introduccion a las redes de comunicaciones

Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática Informática Industrial

Arantza Burgos

Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de BilbaoDepartamento de Ingeniería de Sistemas y Automática

Informática Industrial

eman ta zabal zazu

Introducción a las Redes de Comunicaciones

eman ta zabal zazu

2

Indice

1. Introducción.2. Clasificación General de las Redes de Comunicaciones.

2.1. Pirámide de Automatización.2.2. Disposición Geográfica.2.3. Tecnología de transmisión2.4. Tipo de canal que emplean.

3. Ventajas e Inconvenientes de las Redes.4. Componentes de una Red.5. Características de una Red.


Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

3

¿Qué es una red?Un grupo de dispositivos físicamente conectados conjuntamente para

compartir información, recursos y un medio de transmisión común.

1. Introducción

Controlar el flujo de informaciónSeguridad, accesibilidad, control de DatosCentralizar recursos

Ahorrar gastos en las estaciones de trabajo locales y perifericos. Simplificar Datos / manejo de software

Respaldos, disponibilidad de drives, mantenimiento de SI Compartir infomación con múltiples usuariosDistribuir tareasReducir necesidades locales de capacidad de CPU

¿Porqué necesitamos una red ?

eman ta zabal zazu

4

Atendiendo al nivel de la pirámide donde se sitúan:Red de gestiónRed de célulaRed de planta

Atendiendo a la escala:Redes MiniaturaRedes de Área Local (LAN: Local Area Network)Redes de Área Metropolitana (MAN: Metropolitan Area Network)Redes de Área Amplia (WAN: Wide Area Network)Redes InternacionalesRedes HAM (Home Area Network)Redes PAM (Personal Area Network)

Atendiendo a la tecnología de transmisión:Enlaces de DifusiónEnlaces de Punto a Punto

Atendiendo al tipo de canal que emplean:Redes privadas de comunicacionesRedes públicas

2. Clasificación General de las Redes de Comunicaciones

Red de DatosRed de Control


Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

5

Atendiendo a su topología:Bus, Malla Completa, Celular, Estrella, Anillo, Arbol...

Según la relación lógica entre sus nodos:Cliente/ServidorDe igual a igual (P2P Peer-to-Peer)Productor/Consumidor

Atendiendo al medio de transmisión:Redes Inalámbricas

Según el método de acceso al medio:Ethernet, Token-Ring, Token-Bus, FDDI .....

Más:Redes Digitales de Servicios Integrados (ISDN), Red Telefónica Conmutada (RTC), Télex, Iberpac, Internet, ATM, ADSL, Frame Relay...

...................................................


eman ta zabal zazu

6

Clasificación de las Redes de comunicación

Según la distancia entre procesadores

Redes LAN

Redes MAN

Según la tecnología usada

Ethernet Token RingSNA DECNET

Según la Conexión de

nodos de la redDe acuerdo con su arquitectura

Malla Anillo Mixta Estrella Jerárquica

Redes Conmutadas

Redes de Difusión

Según técnicas de conmutación

Conmutación de Circuitos

Conmutación de Paquetes

Conmutación de Mensajes

Datagrama Circuito Virtual

Redes Satélite

Radio

Redes WAN

Redes LAN



Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

7

2. Clasificación General de las Redes de Comunicaciones2.1 Pirámide de Automatización

En el nivel de campo se requiere el intercambio de un gran volumen de datos en tiempo real y a menudo de forma cíclica. En los niveles más altos los datos intercambiados son en general de menor volumen y admiten retardos, pero la comunicación ha de ser muy fiable.

Podemos hablar en realidad de dos tipos de redes:

Redes de Control: ligadas a la parte baja de la pirámide.Redes de Datos: más ligadas a las partes altas de la jerarquía.

La implementación completa de todos los niveles de la piramide da lugar a la aparición del CIM (Computeer Integrated Manufacturing). El principal inconveniente para el logro de esta integración se encuentra en los problemas que presenta la intercomunicación de los elementos de la base de la pirámide.En el esquema piramidal existen diferentes niveles de comunicación, cada uno de ellos con diferentes necesidades.

eman ta zabal zazu

8


Can

tidad

de

dato

s

Tiem

po d

e tra

nsm

isió

n

En general, las redes de datos están orientadas al transporte de grandes paquetes de datos, que aparecen de forma esporádica (baja carga), y con un gran ancho de banda

para permitir el envío rápido de una gran cantidad de datos.

