. часть его функций делегируется на канальный уровень, а часть на уровень управления.

Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей. Основными задачами сетевого уровня являются доставка пакетов сетевого уровня любому узлу сети, маршрутизация – прокладка маршрута между узлами, и коммутация каналов. В разрабатываемой системе передача данных осуществляется по простейшим путям, от РМ к ТС и от ТС к ЦСИ, и не требует формирования сложных маршрутов. Из всего выше сказанного можно сделать вывод о том, что наличие сетевого уровня в разрабатываемой системе не требуется.

Канальный уровень определяет функции, отвечающие за организацию канала передачи данных. Канальный уровень необходим для осуществления надежной доставки пакетов между узлами сети. На канальном уровне решаются следующие задачи: формирование пакетов, выделение пакетов из потока бит, организация доступа к физическому каналу связи, проверка целостности пакетов, адресация сообщений, пакетная синхронизация.

Канальный уровень делится на два подуровня: подуровень адресации и формирования всех видов сообщений (MAC) и подуровень управления доступом к физическому каналу связи (CAC).

На  MAC – подуровне хранятся идентификаторы всех зарегистрированных в сети устройств. Этим и обуславливается возможность адресной передачи сообщений канальным уровнем. Также на МАС – подуровне происходит формирование нескольких типов пакетов: пакет запроса или пакет широковещательной информации (в зависимости от  типа сетевого устройства), пакет данных и пакет подтверждения правильного приема сообщения.

На САС – уровне реализуется алгоритм доступа к каналу связи. В данной системе доступ к КС осуществляется на основе протокола CSMA\CA.

После включения ТС, она начинает излучать широковещательную информацию о сети, включающую сетевой идентификатор, информацию о профиле функционирования системы. Радиомаяки, приняв эту информацию, вступают в конкурентную борьбу за канал передачи данных. На основании принятых запросов, ТС формирует пакет оповещения, который передает всем РМ по каналу запроса. Пакет оповещения включает в себя идентификатор маяка выигравшего борьбу за канал и время передачи данных этим радиомаяком, чтобы все остальные РМ смогли перейти в состояние «сон» на этот интервал времени. После осуществления передачи данных, РМ должен получить соответствующий пакет подтверждения. Если такого пакета он не получает, то выждав некоторое время снова вступает в борьбу за канал.

Перед непосредственной передачей данных, РМ проходит процедуры синхронизации и коррекции частоты по соответствующим КС.

Весь этап конкурентной борьбы, передачи данных и подтверждения правильного приема данных образуют во временной области мультикадр. Т.к. обмен данными между ЦСИ и ТС осуществляется посредством сети интернет и может происходить в любое время, то интервалы обмена данными, сигналами управления и сообщениями подсистемы сигнализации не имеет смысла рассматривать в рамках мультикадра [3].


Рис.2. Структура мультикадра.

  Если РМ вышел за пределы зоны обслуживания ТС, так и не сумев передать накопленные данные, то с ТС на ЦСИ поступает соответствующее сообщение подсистемы сигнализации. ЦСИ формирует сигнал управления и посылает его на следующую, по ходу движения спортсменов, точку сбора. Этот сигнал оповещает о том, что такой-то РМ с таким-то уникальным идентификатором должен быть  первоочередно обслужен точкой сбора вне зависимости от конкурентной борьбы. Т.е. сигнал подтверждения о получении запроса и предоставления канала передачи данных будет отправлен только на РМ с указанным уникальным идентификатором.

В общем случае структура пакетов канального уровня будет иметь следующий вид:


Рис.3. Пакет канального уровня.

Поле Fl служит индикатором начала пакета. Поле адреса содержит адрес или идентификатор сетевого устройства, к которому осуществляется доступ. Т.к. в системе используются пакеты различных типов (пакет данных, пакет подтверждения и т.д.), то информация о типе передаваемого пакета должна быть указана в соответствующем поле. Номер пакета необходим для того, чтобы вследствие получения ошибочных данных, ТС могла указать РМ, что повторную передачу данных нужно осуществлять с пакета под определенным номером. Поле данных содержит непосредственно передаваемые данные. Поле CRC служит для определения целостности пакета.

Физический уровень – нижний уровень модели OSI. Обеспечивает установление и управление физическим каналом. Реализует механические, электрические, функциональные и процедурные аспекты взаимодействия двух сетевых устройств. Основной задачей ФУ является надежная передача потока битов, поступающего с верхнего (канального уровня). На физическом уровне могут быть реализованы любые технические решения, направленные на повышение достоверности приема битов. Для эффективной реализации поставленных задач необходимо оптимальным образом подобрать параметры функционирования системы связи на физическом уровне.

 К параметрам ФУ относятся:

- вид модуляции;

- тип и параметры помехоустойчивого кодирования;

- глубина перемежения;

- способ обеспечения тактовой, частотной и пакетной синхронизации;

- способы идентификации характеристик канала связи (КС) и последующей компенсации искажений сигнала, полученных в КС.

