Redes Industriais 30h

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M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Introduo- Primeiros computadores: mquinas complexas, grandes, caras ficavam em salas isoladas com ar condicionado operadas apenas por especialistas

programas submetidos em forma de jobs seqenciais- Anos 60: primeiras tentativas concorrentes de interao entre tarefas

surge tcnica time-sharing, sistemas multi-usurios usurios conectados ao computador por terminais comunicao entre terminais e computador central => surgem primeiras tcnicas de comunicaoM. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Introduo- Anos 70: surgem microprocessadores

computadores muito mais baratos => difuso do uso- Aps dcada de 70: computadores cada vez mais velozes, tamanho menor, preo mais acessvel

aplicaes interativas cada vez mais freqentes necessidade crescente de incremento na capacidade de clculo e armazenamento computadores conectados podem ter desempenho melhor do que um mainframe, alm de custo menor necessidade de desenvolver tcnicas para interconexo de computadores => redesM. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IntroduoInformatizao das empresas cria necessidade de troca de informaes entre equipamentos. Mtodos iniciais: fitas K7, disquetes, fitas perfuradas, cartes. Mtodo moderno: redes de comunicao (LAN). Requisitos de comunicao fabril: Compartilhamento de recursos; Gerenciamento da heterogeneidade; Gerenciamento de diferentes tipos de dilogo; Garantia de um tempo de resposta mdio ou mximo; Confiabilidade dos equipamentos e da informao; Conectividade e interoperabilidade;

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evolutividade e flexibilidade.

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Introduo- Necessrio definir arquiteturas, topologias e protocolos apropriados para redes de comunicao industriais.

- Redes do tipo ponto-a-ponto: centralizao das funes de comunicao.- Redes de difuso: possibilidade de descentralizao da comunicao. - Idia do final dos anos 70/ incio 80: rede nica para toda a fbrica. - Idia atual: no existe uma rede nica que atende as necessidades de todas as atividades existentes em uma fbrica.

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Introduo Nas empresas modernas temos grande quantidade de computadores operando em diferentes setores. Operao do conjunto mais eficiente se estes computadores forem interconectados: possvel compartilhar recursos

possvel trocar dados entre mquinas de forma simples e confortvel para o operador vantagens gerais de sistemas distribudos e downsizing atendidas Redes so muito importantes para a realizao da filosofia CIM (Computer Integrated Manufacturing).M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Os Nveis Hierrquicos De Integrao FabrilAdministrao CorporativaSISTEMA DE COMUNICAO

Planejamento (Factory)

CAD, CAE, CAP, CAPP, CAQ, etc...

Enterprisenetwork (MAP, TOP)

rea (Shop)

FMS Fieldbus, MAPEPA, Mini-MAP

Clula (Cell)

FMC

Subsistema (Subsystem)

Torno, Manipulador, Centro de Usinagem, etc...

RTLAN

Componente (Component)

S

A

S

A

S

A

S

A

Motores, Chaves, Rels, etc...

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Caractersticas da comunicao em CIM

Administrao Corporativa

Planejamento

Custo mdio de uma estao

Vida til e tamanho mdio dos dados

Tempo ocioso entre transmisses

rea

Clula

Unidade (subsistema)

Componente

Nmero de estaes / segmento

Trfego mdio Hostilidade do meio Quadros / seg.

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Motivao das Redes IndustriaisMaioria das redes de comunicao existentes concebidas para automao de escritrios. Ambiente industrial tem caractersticas e necessidades que tornam redes para automao de escritrios mal adaptadas: ambiente hostil para operao dos equipamentos (perturbaes eletromagnticas, elevadas temperaturas, sujeira, reas de segurana intrnseca, etc.); troca de informaes se d entre equipamentos e, as vezes, entre um operador e o equipamento; tempos de resposta crticos;

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segurana dos dados crtica;grande quantidade de equipamentos pode estar conectada na rede => custo de interconexo crtico.

