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FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Protocolos de Enlace Redes Industriais Semestre 01/2015 Engenharia de Controle e Automação

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Protocolos de EnlaceRedes Industriais Semestre 01/2015

Engenharia de Controle e Automação

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Revisão OSI

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Revisão OSI

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Revisão OSI

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Revisão OSI

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Implementações

Modelo OSI

Rede Internet

Rede Industrial

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Camada Fisica

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Camada Fisica - Codificações

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Camada Fisica

§ As informac ões podem ser transmitidas por fios, fazendo-se variar alguma propriedade fi sica, como voltagem (tensa o ele trica) ou corrente.

§ Representando o valor dessa voltagem ou corrente como uma func ão de tempo com um valor único, f(t), podemos criar um modelo para o comportamento do sinal e analisa -lo matematicamente

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Camada Fisica

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Modulações

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Modulação em Redes HART

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Exemplo de Pacote – Rede CAN

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Camada Enlace

§ A principal tarefa da camada de enlace de dados é transformar um canal de transmissa o bruta em uma linha que pareça livre de erros de transmissa o na o detectados para a camada de rede.

§ Servicos oferecidos à camada de rede § Tres possibilidades razoa veis oferecidas com frequencia sa o:

§ 1. Servico sem conexa o e sem confirmação§ 2. Servico sem conexa o com confirmação§ 3. Servico orientado a conexo es com confirmac ão.

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Camada Enlace

Dentre os fatores com os quais a camada de Enlace deve preocupar-se esta o:

§ a forma como os bits provenientes da camada Fi sica sera o agrupados em quadros;

§ os mecanismos de detecc ão e correc ão de erros a serem implantados, uma vez que as informac ões trocadas atrave s da camada Fi sica na o sa o isentas de erros de transmissa o;

§ os mecanismos de controle de fluxo para limitar o volume de informac ão trocados

§ entre entidades fonte e destino; § a gesta o das ligac ões entre as entidades; § o controle de acesso ao meio, em redes de difusa o.

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Camada Enlace

§ Nas redes de difusa o a camada de enlace de dados é usualmente decomposta em duas subcamadas, conforme proposta da IEEE:

§ Controle Logico de Enlace (LLC - Logical Link Control), responsavelpelo estabelecimento de conexo es e oferecimento de servicos de comunicac ão às camadas de rede.

§ Controle de Acesso ao Meio (MAC - Medium Access Control), responsa vel pelo acesso ordenado e compartilhado do canal de comunicac ão (no caso, um barramento);

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Enlace - Subcamada LLC

§ A subcamada LLC da camada de Enlace de Dados oferece servicos classificados em tres principais categorias, estas dependendo do sistema no qual elas sera o implantadas:

§ servico sem conexa o e sem reconhecimento (na o confia vel); § servico sem conexa o com reconhecimento (confia vel); § servico orientado à conexa o (confia vel).

§ Os servicos orientados à conexa o sa o caracterizados por tres principais etapas: § a etapa de estabelecimento de conexa o, durante a qual sa o definidos todos os

parametros relacionados à conexa o, como por exemplo, os contadores de sequencia de quadros;

§ a etapa de transmissa o de dados, durante a qual sa o realizadas todas as trocas de informac ão correspondentes ao dia logo entre duas ma quinas;

§ a etapa de liberac ão da conexa o, que caracteriza o fim do dia logo e na qual todas as varia veis e outros recursos alocados à conexa o sera o novamente disponi veis.

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Enlace - Subcamada LLC

§ A comunicac ão entre as camadas de Rede e de Enlace é feita atrave s de primitivas de servico (request, indication, response e confirm) da interface entre as duas camadas

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Enlace - Conceito de Quadros (Frames)

§ Transforma as sequencias de bits em “frames”

§ Identificação dos limites do quadro

§ Enquadramento por contagem:

§ Problema – Campo de tamanho pode ser adulterado por erros§ Solução – Detecção de erros

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Enlace - Conceito de Quadros (Frames)

Como saber onde começar outro quadro?

