03 - arquitectura de redes de comunicación

Tecnologías de Control

Arquitectura de RedesModelo de Referencia OSI

TEMA – Arquitectura de Redes – Modelo de Referencia OSI

1. – Introducción

1.1 – Jerarquías de Protocolos

1.2 – Comunicación entre Niveles

2. – Modelo de Referencia OSI de ISO

2.1 – Niveles de Referencia

2.2 – Enlace entre Sistemas

2.3 – Comunicación entre Niveles

2.4 – Unidades de Datos

2.5 – Servicios y Primitivas

3. – Arquitecturas de Redes Industriales

3.1 – Redes de Planta

3.2 – Buses de Campo

Índice

Introducción

Jerarquías de Protocolos

Niveles de Comunicación

Problemas de Diseño para las Capas

Jerarquías de Protocolos

Capas o Niveles: Organización de las redes

Protocolos: Reglas y convenciones utilizadas entre capas del mismo nivel en diferentes máquinas

Procesos Pares: Entidades que forman las capas correspondientes en máquinas diferentes

Interfases: Enlace entre capas adyacentes en la misma máquina

Servicios

Primitivas

Arquitecturas de Red: Conjunto de capas y protocolos

Filósofo - KeniaOrrictogaluscaniculus

Traductor

Secretaria

Me gustan los conejos

I: Swahili


I: EspañolFax: #.....

Filósofo - FranciaJ’aime des lapins

Traductor

Secretaria


I: Francés


I: EspañolFax: #.....

Mensaje

Información para el traductor remoto

Información para la secretaria remota

3 3

1

22

1

Comunicación entre Niveles

Problemas en el Diseño de Capas

Mecanismos de Conexión: Cada capa su mecanismoReglas para la Transferencia de Datos:

Comunicación Simplex

Comunicación SemiDuplex

Comunicación Duplex

Control de ErroresOrdenación de MensajesLongitud de MensajesConversaciones MúltiplesEncaminamiento entre Redes

OSI de ISO

Introducción

Niveles de Referencia

Enlace entre Sistemas

Comunicación entre Niveles

Unidades de Datos

Primitivas

Tipos de Servicios

Significado

Necesidad

Ventajas

OSI: Open Systems InterconnectionModelo de referencia de 7 capas o nivelesAprobado por ISO en 1984

Caos en el intercambio de información en la telecomunicacionesImposibilidad para el usuario de alcanzar un entorno multi-proveedor

Establecimiento de un marco sintáctico y semántico únicoDefinición de interfaces para la modularización con varios proveedoresClaridad que potencia el desarrollo

OSI – Introducción (I)

RACIONALIZACIÓN DE LA TELEMÁTICA

Objetivos

Necesidad de 7 Niveles

Especificaciones

Dividir la red de comunicación en un número mínimo de capas independientes con un mínimo común entre capas independientes

Sistema de 7 niveles

Una capa por cada nivel diferente de abstracciónCada capa realiza una función bien definidaLa función de cada capa se debe elegir pensando en la definición de protocolos estandarizados internacionalesMinimizar el flujo de información entre capasSuficientes capas para no agrupar diferentes funciones en la misma capa, pero no tantas que sea inmanejable

SÍ lo que debe hacer cada capa (funcionalidad)NO cómo lo debe de hacer (servicios y protocolos exactos)

OSI – Introducción (II)

7 Niveles

NIVEL DE TRANSPORTE

NIVEL DE ENLACE

NIVEL DE RED

NIVEL FÍSICO

NIVEL DE SESIÓN

NIVEL DE PRESENTACIÓN

NIVEL DE APLICACIÓN

OSI – Niveles de Referencia

Nivel Físico

Funcionalidad

Cometido

Medios de Transmisión

• Transmisión de bits por un canal de comunicación

• Interfaces mecánicas y eléctricas:- Conectores, resistencias terminadoras,...- Nivel de tensión para tener 0 ó 1- Tipo de modulación- Tiempo de duración de un bit

• Par trenzado• Cable coaxial • Fibra óptica

FÍSICO

ENLACE

RED

TRANSPORTE

SESIÓN

PRESENTACIÓN

APLICACIÓN

OSI – Nivel Físico

• Ondas de radio• Microondas• Infrarrojos

Nivel de Enlace

Funcionalidad

Subcapas

• El nivel de enlace se puede dividir en 2 subcapas:LLC (Logical Link Control)MAC (Medium Access Control)

LLC

MAC

ENLACEFÍSICO

ENLACE

RED

TRANSPORTE

SESIÓN

PRESENTACIÓN

APLICACIÓN

OSI – Nivel de Enlace (I)