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Caractersticas e requisitos bsicos das redes industriais Comportamento temporal Confiabilidade Requisitos do meio ambiente tipo de mensagens e volume de informaes Conectividade/interoperabilidade (padronizao)M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

a) Comportamento temporalAplicaes Industriais freqentemente requerem sistemas de controle e superviso com caractersticas de Tempo-Real. Em aplicaes tempo real, importante poder determinar comportamento temporal do sistema de comunicao. Mensagens em STR podem ter restries temporais: Peridicas: tem que ser enviadas em intervalos conhecidos e fixos de tempo. Ex.: mensagens ligadas a malhas de controle. Espordicas: mensagens sem perodo fixo, mas que tem intervalo de tempo mnimo entre duas emisses consecutivas. Ex.: pedidos de status, pedidos de emisso de relatrios. Aperidicas: tem que ser enviadas a qualquer momento, sem perodo nem previso. Ex.: alarmes em caso de falhas.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Sistemas Tempo-RealINTERFACE

Sistema de Controle

estmulo SENSORATUADOR resposta

Sistema a Controlar (Ambiente)

Um STR um sistema computacional que deve reagir a estmulos (fsicos ou lgicos) oriundos do ambiente dentro de intervalos de tempo impostos pelo prprio ambiente. A correo no depende somente dos resultados lgicos obtidos, mas tambm do instante no qual so produzidos.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Arquitetura para Sistemas Tempo-Real

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A Problemtica da Comunicao em Tempo-RealM1 DL = 10 End. 01 M2 DL = 15 End. 02 M3 DL = 50 End. 03

M4DL = 25 End. 04

M5 DL = 5 End. 05

Mensagens pendentes em cada estao devem ser entregues a seu destino antes de um prazo limite (deadline) associado.

Problema de comunicao tempo real: como definir concesso do direito de acesso ao meio de forma a garantir que todas as mensagens sejam entregues antes de seu deadline ?M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Comunicao em Tempo-Real Protocolo MAC precisa garantir rpido acesso ao barramento para mensagens espordicas de alta prioridade. Protocolo MAC deve atender mensagens peridicas com a maior eficincia possvel, respeitando seus deadlines.

MAC deve ter comportamento determinista e, idealmente, permitir escalonamento timo global de mensagens. LLC (Controle Lgico de Enlace) deve escalonar mensagens locais pendentes por deadline ou prioridade associada.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Arquitetura do software de rede para CTRSoftware Aplicativo AP AP

Camada de Aplicao Controle Lgico de enlace (LLC) Controle de Acesso ao Meio (MAC) Camada Fsica

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Servios de enlace para CTRServios sem conexo: SEND (receptor, mensagem, requisitos TR); mensagem = RECEIVE (emissor); Servios com conexo: rtcid = CONNECT(receptor, requisitos TR); SEND (rtcid, mensagem); mensagem = RECEIVE (rtcid); DISCONNECT(rtcid);M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Classificao dos Protocolos MAC Alocao fixa: alocam o meio s estaes por determinados intervalos de tempo, independentemente de haver ou no necessidade de acesso (ex.: TDMA = Time Division Multiple Access); Alocao aleatria: permitem acesso aleatrio das estaes ao meio (ex.: CSMA = Carrier Sense Multiple Access). Em caso de envio simultneo por mais de uma estao, ocorre uma coliso e as estaes envolvidas tem que transmitir suas mensagens aps a resoluo do conflito resultante (protocolos de conteno); Alocao controlada: cada estao tem direito de acesso apenas quando de posse de uma permisso, que entregue s estaes segundo alguma seqncia predefinida (ex.: Token-Passing, Master-Slaves); Alocao por reserva: para poder usar o meio, as estaes tem que reservar banda com antecedncia, enviando pedidos a uma estao controladora durante um intervalo de tempo pr-destinado e este fim (ex.: CRMA = Cyclic Reservation Multiple Access); Hbridos: consistem de 2 ou mais das categorias anteriores.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Classificao dos Protocolos MAC Classificao com relao ao comportamento temporal: protocolos deterministas: caracterizados pela possibilidade de definir um tempo limite para a entrega de uma dada mensagem (mesmo que somente em pior caso);

protocolos no deterministas: tempo de entrega no determinvel (aleatrio ou probabilstico).M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Protocolos MAC no deterministasCSMA 1-persistente, p-persistente e no persistenteCSMA = Carrier Sense Multiple Access (Acesso Mltiplo por Deteco de portadora) : baseia-se no conceito de escuta do meio de transmisso para a seleo do direito de acesso a este. CSMA p-persistente: estao que quer enviar dados escuta meio. Se canal livre, envia quadro com probabilidade p. Seno, aguarda na escuta at que o meio esteja livre. Caso particular: p=1. CSMA no persistente: idem anterior, mas se canal ocupado, estao espera um perodo de tempo aleatrio e escuta o canal novamente.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