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Conceito de Quadros (Frames)

§ Os quadros são marcados com bytes com valores especiais

§ Mas estes bytes podem existir dentro da mensagem a ser enviada

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Bit e Byte Stuffing

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Exemplo de Bit Stuffing

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Subcamada MAC

§ Protocolos Deterministicos§ caracterizados pela concessa o do direito ao acesso

independentemente das necessidades de transmissa o de cada no da estac ão

§ baixo desempenho, uma vez que muito tempo pode ser perdido no caso de estac ões que na o tenham mensagens a transmitir

§ TDMA (Time Division Multiple Access)§ Mestre-Escravo§ Token-Passing

§ Protocolos Não-Deterministicos§ protocolos de competic ão, uma vez que as estac ões querendo

transmitir va o competir pelo meio de transmissa o. § CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection)

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CSMA/CD

CSMA/CD – Algoritmo Ba sico1. Se o meio estiver livre, transmita; caso contra rio, va para o passo 2. 2. Se o meio estiver ocupado, continue a ouvir ate que o canal esteja livre e, enta o, transmita imediatamente. 3. Se uma colisa o for detectada durante a transmissa o, transmita um pequeno sinal especial (jam signal ) para garantir que todas as estac ões sabera o da colisa o e, enta o, pare de transmitir. 4. Apo s transmitir o jam signal, espere um tempo aleato rio e tente transmitir novamente (volte ao passo 1).

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CSMA/CD – Tempo de Detecção da Colisão

§ � Com o CSMA/CD, a quantidade de capacidade desperdicada é reduzida ao tempo de detectar a colisa o.

§ � Questa o:

� Qual é o valor desse tempo?

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CSMA/CD – Tempo de Detecção da Colisão

§ Exemplo:§ �No A inicia a transmissa o. Imediatamente antes do quadro chegar ao

no B, este esta pronto para transmitir e, como ele ainda na o esta ciente da transmissa o de A, inicia a sua transmissa o.

§ �Uma colisa o ocorre quase que imediatamente. Ela é reconhecida por B , que cessa imediatamente a sua transmissa o. Esta colisa odeve se propagar de volta ate A para que este tome ciencia dela.

§ �Por essa linha de racioci nio, para que uma colosa o possa ser detectada, o tempo de transmissa o de um quadro na o pode ser menor do que duas vezes o retardo de propagac ão fim-a-fim. Esse tempo é conhecido como slot time da rede.

§ �Em outras palavras, o slot time é definido como sendo duas vezes o tempo que um pulso eletronico (OSI ni vel 1) leva para atravessar a distancia ma xima entre dois no s da rede.

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CDMA/CD – Slot Time

§ Nas redes Ethernet com taxa de transmissa o de 10Mbps o tamanho mi nimo dos frames foi fixado em 512 bits (64 bytes), o que corresponde a um tempo de transmissa o de 51,2 microsegundos. Esse tamanho de quadro é uma decisa o histo rica e, na pra tica, impratica vel a sua alterac ão.

§ � Obs: o jam signal tem tamanho 32 bits.

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CSMA/CD - Espera AleatóriaExponencial Truncada

§ Supondo um slot time de 51.2µs:

1. Quando ocorrer a primeira colisa o, envie um “jamming signal” para prevenir que mais dados sejam enviados (obs: jam signal = 32 bits).

2. Retransmita o frame apo s ou 0 segundos ou 51.2µs, escolhido randomicamente.

3. Se houver falha (nova colisa o), retransmita o frame apo s ou 0s, ou 51.2µs, ou 102.4µs, ou 153.6µs.

4. E isso ainda na o funcionar, retransmita o frame apo s k · 51.2µs, onde k é um número randomico entre 0 e 23 − 1.

5. Em geral, apo s uma i-ésima tentativa (falha), retransmita o frame apo s k · 51.2µs, onde k é um numero aleatório entre 0 e 2i − 1.

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Resumo CSMA/CD

§ Para baixas cargas, o CSMA/CD pode chegar a uma utilizac ão de ate 98%.

§ � Para grandes volumes de tra fego, o me todo exibe uma certa instabilidade.