• Mecanismos de acceso a la red• Comunicación entre dos equipos próximos

LLC - Logical Link Control

MAC - Medium Access Control

Concepto de enlace:- 2 máquinas unidas por un medio de transmisión

Establece un acceso fiable entre 2 nodos adyacentes de una red:- Inicializar o terminar el enlace- Detección y corrección de errores- Sincronización según sea el protocolo:

• Orientado al bit• Orientado al carácter

- Control de flujo

Cómo controlar el acceso al medio compartido (mecanismo de arbitraje):- Acceso por contienda

• Ethernet- Acceso sin contienda: paso de testigos

• Token Ring• Token Bus

OSI – Nivel de Enlace (II)

Nivel de Red

Funcionalidad

Tipos de Redes

Garantiza que la información que entra por un lado de la red salga por el otro extremo:- Encaminamiento- Control de congestión- Recuperación- Servicios en función de la calidad de la red- Facturación

Según el tamaño:- LAN (Local Area Network)- MAN (Metropolitan Area Network)- WAN (Wide Area Network)

FÍSICO

ENLACE

RED

TRANSPORTE

SESIÓN

PRESENTACIÓN

APLICACIÓN

OSI – Nivel de Red

Nivel de Transporte

FuncionalidadSepara el servicio de red del servicio de usuarioGarantizar un servicio independizándolo de cómo funciona la redEs una capa extremo a extremo: se consigue comunicación entre aplicaciones de la máquina origen y destinoEs el equivalente entre aplicaciones finales a lo que es el nivel de enlace entre máquinasEstablecer y liberar conexiones Control de flujo (diferente del de nivel de enlace)Puede multiplexar varias conexiones de transporte sobre una de red, o una conexión de transporte sobre varias de red FÍSICO

ENLACE

RED

TRANSPORTE

SESIÓN

PRESENTACIÓN

APLICACIÓN

OSI – Nivel de Transporte

Nivel de Sesión

Funcionalidad

Establecer la sesión lógica entre 2 máquinas, poniendo las reglas de diálogoSincronización entre procesosAdministración del testigo

FÍSICO

ENLACE

RED

TRANSPORTE

SESIÓN

PRESENTACIÓN

APLICACIÓN

OSI – Nivel de Sesión

Nivel de Presentación

Funcionalidad

Trata sobre el significado de la información• Semántica• Compactación• Encriptación• Seguridad

FÍSICO

ENLACE

RED

TRANSPORTE

SESIÓN

PRESENTACIÓN

APLICACIÓN

OSI – Nivel de Presentación

Nivel de Aplicación

FuncionalidadProporcionar servicios al usuario de la aplicación directamente.Aplicaciones específicas de uso general

• Correo electrónico• Transferencia de datos y ficheros• Terminal virtual• Transferencia y administración de trabajos• Comandos

FÍSICO

ENLACE

RED

TRANSPORTE

SESIÓN

PRESENTACIÓN

APLICACIÓN

OSI – Nivel de Aplicación

OSI – Enlace entre Sistemas

Repetidor Puente

Enrutador Pasarela

Elementos Básicos de OSI

Transferencia de ficheros

Coaxial <> Par trenzado

FTAM FTP

Ethernet

Token Ring

Token Bus

PC

OSI – Filosofía OSI

SERVICIO PROTOCOLO INTERFAZ

¿QUÉ? ¿CÓMO? ¿DÓNDE?

Entidad de nivel N+1

Entidad de nivel N+1

Entidad de nivelN

Entidad de nivelN

Protocolo entre entidades pares

Protocolo entre entidades pares

SERVICIOS PETICIÓN DE SERVICIO

Interfaz

OSI – Comunicación entre Niveles (I)

ENTIDAD N

ENTIDAD N+1

IDENTIFICADOR DE CONEXIÓN N

ENTIDAD N

SAP N

DIRECCIÓN SAP N

NIVEL N+1

NIVEL N

INTERFAZ

CONCEPTO DE SAP (Service Access Point)

OSI – Comunicación entre Niveles (II)

BITS

LH

NH

TH

SH

Proceso que envía Proceso que recibeDATOS

AH DATOS

PH APDU

PPDU

SPDU

TPDU

NPDU

FÍSICO

ENLACE

RED

TRANSPORTE

SESIÓN

PRESENTACIÓN

APLICACIÓNProtocolo de aplicación

Protocolo de presentación

Protocolo de sesión

Prot de transporte

Prot de red

Trayectoria real que siguen los datos

FÍSICO

ENLACE

RED

TRANSPORTE

SESIÓN

PRESENTACIÓN

APLICACIÓN

OSI – Unidades de Datos (I)