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CSMA persistente e no persistente CSMA 1-persistente: faz melhor uso da banda, mas tem grande chance de gerar colises CSMA no persistente: faz pior uso da banda, mas tem menor probabilidade de gerar colises CSMA p-persistente (p improvvel ocorrncia de nova coliso.e m isso rr e ce p to r

e m isso r

e m isso r

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O protocolo CSMA/CD

Mtodos de acesso CSMA convencionais: tempo de reao no pode ser exatamente determinado (no determinismo). No se sabe de antemo: se havero colises; quantas colises seguidas podem ocorrer; o tempo (aleatrio) de espera em caso de coliso. Tempo de espera randomizado segundo algoritmo BEB (Binary Exponential Backoff)M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Randomizao de tempo no CSMA/CD (Binary Exponential Backoff)start

no

Station Ready ?

yes nc = 0

New Frame ?

Ether Silent ?

nc = nc+1 no limit = 2nc-1 Wait=random [0,limit]

transmit no Collision ?

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CSMA/CDProbabilidade de coliso

Trfego x nmero estaesM. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Protocolos MAC Deterministas- Mtodos de acesso deterministas: tem tempo de resposta limitado e determinvel (ao menos pior caso). - Podem ser classificados em: - mtodos com comando centralizado (ex.: Mestre-Escravos, rbitro de barramento) - mtodos com comando distribudo (ex.: Token-Passing, variantes deterministas do CSMA).M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Comando Centralizado: Mestre-escravos

e scr a vo e scr a vo e scr a vo e scr a vo

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Comando Distribudo: Token-busr e ce p to r

fich a

e m isso r

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Comando Distribudo: Token-Ring

Estao

TAPInterface p/ anelanel unidirecional

Token

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Comando Distribudo: Forcing HeadersVariante determinista de CSMA (CSMA/NBA = CSMA with Nondestructive Bitwise Arbitration). Estaes enviam bit a bit um identificador da mensagem, que define prioridade da mesma. Cada mensagem tem que ter prioridade diferente das demais. Se todos os bits do identificador so 0, prioridade mxima. Camada fsica executa AND sobre cada bit enviado ao barramento (CD ativada ao enviar um 1 e desativado ao enviar um 0). Transmisso interrompida quando um 1 enviado e ocorrer coliso (0 lido). Se identificador transmitido at o fim sem coliso, resto da mensagem enviado.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

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Comando Distribudo: Forcing Headers

100 dados

Header do frame Frame a enviar

N 4

N 0000 dados

N 1001 dados

N 2010 dados

N 3011 dados

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Comando Distribudo: Forcing Headers Para evitar monoplio do meio por n gerador de mensagem de alta prioridade, espao entre quadros preenchido por campo de bits em 1 inserido no final de cada quadro. O barramento s considerado livre para o mesmo n enviar nova mensagem aps ter detectado que o espao interframes no foi interrompido por um bit em 0. Estao possuidora da mensagem de alta prioridade ter que esperar ao menos o envio de uma mensagem de prioridade menor para tomar o barramento para si novamente.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Comando Distribudo: Comprimento De Prembulo - Variante determinista de CSMA/CD

- A cada mensagem associado um prembulo com comprimento diferente, que transmitido com CD desativada. - Aps trmino de envio do prembulo, CD reativada- Se h coliso, existe outra mensagem mais prioritria sendo enviada e estao fica a espera de meio livre.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Comando Distribudo: Comprimento De Prembulo

Preambulo do frame Frame a enviar

N 4

N 0

N 1

N 2

N 3

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Comando Distribudo: Comprimento De Prembulo