En contraste, las redes de control se enfrentan a un tráfico formado por un gran número de pequeños paquetes, intercambiados con frecuencia entre un alto número de

estaciones que forman la red.


Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

9


Los distintos requerimientos de información de cada uno de los niveles de la pirámide de automatización implican que en una compañía medianamente compleja no exista una única red que sea capaz de cumplir simultáneamente con las dos primeras características exigibles a una red de comunicaciones industriales (flexibilidad y funcionamiento en tiempo real). Por ese motivo, parece lógico pensar en el desarrollo de diferentes redes de comunicaciones que resuelvan los problemas específicos de cada nivel y después establecer mecanismos de interconexión entre ellas. En principio, las redes de datos que estudiaremos podrían emplearse para su uso como redes de control, sin embargo, que no resultan adecuadas para las necesidades de este tipo de aplicaciones.

Por ejemplo, la red Ethernet tiene una gran eficiencia, hasta el 90-95% de la capacidad del canal cuando los mensajes son largos y suficientemente espaciados. Sin embargo,

la cantidad de información que una red Ethernet es capaz de transportar cae

bruscamente cuando se utiliza por encima del 35 % de la capacidad del canal, si el

tamaño de los mensajes es pequeño

eman ta zabal zazu

10



Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

11


Atendiendo al nivel de la pirámide donde se sitúan, las redes de comunicaciones industriales se pueden clasificar en tres tipos:

Red de gestión: interconecta grandes computadoras y estaciones de trabajo (diseño, planificación,...). Su tráfico típico consiste en transferencia de ficheros, lecturas y escrituras en bases de datos remotas, e intercambio de mensajería. No se requieren prestaciones de tiempo real, pero es necesaria una flexibilidad muy elevada.Red de célula: los dispositivos que se conectan a la red son ordenadores personales, PLCs, robots, etc. El tráfico de esta red está dedicado a la transferencia de programas y parámetros a/desde los controladores inteligentes, sincronización de la actividad dentro de la célula de producción, y transmisión de alarmas y eventos. Este tipo de red tiene unas exigencias mixtas, por una parte debe ser suficientemente rápida para transmitir alarmas y eventos de sincronización (del orden de unos pocos segundos), y al mismo tiempo debe ser capaz de transferir gran cantidad de datos a equipos muy distintos.Red de planta: a este tipo de red se conectan controladores, sensores inteligentes, actuadores, etc. El tráfico de esta red está compuesto por lecturas de bits realizadas periódicamente, comandos, envíos asíncronos, etc. Su característica más importante es que debe transmitir la información en tiempo real (del orden de unos pocos milisegundos).

eman ta zabal zazu

12

2. Clasificación General de las Redes de Comunicaciones2.2 Disposición Geográfica

Clasificación según la disposición geográfica:

Redes miniatura

Redes de área local (LAN Local Area Network))

Redes de área metropolitana (MAN Metropolitan Area Network).

Redes de área extensa (WAN Wide Area Network).

Redes HAM (Home Area Network).

Redes PAM (Personal Area Network).

Redes Internacionales.


Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

13


Cubren distancias inferiores a unos pocos metros.

Sirven principalmente para interconectar múltiples elementos en un ordenador (o equipo industrial) distribuidos en una o varias placas de circuito impreso.

En algunos casos este tipo de redes transmiten la información por medio de varias líneas de datos, confundiéndose así con los buses paralelos.

A este tipo de arquitecturas se las suele llamar closelycoupled systems.

Redes miniatura

eman ta zabal zazu

14


La necesidad de intercambiar información de manera rápida y confiable entre dispositivos como cámaras digitales, agendas electrónicas, teléfonos móviles, relojes, equipo médico, computadores y equipos de red, fue en sus inicios, sinónimo de sistemas que implicaban una limitación para maniobrar los elementos y el requerimiento de emplear cables de interfaz.

No obstante, la evolución en las interfaces de aire en términos de eficientes esquemas de modulación y reducido requerimiento de potencias de transmisión, sumados a la miniaturización de la electrónica representada en crecientes capacidades de almacenamiento y procesamiento de datos, han permitido a la industria reemplazar los cables por sistemas de interconexión inalámbricos en búsqueda de verdadera flexibilidad y comodidad para el usuario final, originando al mismo tiempo, el concepto de redes de área personal, el cual es empleado para representar a todas las comunicaciones inalámbricas punto a punto o punto a multipunto que se producen en un espacio no mayor a cinco metros y entre dispositivos móviles y/o portátiles.

