Modelo de redes em Camadas

Prévia do material em texto

GIL PINHEIRO 
1 
Modelos de Redes em 
Camadas 
Prof. Gil Pinheiro 
GIL PINHEIRO 
2 
1. Arquitetura de Sistemas de Automação 
• Sistemas Centralizados 
• Sistemas Distribuídos 
• Sistemas Baseados em Redes 
• Arquitetura Cliente-Servidor 
GIL PINHEIRO 
3 
Sistemas Centralizados 
• Apenas uma CPU central (custo 
elevado) 
• Processamento centralizado 
• Software monolítico 
• Menor confiabilidade 
• Escalabilidade ruim 
• Exemplo: DDC (Direct Digital Control) 
GIL PINHEIRO 
4 
Sistemas Distribuídos 
• Diversas CPUs operam cooperativamente 
• Processamento distribuído 
• Controle efetuado nos controladores 
• Maior confiabilidade 
• Boa escalabilidade 
• Requer comunicação entre CPUs 
• Exemplo: SDCD 
GIL PINHEIRO 
5 
Arquitetura Cliente-Servidor 
Processo 
Cliente 
Resposta 
Requisição 
Rede 
Processo 
Servidor 
Servidor Cliente 
GIL PINHEIRO 
6 
Arquitetura Cliente-Servidor 
• Tarefas específicas e mais pesadas são 
executadas no servidor 
• Servidor atende a vários clientes 
• Clientes podem ser mais simples (pequenas 
CPUs, aplicações mais leves) 
• Servidores redundantes para aumentar 
confiabilidade 
• A comunicação é iniciada e terminada pelo 
cliente 
GIL PINHEIRO 
7 
Exemplo 1: Cliente-Servidor WEB 
• Cliente: software navegador (browser) 
• Servidor: WEB-Server com conexão a um 
CLP que recebe sinais de sensores 
WEB 
Server 
CLP 
Rede 
Internet 
Cliente 1 
Cliente 2 
Cliente 3 
GIL PINHEIRO 
8 
Exemplo 1: Detalhe do Cliente e 
Servidor WEB [5] 
Servidor 
HTTP 
Aplicativo 
CGI 
EIA-232 
SERVIDOR CLIENTE 
Formulário 
HTML 
Dados do Formulário 
Página 
HTML 
CLP 
INTERNET 
GIL PINHEIRO 
9 
Arquitetura Cliente-Servidor 
• Vantagens: 
– Clientes podem ser CPUs mais simples 
– Suporte a vários clientes (viabiliza 
redundância de IHM) 
– Software no cliente mais simples e mais leve 
– Consistência de informações entre os clientes 
GIL PINHEIRO 
10 
Arquitetura Cliente-Servidor 
• Desvantagens: 
– Muitas conexões clientes podem 
sobrecarregar servidor 
– Comunicação do servidor com a camada 
inferior (camada de controle) pode ser gargalo 
quando há vários clientes conectados 
– Servidor deve ser CPU de alto desempenho 
(veloz, com muita memória) 
– Necessita solução de redundância para 
aumentar confiabilidade, com chaveamento 
rápido entre CPUs 
GIL PINHEIRO 
11 
2. A Comunicação de Dados 
GIL PINHEIRO 
12 
2. A Comunicação de Dados 
• O que é Comunicação de Dados? 
• A Comunicação de Dados em 
Escritórios e na Indústria 
• Conceitos de Protocolos 
• Modelo em Camadas 
GIL PINHEIRO 
13 
A Comunicação dos Sistemas 
Planeta 10.000 km 
Continente 1000 km 
Nação 100 km 
Cidade 10 km 
Campus 1 km 
Prédio 100 m 
Sala 10 m 
Sistema 1 m 
Placa Eletrônica 0,1 m Barramento Interno CLP 
Multicomputador 
LAN 
WAN 
MAN 
Internet 
GIL PINHEIRO 
14 
O que é Comunicação de Dados? 
• Transmissão eletrônica de informação 
entre computadores, controladores ou 
outros dispositivos eletrônicos 
• Há muitas aplicações da transmissão 
de dados em escritórios e na indústria 
(sistemas de produção de chão de 
fábrica) 
GIL PINHEIRO 
15 
Comunicação de Dados em Escritórios 
• Conexão de um PC a um computador (Host) 
via emulação de terminal 
• Redes Locais (LANs) 
• Comunicação com periféricos de 
computadores (impressora, scanner, 
modems, etc) 
• Internet e redes WAN (Wide Area Network) 
GIL PINHEIRO 
16 
Redes de Escritórios 
Rede Internet 
Mainframe Estação 
Servidor 
Estação 
Estação 
Estação 
GIL PINHEIRO 
17 
Redes de Automação Industrial 
As-I/DeviceNet/DP/etc H1 
Ethernet 
Ethernet 
GIL PINHEIRO 
18 
Redes de Escritório e Automação 
• Requisitos Comuns das Redes de Escritório 
e de Automação Industrial 
– Performance adequada 
– Segurança em diversos níveis 
– Custo adequado 
– Baseada em padrões 
– Confiabilidade na comunicação 
– Facilidade de acesso 
– Facilidade de utilização 
GIL PINHEIRO 
19 
Redes de Automação 
• Requisitos Específicos de Redes Industriais 
– Desempenho previsível 
– Disponibilidade muito alta 
– Operação em ambientes hostis 
– Escalabilidade 
– Facilidade de operação 
– Facilidade de manutenção (mesmo por não especialistas 
em redes) 
– Alimentação de dispositivos pela rede 
• Algumas Redes de Automação usam adaptações de 
soluções de redes convencionais (Exemplo: IEC-
61850) 
GIL PINHEIRO 
20 
O que São Protocolos? 
