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ARQUITETURA E HIERARQUIA de Redes Industriais Prof. Ralf Moura, MSc PMP, PRINCE2, COBIT, CTAL-TM, IS20F, ISFS, ITIL, MOF, CTFL, CPRE-FL, CCF, CI-SCS, MCP • LAN: Normalmente utilizadas em redes Industriais • Interligação de equipamentos • Tamanho restrito • Alta taxa de transmissão Redes Industriais - Classificação Redes Industriais Cobertura Geográfica BARRAMENTO (BUS) ANEL (RING) ESTRELA (STAR) ÁRVORE (TREE) ▪ Distância: espaço máximo coberto pelo meio físico de comunicação utilizado pela Rede. • Meio Partilhado (Broadcast Systems) • Redes Industriais tendem a utilizar esse tipo de topologia • Possui um único canal de comunicação • Mensagens curtas, enviadas por qualquer terminal são recebidas por todos • Cada terminal verifica se a mensagem é para ele • Permite envio de mensagens para todos os hosts. (Broadcasting) • Redes menores tendem a utilizar esta topologia • Ponto a ponto (Unicasting Systems) • Muitas conexões entre máquinas individuais. • Um pacote às vezes deve passar por máquinas intermediárias. • Redes maiores tendem a utilizar esta topologia Redes Industriais Topologias das redes Redes Industriais Topologias Meio-partilhado • A cada instante apenas uma máquina é o mestre, ou seja somente esta tem permissão de transmissão. • Necessita de um mecanismo centralizado ou descentralizado para administrar e resolver os conflitos.(Hosts transmitindo simultaneamente) • IEEE 802.3 (Ethernet) CSMA/CD: Exemplo de controle descentralizado • Redes industriais na maioria das vezes utiliza meios centralizados (isto está mudando*). Redes Industriais - Barramento Redes Industriais Topologias Ponto-a-ponto • Os dados a serem transmitidos são passados pelas demais estações. • Caso haja interrupção na linha, a transmissão flui normalmente. • Desvantagem: Maior custo de linha • Algumas regras são necessárias para arbitrar os acessos simultâneos. • IEEE 802.5 (Token Ring) Redes Industriais - Anel Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Rede_em_anel • Série de conexões entre pares individuais de máquinas; • Para atingir o destinatário o pacote deve primeiramente passar por um ou mais máquinas intermediárias; • Normalmente há múltiplos caminhos possíveis de diferentes comprimentos • Algoritmos de roteamento são necessários; • Normalmente utilizada em redes maiores; • Não são comuns em redes industriais. Redes Industriais Ponto a ponto Fonte: https://wiki.sj.ifsc.edu.br/wiki/index.php/RCO2-2013-2 • Todos os usuários comunicam-se com um ponto central; • Todos os usuários somente comunicam entre si através deste ponto central chamado de mestre; • Facilita o controle da comunicação; • Muito utilizado em Redes Industriais. Redes Industriais - Estrela Fonte: http://www.bosontreinamentos.com.br/redes- computadores/topologias-de-redes-curso-de-redes-de-computadores/ • Grafo • Todos os elementos são conectados entre si; • Comum em redes de IoT (Mesh) • Árvore (hierárquica) • Utilizado em controle de processos • Hierarquia de computadores para controle, sincronismo e registro dos processos monitorados • Pequenos sistemas baseados em sensores proporcionam o controle do processo em tempo real, enquanto a gravação dos eventos é reportada a um nível superior (atividades administrativas e gerenciais); • Comum em Redes Industriais. Redes Industriais – Árvore/Grafo Fonte: https://rafaelagomesp.wordpress.c om/2014/10/21/topologia-de-redes/ Fonte: http://www.vanderlinde11162 17.xpg.com.br/irc_tipos_rede s_ip.html Modelo OSI X Modelos de Redes Industriais Estrutura Típica Sensor/Device/FieldBus • As camadas estão implementadas em componentes padronizados e intrínsecos aos dispositivos simplificando a estrutura a apenas três níveis. Física Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação Ligação Multiplos Meios Físicos Chip Set Drivers / Software • Arquiteturas normalmente concebidas em três