Mensagem do n 4 Mensagem do n 3 Mensagem do n 2 Mensagem do n 1 Mensagem do n 0

Instantes de inicio de deteco de coliso em cada estao

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Comando Distribudo: CSMA/DCRCSMA with Deterministic Collision Resolution determinismo garantido atravs de busca em rvore binria balanceada prioridades so atribudas a cada estao => ndices cada estao deve conhecer: status do barramento:

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livreocupado com transmisso ocupado com coliso

seu prprio ndice nmero total de ndices consecutivos alocados s fontes (Q)

tamanho da rvore binria q = menor potncia de 2 maior ou igual a Q (ex.: Q = 12, q = 16)M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

CSMA/DCR-

operao como CSMA/CD at colisoem caso de coliso, iniciado perodo de resoluo por busca em rvore binria => poca estaes envolvidas se auto-classificam em dois grupos: Winners (W) ou Losers (L): W = ndices entre [0,q/2[ L = ndices entre [q/2, q]

estaes do grupo W tentam nova transmisso se nova coliso, nova diviso em grupos: W = [0,q/4[ L = [q/4, q/2]

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CSMA/DCRse no ocorrer nova coliso (s sobrou uma estao no grupo W), estao transmite seu frame de dados estaes do grupo L desistem e aguardam trmino de transmisso bem sucedida de outro n seguida de meio livre se grupo W vazio, busca revertida => nova subdiviso de ns a partir do ltimo grupo L: W = [q/2, 3q/4[ L = [3q/4, q]

poca encerrada quando todas as estaes envolvidas na coliso original conseguiram transmitir seus dados tempo de durao de uma poca pode ser calculado => determinismo ! seqncia de concesso de direito de acesso ao meio = seqncia de ndices crescentes => ns mais prioritrios transmitem primeiro !M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

CSMA/DCR - Exemplo

ndice 2

ndice 3

ndice 5

ndice 12

ndice 14

ndice 15

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6 estaes de uma rede com 16 fontes enviam frames simultaneamente ndices de cada estao conforme figura acima Q = 16 q = 16 (24) altura da rvore binria = log2 16 = 4M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

CSMA/DCR - Exemplo[0,15] 1 [0,7] 2 [0,3] 3 [4,7] 6 [8,11] [8,15] 9 [12,15] 13

10

4 [0,1]

5 [2,3]

7 [4,5]

8 [6,7]

11 [8,9]

12 [10,11]

14

15

[12,13] [14,15]

rvore binria balanceada completa para Q = 16M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

CSMA/DCR - Exemplo0C 2,3,5,12,14,15 W= 2,3,5 L=12,14,15 1C 2,3,5 W= 2,3 L=5 2C 2,3 W= L=2,3 3V 4C 2,3 W=2 L=3 7T 5 9V

8C 12,14,15 W= L=12,14,1510 C 12,14,15 W= 12 L=14,15 11 T 12 12 C 14,15 W= 14 L=15 13 T 14 14 T 15

5T 2

6T 3

Evoluo do algoritmoM. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

CSMA/DCRO tempo at o inicio da transmisso da fonte com ndice 5 ser: 4 colises + 1 vazio = 5. slot-time 2 transmisses = 2.(tamanho quadro em slot-times)

Assumindo que cada quadro tem um tamanho fixo de 6 slot-times e considerando 1 slot-time como 40 microssegundos, o tempo para incio da transmisso da mensagem da fonte com ndice 5 seria: Tinicio 5 = 5.40 + 2.6.40 = 680 microssegundos (no ainda pior caso)

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O tempo de durao total da poca ser: 7 colises = 7.slot-time 2 vazios = 2. slot-time 6 transmisses = 6 .(tamanho do quadro em slot-times)

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Assumindo 1 slot-time = 40 microssegundos: T poca = 7.40 + 2.40 + 6.6.40 = 1800 microssegundos = 1.8 ms

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CSMA/DCRClculo do tempo de pior caso pode ser formalizado como segue... Seja:

(v) = nmero de ramos da rvore binria percorridos por uma mensagem proveniente de um n com ndice vq = menor potncia de 2 maior ou igual ao maior ndice disponvel

(v) = nmero de potncias de 2 contidas em vs = 1 slot-time (2 vezes o tempo de propagao do sinal na rede)

= tempo mximo de transmisso da uma mensagem no meio fsico (depende do comprimento da mensagem em bits e da taxa de transmisso)M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

CSMA/DCRPara uma mensagem participando de uma dada poca, temos que: (v) = log2 q + v - (v) Tespera (v) = (v).s + v.