N+1

SDU PCI

PDUN

N-1

ICI

IDU

ICISDU

Service Data Unit

Protocol Control Information

Interface Control InformationProtocol Data Unit

Interface Data Unit

OSI – Unidades de Datos (II)

Fragmentación Agrupación

PCI SDU

PDU PDU

SDU SDU

PCI PCISDU SDU

PDU

SDU

N+1

N

OSI – Unidades de Datos (III)

Un servicio se especifica de manera formal con un conjunto de PRIMITIVAS (operaciones) disponibles para que un usuario u otra entidad acceda al servicio.Las primitivas indican al servicio que debe efectuar una acción o que notifique la acción que haya tomado la entidad par.

NIVEL N+1

NIVEL N

NIVEL N+2

NIVEL N-1

DESTINOORIGEN

PETICIÓN CONFIRMACIÓN RESPUESTA INDICACIÓN

OSI – Primitivas (I)

NIVEL N+1 NIVEL N+1Niveles 1...N cooperando cada uno con su par

Usuario de servicios A

Usuario de servicios B

PROVEEDOR DE SERVICIOS

No hay relación directa en el tiempo

PETICIÓNINDICACIÓN

CONFIRMACIÓNRESPUESTA

OSI – Primitivas (II)

Tipos de Servicios

Existen 2 clasificaciones:Según las primitivas

Confirmados:• Confirmado por el usuario• Confirmado por el proveedor

No confirmados:• Iniciado por el usuario• Iniciado por el proveedor

Según los nivelesOrientados a la conexiónNo orientados a la conexión

OSI – Tipos de Servicios (I)

SERVICIO CONFIRMADO POR EL PROVEEDOR

Usuario A Usuario B

Petición

Indicación

SERVICIO NO CONFIRMADO INICIADO POR EL USUARIO

Proveedor de Servicios Usuario A Usuario

B

Indicación Indicación

Proveedor de Servicios

SERVICIO NO CONFIRMADO INICIADO POR EL PROVEEDOR

Proveedor de ServiciosUsuario A Usuario B

Petición Indicación

Respuesta

ConfirmaciónSERVICIO CONFIRMADO POR EL

USUARIO

Tiempo

Usuario A Usuario B

Petición

Indicación

Confirmación

Proveedor de Servicios

Tiempo

Tiempo Tiempo

OSI – Tipos de Servicios (II)


CONNECT.reqCONNECT.ind

CONNECT.respCONNECT.conf

ESTABLECIMIENTO CONFIRMADO

Tiempo


DATA.reqDATA.ind

TRANSFERENCIA DE DATOS NO CONFIRMADA

Tiempo


DISCONNECT.reqDISCONNECT.ind

LIBERACIÓN NO CONFIRMADA

Tiempo

EJEMPLO DE SERVICIO

ORIENTADO A LA CONEXIÓN

OSI – Tipos de Servicios (III)


UNIDATA.reqUNIDATA.ind

TRANSFERENCIA DE DATOS NO CONFIRMADA

Tiempo

EJEMPLO DE SERVICIO NO ORIENTADO A LA CONEXIÓN

OSI – Tipos de Servicios (IV)

Integración de dispositivos de control

Nivel decorporación

Nivel de planta

Nivel de proceso

Nivel decélula

Nivel decampo

Gestión y diseñoHost y estación de trabajo

Planificación ycontrol de producciónEstación de trabajo

Control del procesoEstación de trabajo,PC industrial

FabricaciónAPI’s, CN’s, Robots,PC industrial

Sensores, actuadores,pequeños sistemasde control

Célula A, B, C..

sensor actuador reguladorM

Pequeños autómatas

API CN

Estructura Jerárquica de la Comunicaciones Industriales

Estructura Jerárquica de la Comunicaciones Industriales II

NivelPlantaNivel

Planta

Tiempo deCiclo de Bus

< 1000 ms


< 1000 ms

NivelProceso

NivelProceso


< 100 ms


< 100 ms

NivelDispositivo

NivelDispositivo


< 10 ms


< 10 ms

NivelPlantaNivel

Planta


< 1000 ms


< 1000 ms

NivelCélulaNivel

Célula


< 100 ms


< 100 ms

NivelCampoNivel

Campo


< 10 ms


< 10 ms

Arquitectura MAP (I)

Nace en la General MotorsObjetivo: comunicar equipos de diferentes fabricantesConsistente con el modelo de referencia OSI de ISOEstandarizada para IEEE 802.3 y para IEEE 802.4Servicios MMSDefinida en ISO 9506 parte I y II