В зависимости от качества КС необходимо реализовать два профиля функционирования системы: для канала с высоким и низким качеством. Эти профили будут отличаться видом модуляции сообщений и типом помехоустойчивого кодирования. Выбор этих параметров должен осуществляться на основании того, что использование фазовой манипуляции с малой позиционностью обеспечивает более низкую скорость передачи сообщений, но и более низкую вероятность ошибочного приема сообщений, чем использования манипуляции с высокой позиционностью. Вследствие этого, будет целесообразно для канала с плохим качеством использовать модуляцию с малой позиционностью и кодирование с минимальным количеством избыточных бит на один информационный, а для канала с высоким качеством – модуляцию с высокой позиционностью и кодирование с большим числом избыточных бит.

Для того чтобы смена профиля была возможной, на физическом уровне должна присутствовать система индикации качества канала связи. При обнаружении изменения свойств канала, система передает оповещающий сигнал на уровень управления. В свою очередь уровень управления отвечает сигналом о смене профиля функционирования данного физического уровня данного сетевого устройства, а также формирует пакет управления для передачи другому сетевому устройству, при установлении или поддержании сеанса связи.

Для борьбы с замираниями и возникновением связанных с ними пакетов ошибок служит процедура перемежения [2]. Максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы, называется глубиной перемежения. В общем случае выбор глубины перемежения зависит от двух факторов. С одной стороны, чем больше расстояние между соседними символами, тем большей длины пакет ошибок может быть исправлен. С другой стороны, чем больше глубина перемежения, тем сложнее аппаратно-программная реализация оборудования и больше задержка сигнала.

Для борьбы с многолучевостью оснастим приемники устройств сети фильтрами эквалайзерами, которые осуществляют компенсацию неравномерностей характеристик канала связи. Характер искажений в КС определяется путем сравнения двух эталонных сигналов, один из которых передается по каналу связи, а другой хранится в сетевом устройстве. Эталонные сигналы известны всем сетевым узлам.


Рис.4. Структура физического уровня системы.

Опишем сценарии взаимодействия радиомаяков с точкой сбора.

Когда все участники соревнований находятся на старте, на первую ТС от ЦСИ поступает команда включения. Каждый спортсмен также включает свой радиомаяк. После включения, РМ осуществляет поиск сети. Если никакая сеть не будет найдена, то РМ перейдет на некоторое время в состояние «сон», а затем снова осуществит поиск сети. Если сеть обнаружена, то РМ сделает попытку в ней зарегистрироваться. Регистрация происходит на основе конкурентной борьбы. Приняв запросы на регистрацию, ТС формирует и отправляет всем радиомаякам сигнал оповещения о том, какой из РМ одержал победу в борьбе за канал. Проигравшие РМ переходят в состояние «сон» на время, которое им сообщила ТС. Выигравший РМ сначала осуществляет коррекцию частоты и временную синхронизацию, по соответствующим каналам, а затем осуществляет передачу своего уникального идентификатора. ТС сравнивает полученный идентификатор с тем, который записан в ее регистре идентификаторов. Если такой идентификатор есть, то ТС должна отправить на РМ сигнал подтверждения регистрации. Если РМ такого сигнала не получает, то он на некоторое время переходит в состояние «сон», а затем вновь осуществляет поиск сети. При успешной регистрации РМ записывает в свою память идентификатор сети, который необходим для последующего доступа в сеть без прохождения процедуры регистрации. 


Рис.5. Сценарий регистрации радиомаяка в сети.

Далее приводится диаграмма состояний РМ, отражающая рассматриваемый сценарий регистрации.


Рис.6. Диаграмма состояний РМ при прохождении процедуры регистрации.

Попав в зону действия следующей точки сбора, РМ принимает широковещательную информацию о сети. Далее он должен сравнить передаваемый идентификатор сети с записанным в своей памяти. Если они совпадают, то РМ может отправить запрос на предоставление ему канала передачи данных. Если идентификаторы сети не совпадают, РМ продолжает поиск сети в которой он зарегистрирован. Если через какое-то время сеть не будет найдена, РМ должен перейти в состояние «сон». Канал передачи данных предоставляется на основе конкурентной борьбы. Приняв запросы, ТС формирует и отправляет всем радиомаякам сигнал оповещения о том, какой из РМ одержал победу в борьбе за канал. Проигравшие РМ на время передачи данных переходят в состояние «сон», а затем вновь осуществляют поиск сети и борьбу за канал передачи данных. Выигравший радиомаяк сначала осуществляет коррекцию частоты и временную синхронизацию, по соответствующим каналам, а затем осуществляет передачу данных. При успешной передаче он должен получит от ТС сигнал подтверждения. Если такого сигнала он не получает, то переходит в состояние «сон», чтобы через некоторое время снова участвовать в конкурентной борьбе за канал.


Рис.7. Сценарий передачи данных от РМ к ТС.

Диаграмма состояний радиомаяка, отражающая выше описанный сценарий передачи данных.


Рис.8. Диаграмма состояний радиомаяка при передаче данных.


Список литературы:

1. А.В. Бакке. «Лекции по курсу ССПО», Рязань, РГРТУ 2012.

2. http://www.osp.ru/nets/2000/12/141602/#t

3. Система сбора данных с подвижных станций. Часть 1.


Ламтев К.М.