• Protocolos são um conjunto de regras 
(padronizadas) que determinam como dois 
dispositivos vão se comunicar 
• Existem várias tarefas que um protocolo deve 
tratar, entre elas: 
– Detecção e correção de erros 
– Roteamento de mensagens 
– Criptografia e segurança 
– Níveis de sinal entre dispositivos consistentes 
– Endereçamento de rede 
GIL PINHEIRO 
21 
Existem Inúmeros Protocolos 
• IEEE 802.3 
• TCP/IP 
• SMTP 
• FTP 
• HTTP 
• SNMP 
• IEEE 802.11 
• HDLC 
• MODBUS 
• DEVICENET 
• PROFIBUS 
• ASI 
• EIA-485 
• EIA-232 
• FOUNDATION 
FIELDBUS 
GIL PINHEIRO 
22 
Protocolos em Camadas 
• Para organizar os protocolos e entender 
como ocorrem as interações entre diversos 
protocolos, foi criada uma arrumação em 
camadas 
• Protocolos com atribuições comuns 
pertencem à mesma camada 
• Exemplo: todos os protocolos que lidam com 
características físicas de um sinal (tensão, 
freqüência, tipo de cabo, conector) são 
agrupados na mesma camada 
GIL PINHEIRO 
23 
Modelo de Protocolo 
GIL PINHEIRO 
24 
3. O Modelo de Referência 
ISO/OSI 
GIL PINHEIRO 
25 
3. O Modelo de Referência ISO/OSI 
• Introdução ao Modelo ISO/OSI 
• Camada Física 
• Camada de Enlace 
• Camada de Rede 
• Camada de Transporte 
• Camada de Sessão 
• Camada de Apresentação 
• Camada de Aplicação 
GIL PINHEIRO 
26 
O Modelo de Referência ISO/OSI 
• Em 1977, a Organização Internacional 
para Padronização (ISO) propôs um 
modelo de referência de 7 camadas para 
organizar os protocolos de comunicação 
• É chamado de Modelo de Referência para 
Interconexão de Sistemas Abertos 
(OSI/RM) 
• Cada camada no modelo OSI tem uma 
função específica e agrupa protocolos 
similares nas mesmas camadas 
• Cada camada se comunica com a entidade 
de mesmo nível entre os nós da rede 
Aplicação 
Apresentação 
Sessão 
Transporte 
Rede 
Enlace 
Física 
GIL PINHEIRO 
27 
O Modelo de Referência ISO/OSI 
Protocolo de Aplicação 
Bit Física 
Enlace 
Rede 
Transporte 
Sessão 
Apresentação 
Aplicação 
Física 
Enlace 
Rede 
Transporte 
Sessão 
Apresentação 
Aplicação 
Quadro 
Pacote 
TPDU 
SPDU 
PPDU 
APDU 
Protocolo de Apresentação 
Protocolo de Sessão 
Protocolo de Transporte 
Física 
Enlace 
Rede 
Física 
Enlace 
Rede 
Unidade transferida 
entre as Camadas Camada ISO/OSI 
GIL PINHEIRO 
28 
Exemplo: Comunicação entre 
Camadas ISO/OSI 
 
GIL PINHEIRO 
29 
A Camada Física 
• Os protocolos dessa camada definem padrões 
físicos e aspectos elétricos dos sinais, tais como: 
– Freqüências 
– Modulação 
– Tensões 
– Topologias 
– Conectores 
– Cabos 
• É o aspecto mais importante em termos dos 
diagnósticos e da operação de uma rede (80 % 
dos problemas em redes industriais ocorrem na 
Camada Física) 
• Exemplos: EIA-232, EIA-485, Ethernet 
Aplicação 
Apresentação 
SessãoTransporte 
Rede 
Enlace 
Física 
GIL PINHEIRO 
30 
A Camada de Enlace 
• Fornece as regras para geração dos 
quadros, conversão dos sinais elétricos 
para dados, verificação de erros, 
endereçamento físico, controle de acesso 
ao meio, multiplexação, controle de fluxo 
• Todas as redes necessitam de uma 
camada de Enlace 
• Exemplos: HDLC, HART, Foundation 
Fieldbus 
Aplicação 
Apresentação 
Sessão 
Transporte 
Rede 
Enlace 
Física 
GIL PINHEIRO 
31 
A Camada de Rede 
• A camada de rede lida com o roteamento 
das mensagens através de uma rede 
complexa 
• Busca a melhor rota através da rede e 
também lida com restrições de enlaces e 
enlaces defeituosos. 
