GIL PINHEIRO 1

Modelos de Redes em

Camadas

Prof. Gil Pinheiro

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1. Arquitetura de Sistemas de Automação

• Sistemas Centralizados

• Sistemas Distribuídos

• Sistemas Baseados em Redes

• Arquitetura Cliente-Servidor

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Sistemas Centralizados

• Apenas uma CPU central (custo

elevado)

• Processamento centralizado

• Software monolítico

• Menor confiabilidade

• Escalabilidade ruim

• Exemplo: DDC (Direct Digital Control)

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Sistemas Distribuídos

• Diversas CPUs operam cooperativamente

• Processamento distribuído

• Controle efetuado nos controladores

• Maior confiabilidade

• Boa escalabilidade

• Requer comunicação entre CPUs

• Exemplo: SDCD

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Arquitetura Cliente-Servidor

Processo

Cliente

Resposta

Requisição Rede

Processo

Servidor Servidor Cliente

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Arquitetura Cliente-Servidor

• Tarefas específicas e mais pesadas são executadas no servidor

• Servidor atende a vários clientes

• Clientes podem ser mais simples (pequenas CPUs, aplicações mais leves)

• Servidores redundantes para aumentar confiabilidade

• A comunicação é iniciada e terminada pelo cliente

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Exemplo 1: Cliente-Servidor WEB

• Cliente: software navegador (browser)

• Servidor: WEB-Server com conexão a um CLP que recebe sinais de sensores

WEB

Server

CLP

Rede

Internet

Cliente 1

Cliente 2

Cliente 3

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Exemplo 1: Detalhe do Cliente e

Servidor WEB [5]

Servidor

HTTP

Aplicativo

CGI

EIA-232

SERVIDOR CLIENTE

Formulário

HTML

Dados do Formulário

Página

HTML

CLP

INTERNET

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Arquitetura Cliente-Servidor

• Vantagens:

– Clientes podem ser CPUs mais simples

– Suporte a vários clientes (viabiliza

redundância de IHM)

– Software no cliente mais simples e mais leve

– Consistência de informações entre os clientes

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Arquitetura Cliente-Servidor

• Desvantagens:

– Muitas conexões clientes podem

sobrecarregar servidor

– Comunicação do servidor com a camada

inferior (camada de controle) pode ser gargalo

quando há vários clientes conectados

– Servidor deve ser CPU de alto desempenho

(veloz, com muita memória)

– Necessita solução de redundância para

aumentar confiabilidade, com chaveamento

rápido entre CPUs

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2. A Comunicação de Dados

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2. A Comunicação de Dados

• O que é Comunicação de Dados?

• A Comunicação de Dados em

Escritórios e na Indústria

• Conceitos de Protocolos

• Modelo em Camadas

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A Comunicação dos Sistemas

Planeta 10.000 km

Continente 1000 km

Nação 100 km

Cidade 10 km

Campus 1 km

Prédio 100 m

Sala 10 m

Sistema 1 m

Placa Eletrônica 0,1 m Barramento Interno CLP

Multicomputador

LAN

WAN

MAN

Internet

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O que é Comunicação de Dados?

• Transmissão eletrônica de informação

entre computadores, controladores ou

outros dispositivos eletrônicos

• Há muitas aplicações da transmissão

de dados em escritórios e na indústria

(sistemas de produção de chão de

fábrica)

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Comunicação de Dados em Escritórios

• Conexão de um PC a um computador (Host) via emulação de terminal

• Redes Locais (LANs)

• Comunicação com periféricos de computadores (impressora, scanner, modems, etc)

• Internet e redes WAN (Wide Area Network)

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Redes de Escritórios

Rede Internet

Mainframe Estação Servidor

Estação

Estação

Estação

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Redes de Automação Industrial

As-I/DeviceNet/DP/etc H1

Ethernet

Ethernet

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Redes de Escritório e Automação

• Requisitos Comuns das Redes de Escritório

e de Automação Industrial

– Performance adequada

– Segurança em diversos níveis

– Custo adequado

– Baseada em padrões

– Confiabilidade na comunicação

– Facilidade de acesso

– Facilidade de utilização

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Redes de Automação

• Requisitos Específicos de Redes Industriais – Desempenho previsível

– Disponibilidade muito alta

– Operação em ambientes hostis

– Escalabilidade

– Facilidade de operação

– Facilidade de manutenção (mesmo por não especialistas em redes)

– Alimentação de dispositivos pela rede

• Algumas Redes de Automação usam adaptações de soluções de redes convencionais (Exemplo: IEC-61850)

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O que São Protocolos?

• Protocolos são um conjunto de regras (padronizadas) que determinam como dois dispositivos vão se comunicar

• Existem várias tarefas que um protocolo deve tratar, entre elas: – Detecção e correção de erros

– Roteamento de mensagens

– Criptografia e segurança

– Níveis de sinal entre dispositivos consistentes

– Endereçamento de rede

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Existem Inúmeros Protocolos

• IEEE 802.3

• TCP/IP

• SMTP

• FTP

• HTTP

• SNMP

• IEEE 802.11

• HDLC

• MODBUS

• DEVICENET

• PROFIBUS

• ASI

• EIA-485

• EIA-232

• FOUNDATION

FIELDBUS

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Protocolos em Camadas

• Para organizar os protocolos e entender como ocorrem as interações entre diversos protocolos, foi criada uma arrumação em camadas

• Protocolos com atribuições comuns pertencem à mesma camada

• Exemplo: todos os protocolos que lidam com características físicas de um sinal (tensão, freqüência, tipo de cabo, conector) são agrupados na mesma camada

