Protocolos de Enlace Redes Industriais Semestre 01/2015

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Protocolos de Enlace

Redes Industriais Semestre 01/2015 Engenharia de Controle e Automação

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FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

Revisão OSI

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Revisão OSI

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Revisão OSI

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Revisão OSI

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Implementações

Modelo OSI

Rede Internet

Rede Industrial

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Camada Fisica

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Camada Fisica - Codificações

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Camada Fisica

§ As informações podem ser transmitidas por fios, fazendo-se variar alguma propriedade física, como voltagem (tensão elétrica) ou corrente.

§ Representando o valor dessa voltagem ou corrente como uma função de tempo com um valor único, f(t), podemos criar um modelo para o

comportamento do sinal e analisá-lo matematicamente

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Camada Fisica

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Modulações

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Modulação em Redes HART

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Exemplo de Pacote – Rede CAN

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Camada Enlace

§ A principal tarefa da camada de enlace de dados é transformar um canal de transmissão bruta em uma linha que pareça livre de erros de

transmissão não detectados para a camada de rede.

§ Serviços oferecidos à camada de rede

§ Três possibilidades razoáveis oferecidas com freqüência são:

§ 1. Serviço sem conexão e sem confirmação

§ 2. Serviço sem conexão com confirmação

§ 3. Serviço orientado a conexões com confirmação.

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Camada Enlace

Dentre os fatores com os quais a camada de Enlace deve preocupar-se estão:

§ a forma como os bits provenientes da camada Física serão agrupados em quadros;

§ os mecanismos de detecção e correção de erros a serem

implantados, uma vez que as informações trocadas através da camada Física não são isentas de erros de transmissão;

§ os mecanismos de controle de fluxo para limitar o volume de informação trocados

§ entre entidades fonte e destino;

§ a gestão das ligações entre as entidades;

§ o controle de acesso ao meio, em redes de difusão.

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Camada Enlace

§ Nas redes de difusão a camada de enlace de dados é usualmente decomposta em duas subcamadas, conforme proposta da IEEE:

§ Controle Lógico de Enlace (LLC - Logical Link Control), responsável pelo estabelecimento de conexões e oferecimento de serviços de

comunicação às camadas de rede.

§ Controle de Acesso ao Meio (MAC - Medium Access Control), responsável pelo acesso ordenado e compartilhado do canal de comunicação (no caso, um barramento);

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Enlace - Subcamada LLC

§ A subcamada LLC da camada de Enlace de Dados oferece serviços classificados em três principais categorias, estas dependendo do sistema no qual elas serão implantadas:

§ serviço sem conexão e sem reconhecimento (não confiável);

§ serviço sem conexão com reconhecimento (confiável);

§ serviço orientado à conexão (confiável).

§ Os serviços orientados à conexão são caracterizados por três principais etapas:

§ a etapa de estabelecimento de conexão, durante a qual são definidos todos os parâmetros relacionados à conexão, como por exemplo, os contadores de seqüência de quadros;

§ a etapa de transmissão de dados, durante a qual são realizadas todas as trocas de informação correspondentes ao diálogo entre duas máquinas;

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Enlace - Subcamada LLC

§ A comunicação entre as camadas de Rede e de Enlace é feita através de primitivas de serviço (request, indication, response e confirm) da interface entre as duas camadas

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Enlace - Conceito de Quadros (Frames)

§ Transforma as sequencias de bits em “frames”

§ Identificação dos limites do quadro

§ Enquadramento por contagem:

§ Problema – Campo de tamanho pode ser adulterado por erros

§ Solução – Detecção de erros

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Enlace - Conceito de Quadros (Frames)

Como saber onde começar outro quadro?

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Conceito de Quadros (Frames)

§ Os quadros são marcados com bytes com valores especiais

§ Mas estes bytes podem existir dentro da mensagem a ser enviada

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Bit e Byte Stuffing

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Exemplo de Bit Stuffing

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Subcamada MAC

§ Protocolos Deterministicos

§ caracterizados pela concessão do direito ao acesso

independentemente das necessidades de transmissão de cada nó da estação

§ baixo desempenho, uma vez que muito tempo pode ser perdido no caso de estações que não tenham mensagens a transmitir

§ TDMA (Time Division Multiple Access)

§ Mestre-Escravo

§ Token-Passing

§ Protocolos Não-Deterministicos

§ protocolos de competição, uma vez que as estações querendo transmitir vão competir pelo meio de transmissão.

§ CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection)

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CSMA/CD

CSMA/CD – Algoritmo Básico

1. Se o meio estiver livre, transmita; caso contrário, vá para o passo 2.

2. Se o meio estiver ocupado, continue a ouvir até que o canal esteja livre e, então, transmita imediatamente.

3. Se uma colisão for detectada durante a transmissão, transmita um pequeno sinal especial (jam signal ) para garantir que todas as estações saberão da colisão e, então, pare de transmitir.

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CSMA/CD – Tempo de Detecção da Colisão

§ Com o CSMA/CD, a quantidade de capacidade desperdiçada é reduzida ao tempo de detectar a colisão.

§ Questão:

Qual é o valor desse tempo?

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CSMA/CD – Tempo de Detecção da Colisão

§ Exemplo:

§ Nó A inicia a transmissão. Imediatamente antes do quadro chegar ao nó B, este está pronto para transmitir e, como ele ainda não está

ciente da transmissão de A, inicia a sua transmissão.

§ Uma colisão ocorre quase que imediatamente. Ela é reconhecida por B , que cessa imediatamente a sua transmissão. Esta colisão deve se propagar de volta até A para que este tome ciência dela.

