capítulo iii tecnologia ethernet e suíte de protocolos tcp/ip€¦ · o tcp/ip é um conjunto de...

68O Setor Elétrico / Março de 2010

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Figura 1 – Frame Ethernet e modelo TCP/IP de quatro camadas

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Equipe de engenharia da Schweitzer Engineering Laboratories (SEL)

Capítulo III

Tecnologia Ethernet e suíte de protocolos TCP/IP

No processo de automação de subestação, é

necessáriomonitorarecontrolarasgrandezaselétricas,

o que inclui a comunicação destas grandezas entre

os Intelligent Eletronic Device (IEDs – Dispositivos

EletrônicosInteligentes).Paraefetivarestacomunicação

existe o que se convencionou chamar de “Protocolos

deComunicação”,que sãoas regrasquegovernama

comunicaçãoentredoisdispositivoseletrônicos.

Quando se desenvolve um Protocolo, as várias

tarefas necessárias para levar uma informação de um

IED até outro são separadas em camadas.Omodelo

TCP/IPdequatrocamadasémostradonaFigura1com

suasfunçõesdetalhadas.

•2.Camadadeenlace(link)ouIP(InternetProtocol);

• 3. Camada de transporte ouTCP (Transport Control

Protocol);

•4.Camadadeaplicação.

Observe amensagema ser enviada – quepoderia

ser um conjunto de medições trifásicas analógicas de

umdeterminadobarramentode230kVdasubestação,

consistindo das tensões (kV), correntes (A), potências

ativas(MW)ereativas(MVAr)–equeestárepresentada

nafiguracomacoramarela.

1.Estamensagemégeradapelasrotinas(softwares)que

rodam na camada de aplicação, dentro dos relés de

proteção,UnidadesdeAutomaçãoeControle(UACs)ou

UnidadesTerminaisRemotas(UTRs).

2. Ela sofre uma primeira “fragmentação” em pedaços

de65Kbytes e tambémoprimeiro “encapsulamento”,

nacamadadetransporte,gerandoum“segmento”.Este

recebe o cabeçalho TCP, também conhecido como

“envelopeTCP”,queéo“serviçoderede”.Detalharemos

os“serviçosderede”nospróximositens.

3. O “segmento” é novamente “fragmentado” em

“pacotes”de1,5Kbytes e “encapsulado”, gerandoum

“datagrama”.RecebeocabeçalhoouenvelopeIP,queé

oendereçoIPdocomputador.

4. Este “datagrama” é “encapsulado” com o envelope

Medium Access Control (MAC), também conhecido

comoMAC Address,compondoum“quadroEthernet”ou

“FrameEthernet”.

O “quadro Ethernet”, também conhecido como

“pacote”, é colocado na rede LAN/WAN,manipulado

Paraalcançarmosrapidamenteumavisãopanorâmica

do funcionamento do Protocolo TCP/IP, analisemos a

Figura1.

NomodeloTCP/IP,estãoincluídasasquatrocamadas:

•1.CamadafísicaouEthernet;

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Figura 2 – LAN, WAN, HUB, SWITCH E ROTEADOR

porswitcheseroteadoresparachegaraseudestino.

A analogia de envelopes é perfeita neste contexto: coloco a

mensagemnoenvelopeTCP,colocoesteenvelopedentrodoenvelope

IPeestedentrodoenvelopeMAC.Oreceptorvaiabrindoosenvelopes

elendosuamensagemecadacamada.Vamosdetalharesteprocesso,

iniciandopelacamadafísica.

Camada física ou camada EthernetOs“FramesEthernet” trafegamdentrodarede localouLAN.Neste

ambiente,todososcomputadoresnecessitamconhecerquaissãoas

outrasmáquinasqueestãonamesmaLAN.

O TCP/IP é um conjunto de protocolos e, por este motivo, é

conhecidocomosuíte,conjunto,pilhaestackTCP/IP.

OProtocolomaisbásicodestasuíteéoProtocolo Address Resolution

Protocol (ARP).ElemanipulaoMAC Address,queéumendereçode6

bytes,escritonaepromdasplacasderededenossoscomputadores.

OstrêsprimeirosbytesdoendereçoMACdefinemofabricanteda

placaeostrêsúltimossãonúmerossequenciaiscrescentes.Nãodevem

existirdois endereçosMACs iguais, amenosquehajaclonagensde

placas.

O Protocolo ARP funciona conforme explicação a seguir,

exemplificandoaligaçãodedoiscomputadoresemredepormeiode

umswitch.

1.OProtocoloARPfuncionadeformaautomática.

2. Ao ligarmos um computador, este, por meio do Protocolo ARP,

publicanaredeumamensagemdotipo:

•EusouocomputadordeendereçoMAC12F4E3,existemaisalguém

narede?

3. Todos os computadores ligados ao switch publicam mensagens

similareseleemasmensagenspublicadaspelosdemais.

4.Apósalgunsmilissegundos,todososcomputadoresmontamatabela

ARP.

