Modelos de Redes em Camadas

GIL PINHEIRO

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Modelos de Redes em

Camadas

1. Arquitetura de Sistemas de Automação

• Sistemas Centralizados

• Sistemas Distribuídos

• Sistemas Baseados em Redes

• Arquitetura Cliente-Servidor

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Sistemas Centralizados

• Apenas uma CPU central (custo

elevado)

• Processamento centralizado

• Software monolítico

• Menor confiabilidade

• Escalabilidade ruim

Sistemas Distribuídos

• Diversas CPUs operam cooperativamente

• Processamento distribuído

• Controle efetuado nos controladores

• Maior confiabilidade

• Boa escalabilidade

• Requer comunicação entre CPUs

• Exemplo: SDCD

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Arquitetura Cliente-Servidor

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

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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

Exemplo 1: Detalhe do Cliente e

Servidor WEB [5]

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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

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

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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

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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

0,1 m

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

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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)

Redes de Escritórios

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Redes de Automação Industrial

As-I/DeviceNet/DP/etc

H1

Ethernet

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

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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:

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

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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

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

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3. O Modelo de Referência

ISO/OSI

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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

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

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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

Exemplo: Comunicação entre

Camadas ISO/OSI

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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 Sessão Transporte Rede Enlace Física

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

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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

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

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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

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

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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

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

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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

Exemplo 1: Protocolos MODBUS

• Família de protocolos MODBUS: MODBUS-RTU, MODBUS-PLUS e MODBUS-TCP

• MBAP = ModBus Application Protocol

MBAP RTU EIA-232/485, MBAP Proprietário HDLC EIA-485 / 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