• A camada IP do TCP/IP é um exemplo de 
protocolo de camadas de rede 
• Outro exemplo é a camada IPX da rede 
Novell 
Aplicação 
Apresentação 
Sessão 
Transporte 
Rede 
Enlace 
Física 
GIL PINHEIRO 
32 
A Camada de Transporte 
• A camada de Transporte estabelece uma 
conexão confiável fim-a fim entre dois nós. 
Embutindo os detalhes das camadas 
física, de enlace e de rede 
• A camada de Transporte ordena os 
pacotes recebidos através da rede 
• A camadas TCP e UDP do TCP/IP são 
exemplos de protocolos de camada de 
Transporte 
• Outro exemplo é o protocolo NetBEUI (MS-
Windows) 
Aplicação 
Apresentação 
Sessão 
Transporte 
Rede 
Enlace 
Física 
GIL PINHEIRO 
33 
A Camada de Sessão 
• A camada de Sessão estabelece um 
diálogo, chamado conexão de sessão 
lógica, visando iniciar, retomar e encerrar 
transações de rede de maneira ordenada 
• Uma conexão de sessão é mapeada numa 
conexão de Transporte num dado instante 
• Uma conexão de sessão pode usar uma 
ou mais conexões de Transporte. 
Facilitando a recuperação de erros, na 
perda de uma conexão de Transporte. 
• Normalmente essa camada não é utilizada 
em redes de automação 
Aplicação 
Apresentação 
Sessão 
Transporte 
Rede 
Enlace 
Física 
GIL PINHEIRO 
34 
A Camada de Apresentação 
• A camada de Apresentação lida com 
formatos de dados, criptografia e 
segurança 
• Por exemplo, a camada de apresentação 
pode converter um dados inteiro de um 
CLP num formato ponto flutuante num 
SDCD 
• O protocolo ASN.1 (Abstract Syntax 
Notation) é utilizado pelo Foundation 
Fieldbus 
Aplicação 
Apresentação 
Sessão 
Transporte 
Rede 
Enlace 
Física 
GIL PINHEIRO 
35 
A Camada de Aplicação 
• São os protocolos específicos para 
aplicações de rede tais como: e-
mail, transferência de arquivos, 
OPC, ler registros num CLP 
• Não inclui a aplicação do usuário 
(p.ex: editor de texto, MS-Windows, 
Linux), mas apenas os serviços de 
comunicação 
• Exemplo: SMTP, HTTP, MODBUS, 
HART 
Aplicação 
Apresentação 
Sessão 
Transporte 
Rede 
Enlace 
Física 
GIL PINHEIRO 
36 
Problemas do Modelo OSI 
• As especificações OSI definem apenas o que 
fazer, mas não definem como fazer 
• Assim, protocolos que são OSI compatíveis não 
necessariamente se comunicam 
• É um modelo muito complexo para várias 
aplicações industriais, assim, algumas camadas 
não são utilizadas nessas aplicações 
• Apesar de tudo, fornece um ponto de partida 
para organizar os protocolos 
GIL PINHEIRO 
37 
Por Que 7 Camadas? 
• Mínimo: superior e inferior -- 2 
• Necessidade de isolar a camada física. Camada de 
enlace -- 3 
• Necessárias ações fim-a-fim (end-to-end) e salto-a-
salto (hop-by-hop). Camadas de transporte e de rede 
-- 5 
• Camadas de sessão e apresentação sem tanta 
importância, normalmente ignoradas 
• São necessárias no mínimo 5 e no máximo 7 
(excessivo) camadas 
GIL PINHEIRO 
38 
Exemplo 1: Protocolos MODBUS 
• Família de protocolos MODBUS: MODBUS-RTU, 
MODBUS-PLUS e MODBUS-TCP 
• MBAP = ModBus Application Protocol 
MBAP 
RTU 
EIA-232/485, 
Wireless 
MBAP 
Proprietário 
HDLC 
EIA-485 / 
Fibra ótica 
MBAP 
TCP 
IP 
Ethernet 
Ethernet 
Comandos para ler e escrever em 
CLPs 
Não Utilizado 
Não Utilizado 
Transporte via TCP 
Roteamento em redes complexas 
Controle de acesso, verif. de erros, 
endereçamento 
Padrões de cabeamento, elétrico, 
modulação