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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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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.