5. Se um novo computador for ligado à rede, o ProtocoloARP se

encarrega de montar a sua tabela ARP e atualizar as dos demais

computadorespresentesnarede.

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ConformemostradonaFigura1,no“FrameEthernet”constam

doisMAC Address,umdeorigemeoutrodedestino.Portanto,em

umaLANfuncionamosMAC AddresseastabelasARP.Algomuito

importantedentrodaLANédiferenciaromododefuncionamento

doHUBedoswitch.

HUB Aanalogiamaiseficienteparadescreverseufuncionamentoéque

elesecomportacomoumgrandealto-falantenarede.Todososframes

querecebeemumaportasãorepetidosemtodasasoutras.Utilizaum

procedimentodeacessoàredeconhecidocomoCarrier Sense Multiple

Access/Colision Detect(CSMA/CD).Oscomputadores(placasderede)

monitoramobarramentoúniconoqualtodosestãoligados(HUB).

UmHUBde100MBPSdivideasuabandaentretodasasportas,ou

seja,sehouverem10portasligadas,cadaumapossuiumabandade10

MBPS.

Quando um computador necessita enviar uma mensagem, ele

verificaseobarramentoestálivrepormeiodeseuhardware“sensorde

portadora”(“Carrier Sense”).Emcasoafirmativo,eletomaobarramento

parasiefazatransmissão(Mac AddresseProtocoloARP).Istosechama

“arbitrarobarramento”.

Se dois computadores tentarem “arbitrar o barramento” ao

mesmo tempo, existe uma colisão e os dois retraem e lançam um

contadoraleatório.Oquecontarumnúmeromenor,retorna,“arbitra

obarramento”parasiefazsuatransmissão.Depois,vemosegundo

computadorefazsuatransmissão.

Podeocorrer,apósacontagemaleatória,acolisãocomumterceiro

ouquartocomputador.Istoconfigurauma“contençãodebarramento”,

ouseja,umaboaparceladetempoéutilizadapara“arbitrarbarramento”,

duranteaqualnenhumdadoétransmitido.

Este comportamento é conhecido como “não determinismo”,

poisnão segaranteum tempodeterminadoparaa transmissão.Este

comportamento não é admissível em automação de subestações.

Quandosepensaemmensagensdecontroleeproteçãoénecessário

agiremumperíodobemdeterminadodetempo,sobpenadecausar

sériosdanosàsubestação.Esteperíodoestáligadoaociclode60HZ,

comperíodode16,66milissegundos.Exige-seatuaçãoem¼deciclo,

ouseja,quatromilissegundos.

-Ora, então esta tecnologia – CSMA/CD – não é adequada?

Resposta: Esta tecnologia não é adequada em função do seu não

determinismo.

- Então, qual a solução?

Resposta: Utilizando switches que permitem o determinismo por

meio de LANs virtuais, recomendações IEEE Ethernet 802.P eQ;

mecanismos de priorização de mensagens IEEE Ethernet 802.W;

e Protocolos RSTP. Bons projetos de rede – levando em conta o

tempodetransmissãodospacotes–,complexidadedasoluçãoem

anelouestrela, redundânciaseos requisitosde tempo (4ms) são

fundamentais.

Switch1.Umadasprincipaiscaracterísticasdoswitchéqueele“aprende”os

endereçosMACdoscomputadoresqueestãoligadosemsuasportas.

Comportamentoconhecidocomo“MAC Learning”.Desta forma,ele

encaminhaos“FramesEthernet”somenteparaoscomputadoresque

possuemumdeterminadoMAC Address, nãodividindobanda.Não

utiliza o CSMA/CD, mas outro mecanismo conhecido como “Store

and Forward”,queeliminaacontençãodebarramento.Aeletrônica

embarcadaemumswitchémuitosuperioràdoHUB.

2.Podemsergerenciados,ouseja,colocamosaautomaçãodasubestação

emumaredebaseadaemswitches,portanto,necessitamossabercom

antecedênciaseexisteumadegradaçãonarede.Estesdispositivossão

inteligenteseseautodiagnosticam,monitoramerrosdeflash memory,

rede,temperatura,fonteealimentação,etc.Éindispensávelmonitorar

estascaracterísticasparagarantirobomfuncionamentodaautomação.

3.PermitemProtocoloRSTP.Éumprotocolodeautorreconfiguraçãoda

topologiaquandoháfalhas,rompimentosdefibrasóticas,etc.

4.Outrascaracterísticas:autonegociação–negociamavelocidadede

comunicaçãocomdispositivosmais lentos,baixandosuavelocidade

e conseguindo estabelecer a comunicação.Auto-Crossover - corrige

inversõesdeTXeRXnosconectoresPlug and Play.

Camada de enlace ou camada IP Nestacamada,sãodefinidososendereçosdoscomputadores,com

osquaissãoconhecidosnaWANouLAN.

Figura 3 – Endereços IP – classes A, B e C

Foramdefinidastrêsclasses,conformeaFigura3,quedefinem,para

aclasseA,poucasredespossíveis(2exp8=256)emuitoscomputadores

dentrodeumarede(2exp24).ParaaclasseB,distribuiçãoigualentre

computadoreserede(2exp16)e,paraaclasseC,muitasredes(2exp

24)epoucoscomputadoresdentrodeumarede.