§ � Retardo de transferencia ma ximo tambe m na o pode ser garantido pelo me todo.

§ � CSMA/CD com espera aleato rio exponencial truncada tornou-se um padra o internacional.

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Enlace - Detecção de Erros

§ Os erros que podem ocorrer sobre os suportes de transmissa o tem como causas os mais diversos fenomenos fi sicos, como por exemplo, o rui do te rmico, provocado pela agitac ão dos ele trons nos cabos de cobre.

§ Independentemente do fenomeno causador de erro, estes tendem a gerar normalmente verdadeiros pacotes de erros (error bursts) e na o erros simples.

§ O controle de erros de transmissa o é uma das func ões mais importantes asseguradas pela camada de enlace (usualmente implementado na subcamada LLC).

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Controle de Paridade

§ 00100110, o bit de paridade vale 1

0 xor 0 xor 1 xor 0 xor 0 xor 1 xor 1 xor 0 = 1, paridade impar

§ Emissor envia 001001101

§ O receptor, calcula a paridade novamente e compara com o último bit enviado; se houver diferenca, houve erro de transmissa o

§ Limitação:§ Se um nu mero par de bits foram transmitidos com erro, o me todo na o é capaz de detectar o erro.

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Paridade Longitudinal (BSC - Block Check Sum)

§ Alem de enviar o bit de paridade, envia uma palavra (byte) com o XOR de todas as palavras a serem enviadas.

§ Esta te cnica é largamente utilizada em protocolos de rede mais simples, mas tem uma eficiencia limitada

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CRC – Cyclic Redundancy Code

§ Considera-se que os bits de uma cadeia de caracteres sa o os coeficientes de um polinomio.

§ Por exemplo, a palavra 110001 conte m 6 bits e representa o polinomio x5 + x4 + 1

§ A te cnica consiste em adicionar a um bloco de dados um conjunto de bits de controle, de modo que o quadro (dados + bits de controle) seja divisi vel por um polinômio G(x)

§ Na recepc ão, a entidade de Enlace efetua a divisa o dos bits compondo o quadro pelo polinomio gerador. Caso o resto seja diferente de zero, écaracterizada enta o a ocorrencia de um erro de transmissa o.

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CRC – Cyclic Redundancy Code

§ Exemplos de polinomios geradores, G(x)§ CRC-12 = x12 + x11+x3 + x2+x +1§ CRC-16 =x16 + x15+x2+1§ CRC-CCITT = x16 + x12+x5 +1

§ O polinomio CRC-CCITT é capaz de detectar: § todos os erros de paridade § todos os erros de 2 bits § todos os pares de erros de 2 bits cada § blocos de erros na o excedendo 16 bits

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Exemplo de Calculo - CRC

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Protocolos de Enlace –Transmissões Confiaveis

§ Se há erros, não é possível recuperar o dado diretamente, é precisoaguardar a confirmação do destinatário (Acknowledgement, ACK)

§ Stop-and-wait:

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Stop-and-wait (Problemas)

§ Problema para o Receptor!!

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Stop-and-wait

§ Uso de numeros de sequencia§ Transmissor envia pacote 0;§ Receptor envia ACK 0;§ Se o ACK é perdido, trasnmissor

temporiza e reenvia pacote 0;§ Receptor sabe qua acabou de receber 0,

descarta o pacote, mas reenvia ACK 0§ Transm. Recebe ACK 0, envia pacote 1

§ Apenas 0 e 1 são necessarios

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Janela Deslizante (Sliding Window)

§ Permite varios pacotes “em transito”, sem confirmação de recebimento

§ Comportamento do receptor frente a perdas depende da sua janela de recepção

§ Go-Back-N

§ Problema: Muitos pacotes podem ser recebidos corretamente e ter queser reenviados

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Janela Deslizante (Sliding Window)

§ Recepção Seletiva

§ Problema: Complexidade de manter varios pacotes recebidos fora de ordem

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Janela Deslizante (Sliding Window)

§ Recepção Seletiva

§ O envio do NAK2 acelera o reenvio do pacote 2.

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Ethernet/IPPerguntas?