Para o exemplo anterior, tomando uma mensagem da estao com ndice 5, temos: q =16 v =5 (5) = 2 (5 = 22+20)

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(5) = log2 16 + 5 - 2 = 7T espera (5) = 7.s + 5.

Assumindo s = 40 microssegundos e = 6.s = 240 microssegundos, obteremos para o pior caso de tempo de espera da mensagem da fonte com ndice 5 o valor de 1480 microssegundos.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

CSMA/DCRO tempo de durao da poca, no pior caso, dado por:

T poca = (q-1).s + Q.

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Para uma mensagem que chega a fila de emisso de uma fonte com ndice v em um instante qualquer, o pior caso de tempo de espera maior, pois a nova mensagem pode chegar na fila imediatamente aps o inicio de uma poca, da qual ela ainda no faz parte. Neste caso, o pior caso do tempo de espera ser dado por: T max espera (v) = T poca + (v).s + v.

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Abordagens Para CTRAbordagemAtribuio de Prioridades com teste de escalonabilidade Off-line (em tempo de projeto) Circuito Virtual TR com escalonamento On-line de mensagens

RequistosMAC com resoluo de prioridades

Ex.de ProtocolosToken-Ring c/Pr. Dif. atrasos Comp. Prembulo Forcing Headers (CSMA/CA) TDMA Token-Passing Waiting Room CSMA/DCR

MAC com tempo de acesso ao meio limitado Requer cpias locais de todas as filas de mensagens, difundidas em slots times de reserva

Reserva com escalonamento global

PODA

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b) ConfiabilidadeEm aplicaes industriais, erro de 1 bit pode ter conseqncias desastrosas. Para aumentar confiabilidade, enlace usa teste cclico de redundncia (CRC - Cyclic Redundancy Check) sobre quadros (tcnica polinomial). Em sistemas que necessitem de uma operao contnua, pode ser utilizado um meio de transmisso e estaes redundantes. Recomenda-se usar cabos blindados em ambientes com fortes campos magnticos.

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Uso crescente de fibra tica.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

C) Requisitos Do Meio Ambiente-

Perturbaes eletromagnticas requerem escolha adequada do meio de transmisso.Fonte: acionamentos de motores eltricos de grande porte, fontes chaveadas, estaes de solda, conversores estticos, etc.Sensibilidade perturbaes

Par tranado (assncrono) Par tranado (sncrono)

Cabo coaxialFibra tica Distncia

Custos

Taxa de transmisso

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Meios De Transmisso- Cabo coaxial:- Boas caractersticas eltricas. - Requer resistncias terminais. - Conectores BNC fceis de abrir.

- Par tranado:- Usualmente usado com HUB/Switcher - Atualmente soluo mais usada para cho fbrica. - UTP (Unshielded Twisted Pair) CAT-5 / STP (Shielded Twisted Pair).

- Fibra tica:- timo para rejeitar perturbaes eletromagnticas. - Dificuldade de realizar topologia em barramento (bus): derivaes ativas x passivas. - Mais usado em topologias ponto a ponto: anel, estrela, rvore.

- Emulao de bus com HUB ou Switcher.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

reas De Risco (Segurana Intrnseca) Sujeitas a incndio, exploso Presena de lquidos ou gases inflamveis/explosivos No pode haver faiscamento Freqncia de sinais eltricos limitada Modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept): desenvolvido na Alemanha pelo PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt) e reconhecido mundialmente como modelo bsico para operao de redes em reas de risco de exploso ou incndio.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

reas De Risco (Segurana Intrnseca) Princpios de transmisso segundo modelo FISCO: Cada segmento possui uma nica fonte de alimentao. No se alimenta o barramento enquanto uma estao est enviando. Cada dispositivo de campo consome uma corrente constante em steady-state de pelo menos 10 mA, que alimenta o dispositivo. Os dispositivos de campo funcionam como uma carga passiva de corrente. Existe uma terminao passiva em ambos os extremos da rede. Topologias permitidas: linear, em rvore e em estrela.