Comadisseminaçãodousodecomputadoresnomundointeiro,

temeu-se por um esgotamento dos endereços IP disponíveis. Com

o intuitodeflexibilizarousodesses IPs, foicriadaa“máscara”,que

tambémpossui32bitsecujofuncionamentoéoseguinte:

Bit 1 – Define que o bit correspondente no endereço IP é “network”;

Bit 0 – Define que o bit correspondente no endereço IP e “computador”.

Portanto,a“máscara”permitemudarasclassesentreA,BouC.Esta

especificaçãodeendereçosIPséconhecidacomoIPV4.Comainclusão

da“máscara”,temosaIPV4CIDR(Classless Interdomain Resource),que

eliminaasbarreirasentreasclassesA,BeC.

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ExistemequipamentosquesóencaminhamoendereçoIP,jáoutros

encaminhamoendereçoIPea“máscara”,conhecidoscomoCIDR.

AlémdatabelaARP,existeoutraconhecidacomotabelaHosts,que

agrupaMAC Address,IPenomedocomputador.Asduasfuncionam

emconjuntoparaencaminharos“FramesEthernet”eIPnaLAN.

Existe uma especificação técnica em andamento, a IPV¨6, com

endereçoIPde128Bits.Talveznãoobtenharesultadosemcurtoprazo,

poisnecessitariadeumamudançaradicalnosequipamentosderede

(placasderede,hubs,switcheseroteadores)jáinstalados,gerandoforte

impactodecustos.

Roteadores SeumpacotegeradoporumcomputadorpossuiumendereçoIP

quenãopertenceàmesmaLAN,estepacotedeveserencaminhado

para aWAN por meio de um roteador. Observe na Figura 4 o

funcionamento de um roteador. Como os computadores, que

possuemas tabelasARPeHosts,os roteadorespossuemasRoute

Tables, que usam o mesmo conceito das tabelas ARP e Hosts e

são montadas automaticamente, por meio dos “protocolos de

roteamento”.

VejaocomputadorA:

-SeopacoteéparaumcomputadordamesmaredeLAN,astabelas

ARPeHostsresolvem;

-SeopacoteéparaumcomputadordaWAN,eleéencaminhadopara

oroteador,quesolucionacomatabeladeroteamento.

Figura 4 – Tabelas de roteamento

AquificaclarooconceitodeHOPouPulo.Umpacotenecessitade

umPuloparairparaumaredeadjacente,masváriosPulospararedes

distantes.OnúmerodePuloséconhecidocomo“Métricadoprotocolo

de roteamento”.Os roteadores, de uma forma sensata, procuram o

menorcaminhodentrodarede.OOpenShortestPathFirst (OSPF)é

umaimplantaçãodoprotocoloderoteamento.

Ressaltamosquerotearumpacoteédiferentedeumprotocolode

roteamento.Rotearéoatodeenviaropacoteaodispositivoendereçado.

Protocoloderoteamentoéomecanismoautomáticodemontaratabela

deroteamento.

Constatou-seque,paraumamétricasuperiora16(nomáximo16

PulosdentrodeumaWAN),oalgoritmoderoteamentoficabastante

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* Equipe de engenharia da Schweitzer Engineering Laboratories (SEL)CONTINUA NA PRÓXIMA EDIÇÃO

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Figura 5 – Sistemas autônomos e protocolos de fronteira

Figura 6 – TCP Port Number – serviços de rede

complexo,necessitandoderoteadorescomcapacidadesdeCPUsmuito

grandes,encarecendoasolução.Portanto,limitou-separaumafamília

deroteadoresonúmeromáximodeHOPsem16,queconstituium

“sistemaautônomo”.Ecriou-seumnovotipo:oroteadordefronteira.

Observe estes conceitos na Figura 5. Quando um “sistema

autônomo”ficamuitogrande,eleédivididoemdois,deformasimilar

aocrescimentodeumservivo,namitosecelular.Estaéa razãode

dizermosqueainternetcrescecomoum“organismovivo”.

O “serviço de rede” mais popular, disparado em primeiro

lugar, é o 80 –HTTP –WWWWorldWideWeb, que dispensa

apresentações. O “endereço” TCP é um número de 16 bits.

Portanto,podemexistir65.535serviçosderedesdiferentes.

Camada de aplicação Nestacamadarodamossoftwaresqueficamvisíveisnas telas

doscomputadores,porexemplo,osaplicativosdepropriedadedos

fornecedores.Nestacamada,tambéméfinalizadootrabalhodarede

edasuíteTCP/IP,poisopacotejáfoientregueaosoftwarededestino.Camada de transporte – TCP

OPacote–apósterosenvelopesMACeIPabertos,constatando

que estamensagemépara este computadormesmo–depara-se

comoenvelopeTCP,quedefineparaqual“serviçoderede”,este

pacotedeveserenviado.Vejaos“serviçosderede”naFigura6.