Arquitectura MAP (II)

ISO 8473

ISO 8802.2, LLC

ISO 8073, clase 4

Aplicaciones de usuario

ISO 8327

MMS

ISO 8650/2 ACSE

ISO 8823

ISO 8802.3 ISO 8802.4CSMA/CD Token-Bus

ENLACE

APLICACION

PRESENTACION

SESION

TRANSPORTE

RED

FISICO

2b

2a

7b

7a

FTAM DS

Alternativas de Integración Industrial

Buses de actuadores – sensores:Se han presentado múltiples iniciativas

Interbus de Phoenix ContactAS-i (Actuador-Sensor Interface)DeviceNet (Controller Area Network CAN)

Buses de campo:Se han presentado múltiples iniciativas

Bitbus de IntelPROFIBUS de origen alemánControlNet (Controller Area Network CAN)

Requisitos para Redes de Planta

Diseñada para transmitir grandes cantidades de datosPosibilidad de conectar gran número de estacionesGran extensión de la redSe aceptan mayores costes de conexiónExigencias de tiempo real más reducidas

Requisitos para el Bus de Campo

Características de un Bus de CampoDiseñado para transmitir pequeñas cantidades de datos

Cubrir necesidades de tiempo real

Tener gran compatibilidad electromagnética

Número reducido de estaciones

Fácil configuración

Protocolos simples y limitados

Bajos costes de conexión

Pseudoconsistente con el modelo OSI de ISO

Ventajas que AportaReducir coste de cableado de la instalación

Facilita la ampliación o reducción de elementos

Permite integrar los dispositivos menos inteligentes

.

.

.

Mae

stro

• Tiempo de ciclo breve y constante

• Alta fiabilidad de la transmisión con datos de

pequeño tamaño y alta eficacia del protocolo

• Transmisión simultanea de datos de E/S y

mensajes sin influencia mutua

• Manejo sencillo

Requisitos para el Bus de Sensores/Actuadores

Válvula

BUS DE CAMPO

Presión Temperatura Flujo

CONTROLADOR

Buses de Campo (I)

Los buses de campo conectan actuadores, controladores, sensores y dispositivos similares en el nivel inferior de la estructura jerárquica de la automatización industrial.

Una arquitectura de bus de campo es un sistema abierto de tiempo real. Pero no necesariamente ha de conformarse con el modelo OSI de 7 capas, pues es más importante que la conexión sea de bajo coste y alta fiabilidad frente a las posibilidades de interconexión a redes generales.

mensaje 1 mensaje 2 mensaje 3

Transmisor Actuador

Controlador

Buses de Campo (II)

Objetivo: Reducción y simplificación del cableado a costa de reducir la disponibilidad de la información (codificación digital muestreada en el tiempo y discretizada en su valor).

La información se multiplexa temporalmenteCanal bidireccionalSe requiere un procedimiento de acceso de la información al canal Se requiere un método de identificación de la información transmitida

COMM

A/D D/A

Controlador

COMM

uC+conv

Buses de Campo (III)

Valor añadido: Aprovecha la tecnología para otras funcionalidadesCarga y descarga de programas

Seleccionar y controlar la ejecución de programas

Indicación continuada de operatividad y estado

Transmisión de información adicional a la de control

(Válvula: nº ciclos/día, temperatura carcasa, max/min/med, etc)

Identificación de dispositivo

Otras funcionalidades

Capa de Aplicación

Capa de Usuario

Capa de Enlace

XXXX

Capa Física

Capa de Usuario Bloques funcionalesModelos abstractosPerfiles de dispositivos

Capa de Aplicación Servicios de aplicaciónServicios de mensajería

Capa de Enlace Establecer y liberar el enlace lógicoControl de errores y flujo en el enlaceSincronización de la transmisiónControl de acceso al medio

Capa Física Velocidad de transferenciaTopología y distancias máximasCodificación y transmisión de datosCarac. electr. mecán. funcionales.

Estructura de Capas del Bus de Campo (I)

La configuración más ampliamente consensuada es la de tres capas, correspondientes a las capas física, enlace de datos y aplicación. También usualmente se considera la capa de usuario.

Estructura de Capas del Bus de Campo (II)

FÍSICO

ENLACE

RED

TRANSPORTE

FÍSICO

ENLACE

FÍSICO

Stack de Comunicaciones

USUARIO

Subnivel de Acceso FB

Especificación de Mensaje de FB

USUARIO

Modelo OSI Modelo Fieldbus

SESIÓN

PRESENTACIÓN

APLICACIÓN

USUARIO

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