camadas: • Compactos • Baratos • Simples • Rápidos Redes Industriais • Modos de transmissão • Paralelo • Bits transportados simultaneamente • Adequado para equipamentos em curtas distâncias • Transmissão mais cara • Elevada sensibilidade a ruídos (Referência comum) • Serial • Adequada para longas distâncias • Síncrona • Obedece a um clock • Assíncrona • Sincronização através de um sinal especial (Start bit, stop bit) Modelo OSI A Camada Física • Técnica de sincronização através de clock; (Síncrona) • Os pulsos de clock determinam a sincronia. Redes Industriais A Camada Física • Técnica de sincronização de bits (assíncrona): • RZ (Return to zero): O sinal sempre retorna zero entre dois bits consecutivos. Redes Industriais A Camada Física • Técnica de sincronização de bits (assíncrona): • NRZ (Non Return to zero ou Manchester): O sinal lógico 1 é representado pela transição entre uma tensão positiva e uma negativa e o nível lógico zero é representado entre uma transição negativa e positiva. Modelo OSI A Camada Física • Suporte de transmissão com guia físico • Par trançado: Mbits - pequenas distâncias • Cabo coaxial: 10Mbits/s • Fibra ótica: Gbits • Cabeamento elétrico • Suporte de transmissão sem guia físico • Rádio (Wireless) • Infravermelho • Satélites Modelo OSI A Camada Física Requisitos de ambiente Resist. Mecânica Taxa de Transm. DistânciaErroCusto baixa Fibra ótica alta Cabo coaxial baixa Par trançado assíncrono (4 fios) baixa Par trançado (2 fios) • EIA232C (Ponto a ponto): • Dois elementos envolvidos: • DCE – Data Circuit-Terminating Element • DTE – Data Terminal Equipament • Conector DB25, DB9 • Sinais referenciados de terra Redes Industriais Interfaces típicas • EIA422(sinalização balanceada) e EIA423 (sinalização não balanceada): • Permitem apenas ligações ponto a ponto • Trabalham com sinais diferenciais • Mais imunidade a ruído • No modo balanceado os bits são representados por diferenças de tensão entre o par de condutores • No modo não balanceado apenas pode ser aplicado com cabos blindados Redes Industriais Interfaces típicas • RS485 (Barramento) • Interligação por dois ou quatro fios • Modo de acesso master/slave • Máx: 32 nós • Transmissão de 9,6 ou 19,2 kbit/s • Introduz equipamentos como repetidores, drivers / receptores de alta impedância. • Sinais diferenciais balanceados Redes Industriais Interfaces típicas Conversor EIA232 – EIA485 • Caminho para transporte das informações “entre entidades” da camada de rede. • Informa como os bits da camada física serão agrupados (enquadramento). • Mecanismos de detecção e correção de erros. • Controle de fluxo. Redes Industriais A Camada de Enlace de Dados • Divide-se em duas camadas: • Subcamada MAC (Controle de acesso ao meio): Responsável pelo acesso compartilhado do canal de comunicação. • Protocolos determinísticos: TDMA ( Dividão de faixas de tempo – Mestre escravo) Token: Ficha de permissão de transmissão • Protocolos não determinísticos: CSMA – Baseiam-se na escuta ao meio. Modelo OSI A Camada de Enlace de Dados • Subcamada LLC • Oferece serviços às camadas de rede • Sem conexão e sem reconhecimento • Sem conexão com reconhecimento • Orientado a conexão Modelo OSI A Camada de Enlace de Dados • Enquadramento • Dividir o fluxo de bits em quadros e realizar verificações. • Contagem de caracteres • Bytes de Flag (Bytes especiais no inicio e no fim do quadro) • Flags iniciais e finais (Insere bits quando encontra 1’s consecutivos)Redes Industriais A Camada de Enlace de Dados • Detecção e correção de erros • Bit de Paridade – Detecta erros de 1 bit • Palavra de teste longitudinal – Detecta erros de transmissão em um conjunto consecutivo de bits • Testes de redundância cíclica – CRC são baseados em códigos polinomiais • Códigos de Hamming – Controle antecipado de erros, detecta erros de vários bits Redes Industriais A Camada de Enlace de Dados • Controle de erros: • Temporizadores