Actualmente existen dos tendencias, cada una hereda del espectro de radiofrecuencia o infrarrojo respectivamente, todas sus restricciones y fortalezas, lo cual hace que sea cada propuesta apta para diferentes aplicaciones.

Redes PAM (Personal Area Network).


Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

15


Extensión máxima no superior a 3 kmSirven para conectar los distintos equipos que están distribuidos a lo largo de un edificio de oficinas o de una planta de producción. También llamada Red de Acceso. Porque se utiliza para tener acceso hacia una red de área extendida. Este tipo de red cuando no posee conexión con otras redes, porque no está conectada a una red de área extendida, se le llama Red Interna (Intranet).Sus principales características son:⇒ Con este tipo de redes se consiguen velocidades de transmisión

relativamente altas (del orden de 1 Mbps a 1Gbps ). ⇒ La tasa de errores es relativamente baja al emplear elementos de

conexión de alta calidad (cables blindados, fibra óptica, etc.)⇒ La práctica totalidad de redes industriales y buses de campo caen

dentro de este apartado.

Redes de área local (LANs)

eman ta zabal zazu

16


Se trata de redes, normalmente creadas por una compañía telefónica local, que han sido diseñadas para servir a los clientes de una misma ciudad; se pueden extender hasta unos 50 kms. Operan a velocidades altas Las MAN utilizan medios de transmisión fiables, como son: fibra óptica, enlaces por microondas, cable coaxial e incluso radio celular (radioteléfonos en coches).Aplicaciones:

Proporcionan un conjunto integrado de servicios para la transmisión de voz, imagen y datos en tiempo real.Interconexión de redes de área local (LAN) Despliegue de Zonas Wifi sin necesidad de utilizar Backhaulinalambrico (liberando la totalidad de canales Wifi para acceso), supone mas del 60% de mejora en la conexión de usuarios wifi. Pasarelas para redes de área extensa (WAN)

Redes de área metropolitana (MAN)


Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

17


eman ta zabal zazu

18


Sirven para intercambiar información con ordenadores muy lejanos por medio de canales de comunicación públicos o privados. Es comúnmente dos o mas redes de área local interconectadas, generalmente a través de una amplia zona geográfica.Sus principales características son:⇒ La tasa de errores en estas redes en mucho más elevada que en la

LANs y, por lo tanto, los protocolos deben atender a la recuperación de paquetes defectuosos.

⇒ Para una conexión, la velocidad de transmisión es relativamente bajadebido a que se comparten los canales de comunicación.

⇒ En la actualidad, representan el tipo de redes que más rápidamente están evolucionando al ir incorporando comunicaciones telefóniocas inalámbricas (por medio de teléfonos móviles), por microondas, vía satélite, etc.

⇒ Un ejemplo actual de WAN es la red Internet.

Redes de área extensa (WANs)


Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

19


eman ta zabal zazu

20



Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

21


Tipos de RedesVelocidadDistanciasTasa de errores

Tipo de Red Velocidad DistanciaRed de AreaLocal (LAN) 1-20 Mbps. < 25 Km.

Red de Area Localde Alta Velocidad 100 Mbps. < 200 Km.

Red de AreaMetropolitana (MAN) 30 Mbps. - 1 Gbps. < 160 Km.Red de Area ExtensaTradicional (WAN) 10 Kbps - 1,5 Mbps. sin límite.

Red de Area Extensade Alta Velocidad(WAN) 50 Mbps - 1 Gbps sin límite.

IEEE 802.6 (DQDB)

Fast Ethernet100VG-AnyLAN

Iberpack X.25Conm.de circuitosRDSI, Frame RelayATM

En el mismo local.LAN; Red de Área Local. En el mismo piso.

En el mismo edificio.

MAN; Red de Área Metropolitana.(Interconexión de LAN)

En la misma Zona.En la misma Área Interurbana.

En la misma ciudadWAN; Red de Área Amplia.