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reas De Risco (Segurana Intrnseca) Norma IEC 1158-2 para camada fsica: Transmisso de dados: digital, bit - sncrona, Manchester Taxa de transmisso: 31,25 kbit/s, modo voltagem Cabo: STP com 2 fios Alimentao remota: opcional, via linhas de dados Classes de proteo contra exploso: Intrinsically safe (EEx ia/ib) e encapsulation (EEx d/m/p/q) Topologias: linha e rvore ou uma combinao Numero de estaes: at 32 estaes por segmento, mximo de 126 com 4 repeaters

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d) Tipo de mensagens e volume de informaesNveis hierrquicos superiores: - mensagens grandes (KByte); - podem ter tempos de transmisso longos (seg. at min.); - longos intervalos entre transmisses. Aplicaes mais prximas ao processo: - mensagens curtas, tais como: - ligar ou desligar uma unidade -> 1 bit ; - fazer leitura de um sensor / medidor -> 8 Bytes ; - alterar o estado de um atuador -> 8 Bytes ; - verificar o estado de uma chave ou rel - > 1 bit . Requisitos: taxa de transmisso de dados no muito elevada; taxa de ocupao do barramento elevada (grande nmero de quadros pequenos transmitidos); tempo de entrega conhecido.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

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e) Conectividade / interoperabilidade (padronizao) Verifica-se necessidade de uma especificao de redes locais para aplicaes industriais diferente daquela adotada em automao de escritrio.

J existem diversas redes proprietrias para ambiente fabril, mas no permitem a interligao de equipamentos de outros fabricantes. Maior entrave conectividade e interoperabilidade: no padronizao das interfaces e protocolos de comunicao. Grandes esforos tem sido despendidos para solucionar estes problemas => Projetos de Padronizao.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

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Projetos de Padronizao de redes industriais Iniciativas mais importantes padronizao para redes industriais: - Projeto PROWAY - Projeto IEEE 802 - Projeto MAP (MAP/EPA e MINI-MAP) - Projeto TOP - Projeto FIELDBUSM. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

de

Projeto PROWAYProposta PROWAY (Process Data Highway) iniciada em 1975 pela IEC (International Electrotechnical Commission) para a normalizao de redes de comunicao para controle de processos. Proway passou pelas fases A, B e C. Proway A e B utilizavam o protocolo HDLC da ISO na camada de enlace, com acesso ao meio tipo Mestre / Escravos. Proway C adotou a tcnica de Token-Passing. Arquitetura composta de 4 camadas do modelo OSI: - "Line" (camada fsica), - "Highway" (camada de enlace), - "Network" (camada de rede) e

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- "Application" (camada de aplicao)M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Projeto IEEE 802 (ISO/IEC 8802)IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) iniciou em 1980 o projeto 802, que definiu normas para as camadas Fsica e Enlace do modelo de referncia OSI.

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Camada de Enlace subdividida em duas subcamadas:LLC (Logical Link Control): montagem dos quadros, controle de erros, controle de fluxo, estabelecimento de conexes, servios s camadas acima; MAC (Medium Access Control): Controle de acesso ao meio.

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Proposta IEEE virou norma internacional: ISO/IEC 8802.

