UNIDADE 1.2 Arquitetura e Hierarquia de Redes Industriais

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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