de confirmação de quadros • Controle de fluxo • Controle baseado em feedback • Controle baseado na velocidade • Detecção e correção de erros • Código de Hamming (Distância entre palavras) Bits de correção intercalados. (1 e 2 controla 3, 1 e 4 controla 5, 2 e 4 controla 6, ...) • Paridade • BSC (Paridade logitudinal) • CRC – Código de controle de redundância 9CRC12 \ CRC 16 \ CRC-CCITT Redes Industriais A Camada de Enlace de Dados • Camada de Enlace • Caráter determinístico da grande maioria das transações • Número elevado de nós • Elevada frequência de transações. • Regras de acesso à rede • Nós funcionando conjuntamente, a coordenação fica com um deles • Mestre/Escravo – Um participante detêm exclusivamente o direito de acesso a rede • Passagem de Token – Cada participante detém ciclicamente a prerrogativa de acesso a rede por um intervalo fixo de tempo • Acesso espontâneo – CSMA/CD Redes Industriais A Camada de Enlace de Dados Redes Industriais Método de Acesso • Polled Access • Pergunta-Resposta (Query - Response) • Mestre-Escravo • Token Access • Equalização de Acesso à Rede • Redes Peer-to-Peer • Carrier Sense Multiple Access • Acesso Aleatório • Cliente-Servidor Redes Industriais Performance da Rede • Velocidade: • Taxa de transferência total de dados por unidade de tempo. • Considera informações (dados úteis) e o Envelope de Comunicação (dados de controle do protocolo). • Throughput: • Taxa de transferência de informações por unidade de tempo. • Considera apenas os dados efetivamente úteis para os integrantes da Rede. bps Redes Industriais Característica da Rede • Redes Probabilísticas: • Permite apenas calcular a probabilidade da transferência de informações ocorrer em um determinado intervalo de tempo. • Redes Determinísticas: • Permite determinar com precisão o tempo necessário para a transferência de informações entre os integrantes da Rede. • Camada de aplicação • Simplificação quer dos pontos de vista de tempo consumido, quer do ponto de vista de hardware • Supri o processo de aplicação com ferramentas eficientes que possibilitem a manipulação e acesso a variáveis • Gestão de eventos e de gestão de programas • Operações puramente cíclicas e serviços de refrescamento de bases de dados. Redes Industriais A Camada de aplicação • Algumas formas de comunicação devem ser entendidas quando se fala de comunicação digital. • Mestre/Escravo ou Cliente/Servidor (Master/Slave or Client/Server) : Esta é uma das mais simples formas de comunicação, onde o mestre faz a pergunta e o escravo destino responde: Redes Industriais Formas de comunicação • (Publicar/Subscrever) – Esta é a forma ideal para comunicação cíclica, onde o equipamento publisher envia a informação via broadcast, a qual é então utilizada por todos os equipamentos interessados (subscribers). • Exemplo: Controle de malha fechada utilizado no padrão Foundation Fieldbus Redes Industriais Formas de comunicação • Source/Sink (Origem/Canal) – Neste modo, a transmissão só será efetuada pela origem caso houver uma alteração na informação. Transmissão por exceção. Redes Industriais Formas de comunicação • Características • Protocolos • Mensagens e regras de acesso, possuem sintaxe e semântica própria • Transmissão de mensagens entre 12 a 256 bytes, e respostas temporais na ordem de ms. Redes Industriais • Interligação de redes • Repetidores • regeneração do sinal Pontes • Repetidores inteligentes. Verificam se o sinal pertence a uma rede externa e transmite o sinal Redes Industriais Interligação de Redes • Roteadores • Possibilita a interligação de duas redes lógicas através do endereçamento. • Normalmente não é aplicado em redes industriais que tradicionalmente são montadas como LANS. Redes Industriais Interligação de Redes • Gateways • A gateway interliga redes de protocolos diferentes. Redes Industriais Interligação de Redes
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