(Interconexión de MAN).En el mismo estado.En el mismo país.En el mismo continente.

eman ta zabal zazu

22


10010-1 101 102 103 104 105 106

104

105

106

107

108

Velo

cida

d de

Tra

nsm

isió

n (b

ps)

Multi-procesa-

dores Redes deArea Local

Redes de AreaExtensa Tradicionales

Redes de AreaExtensa

Alta Velocidad

Redes de AreaMetropolitana

Redes de Area LocalAlta Velocidad

Distancia (metros)


Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

23

2. Clasificación General de las Redes de Comunicaciones2.3. Tecnología de Transmisión

Enlaces de Difusión:Tienen un solo canal de comunicación, por lo que todas las máquinas de la red lo comparten. Si una máquina envía un mensaje, todas las demás lo reciben. Un campo de dirección dentro del paquete especifica el destinatario. Cuando una máquina recibe un paquete, verifica el campo de dirección y si es para ella lo procesa y si no lo ignora.La mayoría de estos enlaces permiten el envío a todas las máquinas (broadcasting) o a un subconjunto de ellas (multicasting).

Enlaces de Punto a Punto:Constan de muchas conexiones entre pares individuales de máquinas. Para ir del origen al destino, un paquete de información debe recorrer una o más máquinas intermedias. A menudo existen varias rutas o longitudes diferentes por lo que determinar la ruta correcta es un aspecto importante de este tipo de enlaces.

eman ta zabal zazu

24

2. Clasificación General de las Redes de Comunicaciones2.4 Tipo de Canal que Emplean

Redes privadas de comunicaciones: enlazan los equipos de una misma empresa, normalmente en un mismo edificio. Por ellas transitan sólo datos propios de la empresa. Si se desea, se pueden adaptar a las necesidades específicas de una empresa (encriptación de la información, prioridades para los mensajes, etc.) y no respetar los estándares universalmente aceptados (aunque, en general, no es una política correcta).

Redes públicas: se basan en las redes que proporcionan las compañías telefónicas. Entre ellas cabe destacar: la Red Telefónica Conmutada (PSTN), la Red de Datos Conmutada (PSDN), la Red Digital de Servicios Integrados (ISDN en inglés o RDSI en castellano), IBERPAC, Infovía, etc. Admiten la conexión de un número ilimitado de equipos. La red de telefónica normal.


Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

25

2. Clasificación General de las Redes de Comunicaciones2.5 Medio de Transmisión

Clasificación de las redes Inalámbricas1. Redes inalámbricas personales

Infrarrojos: redes limitadas dado su corto alcance, necesidad de "visión sin obstáculos" entre los dispositivos que se comunican y su baja velocidad (hasta 115 kbps). Ordenadores portátiles, PDAs (Agendas electrónicas personales), teléfonos móviles y algunas impresoras.Bluetooth, pequeños dispositivos de uso personal, como pueden ser los PDAs, teléfonos móviles de nueva generación y algún que otro ordenador portátil. Su principal desventaja es que su puesta en marcha se ha ido retrasando desde hace años y la aparición del mismo ha ido plagada de diferencias e incompatibilidades entre los dispositivos de comunicación de los distintos fabricantes que ha imposibilitado su rápida adopción. Opera dentro de la banda de los 2'4 Ghz.

2. Redes inalámbricas de consumoRedes CDMA (estándar de telefonía móvil estadounidense) y GSM (estándar de telefonía móvil europeo y asiático). 802.16 son redes que pretenden complementar a las anteriores estableciendo redes inalámbricas metropolitanas (MAN) en la banda de entre 2 y 11 Ghz.

eman ta zabal zazu

26

2. Clasificación General de las Redes de Comunicaciones2.5 Medio de Transmisión

3. Redes inalámbricas 802.11Las redes inalámbricas o Wireless Networks (WN) básicamente se diferencian de las redes conocidas hasta ahora por el enfoque que toman de los niveles más bajos de la pila OSI, el nivel físico y el nivel de enlace, los cuales se definen por el 802.11 del IEEE (Organismo de estandarización internacional). Nos encontramos ante tres principales variantes:

1- 802.11a: primera aproximación a las WN,y llega a alcanzar velocidades de hasta 54 Mbps dentro de los estándares del IEEE y hasta 72 y 108 Mbps con tecnologías de desdoblamiento de la velocidad ofrecidas por diferentes fabricantes, pero que no están (a día de hoy) estandarizadas por el IEEE. Esta variante opera dentro del rango de los 5 Ghz. Inicialmente se soportan hasta 64 usuarios por Punto de Acceso.