§ Por essa linha de raciocínio, para que uma colosão possa ser detectada, o tempo de transmissão de um quadro não pode ser menor do que duas vezes o retardo de propagação fim-a-fim. Esse tempo é conhecido como slot time da rede.

§ Em outras palavras, o slot time é definido como sendo duas vezes o tempo que um pulso eletrônico (OSI nível 1) leva para atravessar a

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CDMA/CD – Slot Time

§ Nas redes Ethernet com taxa de transmissão de 10Mbps o tamanho

mínimo dos frames foi fixado em 512 bits (64 bytes), o que corresponde a um tempo de transmissão de 51,2 microsegundos. Esse tamanho de

quadro é uma decisão histórica e, na prática, impraticável a sua alteração.

§ Obs: o jam signal tem tamanho 32 bits.

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CSMA/CD - Espera Aleatória Exponencial Truncada

§ Supondo um slot time de 51.2µs:

1. Quando ocorrer a primeira colisão, envie um “jamming signal” para prevenir que mais dados sejam enviados (obs: jam signal = 32 bits).

2. Retransmita o frame após ou 0 segundos ou 51.2µs, escolhido randomicamente.

3. Se houver falha (nova colisão), retransmita o frame após ou 0s, ou 51.2µs, ou 102.4µs, ou 153.6µs.

4. E isso ainda não funcionar, retransmita o frame após k · 51.2µs, onde k é um número randômico entre 0 e 2³ − 1.

5. Em geral, após uma i-ésima tentativa (falha), retransmita o frame

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Resumo CSMA/CD

§ Para baixas cargas, o CSMA/CD pode chegar a uma utilização de até 98%.

§ Para grandes volumes de tráfego, o método exibe uma certa instabilidade.

§ Retardo de transferência máximo também não pode ser garantido pelo método.

§ CSMA/CD com espera aleatório exponencial truncada tornou-se um padrão internacional.

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Enlace - Detecção de Erros

§ Os erros que podem ocorrer sobre os suportes de transmissão tem como causas os mais diversos fenômenos físicos, como por exemplo, o ruído térmico, provocado pela agitação dos elétrons nos cabos de cobre.

§ Independentemente do fenômeno causador de erro, estes tendem a gerar normalmente verdadeiros pacotes de erros (error bursts) e não erros

simples.

§ O controle de erros de transmissão é uma das funções mais importantes asseguradas pela camada de enlace (usualmente implementado na

subcamada LLC).

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Controle de Paridade

§ 00100110, o bit de paridade vale 1

0 xor 0 xor 1 xor 0 xor 0 xor 1 xor 1 xor 0 = 1, paridade impar

§ Emissor envia 001001101

§ O receptor, calcula a paridade novamente e compara com o último bit enviado; se houver diferença, houve erro de transmissão

§ Limitação:

§ Se um número par de bits foram transmitidos com erro, o método não é capaz de detectar o erro.

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Paridade Longitudinal

(BSC - Block Check Sum)

§ Alem de enviar o bit de paridade, envia uma palavra (byte) com o XOR de todas as palavras a serem enviadas.

§ Esta técnica é largamente utilizada em protocolos de rede mais simples, mas tem uma eficiência limitada

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CRC – Cyclic Redundancy Code

§ Considera-se que os bits de uma cadeia de caracteres são os coeficientes de um polinômio.

§ Por exemplo, a palavra 110001 contém 6 bits e representa o polinômio x⁵ + x⁴ + 1

§ A técnica consiste em adicionar a um bloco de dados um conjunto de bits de controle, de modo que o quadro (dados + bits de controle) seja

divisível por um polinômio G(x)

§ Na recepção, a entidade de Enlace efetua a divisão dos bits compondo o quadro pelo polinômio gerador. Caso o resto seja diferente de zero, é

caracterizada então a ocorrência de um erro de transmissão.

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CRC – Cyclic Redundancy Code

§ Exemplos de polinomios geradores, G(x)

§ CRC-12 = x¹² + x¹¹+x³ + x²+x +1

§ CRC-16 =x¹⁶ + x¹⁵+x²+1

§ CRC-CCITT = x¹⁶+ x¹²+x⁵ +1

§ O polinômio CRC-CCITT é capaz de detectar:

§ todos os erros de paridade

§ todos os erros de 2 bits

§ todos os pares de erros de 2 bits cada

§ blocos de erros não excedendo 16 bits

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Exemplo de Calculo - CRC

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Protocolos de Enlace – Transmissões Confiaveis

§ Se há erros, não é possível recuperar o dado diretamente, é preciso aguardar a confirmação do destinatário (Acknowledgement, ACK)

§ Stop-and-wait:

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Stop-and-wait (Problemas)

§ Problema para o Receptor!!

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Stop-and-wait

§ Uso de numeros de sequencia

§ Transmissor envia pacote 0;

§ Receptor envia ACK 0;

§ Se o ACK é perdido, trasnmissor temporiza e reenvia pacote 0;

§ Receptor sabe qua acabou de receber 0, descarta o pacote, mas reenvia ACK 0

§ Transm. Recebe ACK 0, envia pacote 1

§ Apenas 0 e 1 são necessarios

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Janela Deslizante (Sliding Window)

§ Permite varios pacotes “em transito”, sem confirmação de recebimento

§ Comportamento do receptor frente a perdas depende da sua janela de recepção

§ Go-Back-N

§ Problema: Muitos pacotes podem ser recebidos corretamente e ter que ser reenviados

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Janela Deslizante (Sliding Window)

§ Recepção Seletiva

§ Problema: Complexidade de manter varios pacotes recebidos fora de ordem

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Janela Deslizante (Sliding Window)

§ Recepção Seletiva

§ O envio do NAK2 acelera o reenvio do pacote 2.

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Ethernet/IP

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