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Modelo de Protocolo

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3. O Modelo de Referência

ISO/OSI

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3. O Modelo de Referência ISO/OSI

• Introdução ao Modelo ISO/OSI

• Camada Física

• Camada de Enlace

• Camada de Rede

• Camada de Transporte

• Camada de Sessão

• Camada de Apresentação

• Camada de Aplicação

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O Modelo de Referência ISO/OSI

• Em 1977, a Organização Internacional para Padronização (ISO) propôs um modelo de referência de 7 camadas para organizar os protocolos de comunicação

• É chamado de Modelo de Referência para Interconexão de Sistemas Abertos (OSI/RM)

• Cada camada no modelo OSI tem uma função específica e agrupa protocolos similares nas mesmas camadas

• Cada camada se comunica com a entidade de mesmo nível entre os nós da rede

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

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O Modelo de Referência ISO/OSI

Protocolo de Aplicação

Bit Física

Enlace

Rede

Transporte

Sessão

Apresentação

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

Sessão

Apresentação

Aplicação

Quadro

Pacote

TPDU

SPDU

PPDU

APDU

Protocolo de Apresentação

Protocolo de Sessão

Protocolo de Transporte

Física

Enlace

Rede

Física

Enlace

Rede

Unidade transferida

entre as Camadas Camada ISO/OSI

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Exemplo: Comunicação entre

Camadas ISO/OSI

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A Camada Física • Os protocolos dessa camada definem padrões

físicos e aspectos elétricos dos sinais, tais como:

– Freqüências

– Modulação

– Tensões

– Topologias

– Conectores

– Cabos

• É o aspecto mais importante em termos dos diagnósticos e da operação de uma rede (80 % dos problemas em redes industriais ocorrem na Camada Física)

• Exemplos: EIA-232, EIA-485, Ethernet

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

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A Camada de Enlace

• Fornece as regras para geração dos

quadros, conversão dos sinais elétricos

para dados, verificação de erros,

endereçamento físico, controle de acesso

ao meio, multiplexação, controle de fluxo

• Todas as redes necessitam de uma

camada de Enlace

• Exemplos: HDLC, HART, Foundation

Fieldbus

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

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A Camada de Rede

• A camada de rede lida com o roteamento

das mensagens através de uma rede

complexa

• Busca a melhor rota através da rede e

também lida com restrições de enlaces e

enlaces defeituosos.

• A camada IP do TCP/IP é um exemplo de

protocolo de camadas de rede

• Outro exemplo é a camada IPX da rede

Novell

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

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A Camada de Transporte

• A camada de Transporte estabelece uma conexão confiável fim-a fim entre dois nós. Embutindo os detalhes das camadas física, de enlace e de rede

• A camada de Transporte ordena os pacotes recebidos através da rede

• A camadas TCP e UDP do TCP/IP são exemplos de protocolos de camada de Transporte

• Outro exemplo é o protocolo NetBEUI (MS-Windows)

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

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A Camada de Sessão

• A camada de Sessão estabelece um diálogo, chamado conexão de sessão lógica, visando iniciar, retomar e encerrar transações de rede de maneira ordenada

• Uma conexão de sessão é mapeada numa conexão de Transporte num dado instante

• Uma conexão de sessão pode usar uma ou mais conexões de Transporte. Facilitando a recuperação de erros, na perda de uma conexão de Transporte.

• Normalmente essa camada não é utilizada em redes de automação

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

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A Camada de Apresentação

• A camada de Apresentação lida com

formatos de dados, criptografia e

segurança

• Por exemplo, a camada de apresentação

pode converter um dados inteiro de um

CLP num formato ponto flutuante num

SDCD

• O protocolo ASN.1 (Abstract Syntax

Notation) é utilizado pelo Foundation

Fieldbus

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

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A Camada de Aplicação

• São os protocolos específicos para aplicações de rede tais como: e-mail, transferência de arquivos, OPC, ler registros num CLP

• Não inclui a aplicação do usuário (p.ex: editor de texto, MS-Windows, Linux), mas apenas os serviços de comunicação

• Exemplo: SMTP, HTTP, MODBUS, HART

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

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Problemas do Modelo OSI

• As especificações OSI definem apenas o que fazer, mas não definem como fazer

• Assim, protocolos que são OSI compatíveis não necessariamente se comunicam

• É um modelo muito complexo para várias aplicações industriais, assim, algumas camadas não são utilizadas nessas aplicações

• Apesar de tudo, fornece um ponto de partida para organizar os protocolos

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Por Que 7 Camadas? • Mínimo: superior e inferior -- 2

• Necessidade de isolar a camada física. Camada de

enlace -- 3

• Necessárias ações fim-a-fim (end-to-end) e salto-a-

salto (hop-by-hop). Camadas de transporte e de rede

-- 5

• Camadas de sessão e apresentação sem tanta

importância, normalmente ignoradas

• São necessárias no mínimo 5 e no máximo 7

(excessivo) camadas

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Exemplo 1: Protocolos MODBUS

• Família de protocolos MODBUS: MODBUS-RTU,

MODBUS-PLUS e MODBUS-TCP

• MBAP = ModBus Application Protocol

MBAP

RTU

EIA-232/485,

Wireless

MBAP

Proprietário

HDLC

EIA-485 /

Fibra ótica

MBAP

TCP

IP

Ethernet

Ethernet

Comandos para ler e escrever em

CLPs

Não Utilizado

Não Utilizado

Transporte via TCP

Roteamento em redes complexas

Controle de acesso, verif. de erros,

endereçamento

Padrões de cabeamento, elétrico,

modulação