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Norma atual composta de 12 partes.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE 802 (ISO/IEC 8802) IEEE 802.1: servios de gerenciamento de redes e generalidades; IEEE 802.2: sub-camada LLC da camada de Enlace. Norma prev trs tipos de servios: LLC tipo 1: troca de dados sem conexo. No feito controle de erros nem de fluxo e o receptor das mensagens no envia um quadro de reconhecimento ao emissor; LLC tipo 2: antes de trocar dados, estaes estabelecem uma conexo entre si. feito controle de erros e de fluxo e a entidade receptora envia um quadro de reconhecimento para cada mensagem recebida; LLC tipo 3: comunicao sem conexo, mas realizado controle de fluxo e de erros e o receptor envia um quadro de reconhecimento ao emissor para cada mensagem recebida.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE 802 (ISO/IEC 8802) IEEE 802.3 : descrio da sub-camada MAC e camada Fsica para redes com topologia em barramento e mtodo de acesso ao meio baseado em CSMA/CD; IEEE 802.4 : descrio da sub-camada MAC e camada Fsica para as redes com topologia em barramento e mtodo de acesso ao meio baseado em "token-passing" (Token-Bus); IEEE 802.5 : descrio da sub-camada MAC e camada Fsica para as redes com topologia em anel e mtodo de acesso ao meio baseado em "token-passing" (Token-Ring); IEEE 802.6 : descrio da sub-camada MAC e camada Fsica para as redes metropolitanas com DQDB (Distributed Queue Dual Bus, barramento dual com filas distribudas); IEEE 802.7 : contm recomendaes do IEEE para LANs usando Broadband. Na verso da ISO/IEC, define uma subcamada MAC com slotted ring e a camada fsica correspondente;M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE 802 (ISO/IEC 8802) IEEE 802.8 : o IEEE criou o Fibre optic technical advisory group, cuja meta era propor um padro de LAN usando fibra tica como meio fsico em redes com token passing, como FDDI (Fiber Distributed Data Intarface); IEEE 802.9 : IS (Integrated Services) para integrar LANs com RDSI (Rede Digital de Servios Integrados, ISDN em ingls) e FDDI (Fiber Distributed Data Interface); IEEE 802.10 : aborda questes de segurana na interoperao de LANs e MANs (atualmente define o padro SDE, Secure Data Exchange); IEEE 802.11 : padroniza LANs com MAC sem fio (Wireless) e a camada fsica correspondente (transceivers de rdio); IEEE 802.12 : mtodo de acesso com demanda priorizada (DPA, Demand Priority Access) e camada fsica correspondente.

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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)

Mais recentemente foram acrescentados ainda: IEEE 802.15: Trata de Wireless Personal Area Networks (Bluetooth); IEEE 802.16: aborda Wireless Metropolitan Area Networks; IEEE 802.17: padro para Resilient Packet Ring; IEEE 802.18: comit de padres LAN/MAN.

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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)IEEE 802.1 - Aspectos Gerais e Gerenciamento de Rede

IEEE 802.2 - Camada de Enlace Sub-Camada LLC (Logical Link Control)Tipo 1 - sem conexo Tipo 2 - com conexo Tipo 3 - com reconhecimento

IEEE 802.3 CSMA/CD (MAC)Banda Larga (PHY) Banda Base (PHY)

IEEE 802.4 Token Bus (MAC) Banda Larga

IEEE 802.5 Token Ring (MAC) Banda Base

IEEE 80212 DPA (MAC)

(PHY)

(PHY)

(PHY)

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A norma IEEE 802.3 (CSMA/CD)Origem: rede Ethernet (Xerox, 1976). Ethernet original: protocolo CSMA/CD, cabo coaxial de 1000 metros de comprimento, taxa de transmisso de 3 Mbps, at 100 estaes conectadas. Xerox, DEC e Intel definiram um padro "de fato" para uma rede Ethernet, com taxa de transmisso de 10 Mbps.

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IEEE 802.3 define famlia de protocolos CSMA/CD 1persistentes, para diferentes meios de transmisso, com taxas de transmisso de 1 a 10 Mbps.Parmetros iniciais da norma: canal de 10 Mbps em banda de base, cabo coaxial de 50 ohms, comprimento mximo de 500 m.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

-

Quadro IEEE 802.3bytes 7 1 2-6DEST

2-6FONTE

2

0-1500D AD O S

46P AD

4F CS

P R E M BUL O

D E L I M I T AD O R D E Q UAD R O

CO M P R I M E N T O D O S D AD O S

-

Prembulo de 7 bytes (seqncia 10101010). Delimitador de Incio de Quadro (seqncia 10101011). Endereos de Destino e de Origem, com formatos de 16 ou 48 bits. MSB define se endereo individual (0) ou de grupo (1), permitindo multicast e broadcast. Tamanho do Campo de Dados, em bytes (max. 1500 bytes). FCS: palavra de 32 bits, para o controle de erros por CRC. Se quadro total menor que 64 Bytes, o quadro deve ser completado atravs do campo PAD (padding = enchimento, estofamento).M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

-

IEEE 802.3LLC (Logical Link Control)

Enlace MAC (Medium Access Control)