2- 802.11b: es la segunda aproximación de las WN. Alcanza una velocidad de 11 Mbps estandarizada por el IEEE y una velocidad de 22 Mbps por el desdoblamiento de la velocidad que ofrecen algunos fabricantes pero sin la estandarización (a día de hoy) del IEEE. Opera dentro de la frecuencia de los 2'4 Ghz. Inicialmente se soportan hasta 32 usuarios por PA.

3- 802.11g: tercera aproximación a las WN, y se basa en la compatibilidad con los dispositivos 802.11b y en el ofrecer unas velocidades de hasta 54 Mbps. A 05/03/2003 se encuentra en estado de borrador en el IEEE. Funciona dentro de la frecuencia de 2'4 Ghz.


Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

27

4. Ventajas e Inconvenientes de las Redes de Comunicaciones

Las principales ventajas que aportan las redes respecto a las tradicionales comunicaciones punto a punto son:

Su sencillez en el cableado facilita la distribución de los elementos en las oficinas y plantas de producción.Permiten compartir recursos eficientemente: unidades de almacenamiento de datos, impresoras, sistemas de adquisición de datos, etc. Se puede acceder a datos remotos como si estuviesen en el propio nodo.Permiten distribuir el control y/o los cálculos entre los diversos procesadores presentes en la red.Presentan una alta fiabilidad en la transmisión de datos, detectando y recuperando errores de forma transparente para el usuario.Frente a las conexiones punto a punto vía RS-232, las redes trasladan grandes cantidades de información binaria en pequeños lapsos de tiempo (programas de control para máquinas, ficheros de datos, etc.).

eman ta zabal zazu

28

4. Ventajas e Inconvenientes de las Redes de Comunicaciones

El empleo de redes también presenta una serie de aspectos no ventajosos a tener en cuenta:

Su costo es más alto que el de las comunicaciones punto a punto.

Excepto algunas redes de oficina (basadas principalmente en el tipo Ethernet), muchas de las redes proporcionadas por distintos fabricantes no son compatibles entre sí.

El acceso a la información es, a priori, mas abierto y eso puede causar violaciones de la privacidad y/o modificaciones no deseadas en los datos.


Arantza Burgos

eman ta zabal zazu

29

5. Componentes de una Red

Los principales elementos de que costa una red se pueden agrupar en tres grandes bloques:

Nodos o sistemas finales: pueden ser ordenadores o equipos industriales tales como robots, PLCs, CNCs, etc. Son aquellos elementos que utilizan la red para transmitir información. La propia CPU del nodo no se encarga habitualmente de manipular las señales digitales que formarán el mensaje que viaja por la red; para realizar esta labor (y además para implementar parte del protocolo) se emplean unos dispositivos especiales que se denominan tarjetas de red.Líneas de transmisión: comprenden los diversos tipos de cables por donde circula la información y sus conexiones a las tarjetas de red de los nodos.Elementos intermedios: son los dispositivos encargados de manejar y redirigir la información. No es necesario que sean capaces de “entender” la información que intercambian los usuarios, sino solo la que está relacionada con su tránsito por la red. Son imprescindibles cuando una red está compuesta por varias subredes o cuando los mensajes no se distribuyen directamente a todos los nodos de la red sino que son enviados de un nodo a otro.

eman ta zabal zazu

30

6. Características de una Red

Existe una gran variedad de redes locales con muy diferentes características. Los elementos diferenciadores más representativos son:

Medio de Transmisión: Define las características del medio físico de interconexión de los elementos conectados a la red. Los medios más usuales son: el par de hilos trenzados y el cable coaxial, aunque la fibra óptica se presenta como una alternativa importante a medio y largo (e incluso ya a corto) plazo. También se usan otros métodos como transmisión por radio.Modo de Transmisión: Determina la manera de aprovechar el ancho de banda o capacidad de transmisión del medio físico. Puede ser:

Banda base: se refiere a señales no lineales, digitales o señales de un número finito de estados.Banda ancha: incluye señales de tipo analógico.

Topología: Define las relaciones de interconexión de los diferentes componentes de la red. Las más utilizadas son: bus y anillo, y en menor medida, estrella y malla.Técnicas de Acceso: Se trata de los métodos o procedimientos que permiten a los diferentes nodos acceder al medio de transmisión de forma ordenada y sin conflictos con los demás usuarios.

introduccion a las redes de comunicaciones

Documents