PLS (Physical Layer Signaling) Fsica AUI (Attachment Unit Interface) MAU (Medium Attachment Unit) MDI (Medium Dependent Interface)

M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE 802.3 - Camada Fsica PLS (Physical Layer Signaling): interface entre o nvel fsico e a subcamada MAC. Fornece MAC servios de envio e recepo de bits e de deteco de coliso. AUI (Attachment Unit Interface): cabos tipo par tranado blindado que permitem conectar rede estaes localizadas a uma certa distncia do meio de transmisso (at 50m). AUI interliga a placa de rede ao MAU. MAU (Medium Attachment Unit): dispositivo eletrnico que transmite, recebe e detecta a presena de sinais no meio e deve estar fisicamente muito prximo a este. MDI (Medium Dependent Interface): conector que faz conexo entre o MAU e o meio fsico em si.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE 802.3 - Camada Fsica A norma IEEE 802.3 define vrias opes de meio fsico e taxa de transmisso, especificadas da forma:

Exemplo: 10BASE5: define uma camada fsica com taxa de transmisso de 10Mbps, tcnica de sinalizao em banda BASE (baseband) e comprimento mximo do cabo de 500 metros.

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IEEE 802.3 - Camada Fsica 10BASE5 (thicknet)

MAU

Conector de presso MDI (Vampire tap)

Cabo AUI

Placa de rede Conector AUI

Cabo coaxial grosso 50 Ohms

M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE 802.3 - Camada Fsica 10BASE2 (thinnet)Cabo coaxial fino 50 Ohms

Conector BNC fmea

Conector BNC macho

Placa de rede

Conector T BNC

Terminador BNC macho 50 OhmsM. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE 802.3 - Camada Fsica 10BROAD36: opera com taxa de transmisso de 10Mbps, tcnica de sinalizao em Banda Larga e um cabo de 3600 metros. Especificaes adicionais de MAU:

10BASE-T: define MAU para par tranado, usualmente empregada para conexo com repetidores multiporta (Hubs); 10BASE-F: MAU para fibra tica 10BASE-FL: define MAU para fibra tica, usada para conectar uma estao a um Hub; 10BASE-FB: define MAU para interligar repetidores entre si, usada em redes backbone; 10BASE-FP: define MAU para operar como estrela passiva.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE802.3 Camada Fsica 10BASE-T

HUBPar Tranado

Placa de rede Plug RJ-45

M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE802.3 Camada Fsica 10BASE-FL

R

T

MAU 10BASE-FL Cabo AUIR T

Fibra tica Max. 2000m

HUB 10BASE-FL

Placa de rede Conector AUI

M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE802.3 Camada Fsica 10BASE-FP

R

T

MAU 10BASE-FP Cabo AUIR T

Fibra tica Max. 500m

Placa de rede Conector AUI

Estrela Passiva 10BASE-FP

M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE802.3 Camada Fsica 10BASE-FB

backboneFibra tica Max. 2000m

R

T

R

T

REPEATER 10BASE-FB

REPEATER 10BASE-FB

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IEEE 802.3u Fast Ethernet 3 verses com 100 Mbps, sempre com HUB: 100BASE-T4: usa 4 pares de cabos UTP categoria 3 (fio telefnico), com sinalizao em 25MHz cada, com at 100m at HUB, modo half-duplex. 100BASE-TX: usa 2 pares de cabos UTP categoria 5 (usa isolante de teflon), um para o HUB e outro de retorno, at 100m at o HUB, modo full-duplex; 100BASE-FX: usa 2 fibras ticas multimodo, uma em cada direo, distncia de at 2 Km at HUB.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE802.3 Switched Ethernet Melhora de performance da ethernet pode ser obtida com fast ethernet, porm requer novas placas de rede Outra soluo: manter placas 10BASE-T e ligar a um switcher

LC

switcher

Placas 10BASE-T

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A norma IEEE 802.4 (Token Bus)define topologia tipo barramento, com transmisso transmitido por meio de ficha. direito de

Inicializao: passagem da ficha se d segundo ordem descendente do valor do endereo fsico das estaes. Estao proprietria da ficha possui o direito exclusivo de transmisso sobre o barramento. Este direito pode ser exercido durante um certo perodo de tempo ("token retention time"), aps o qual ela deve ceder a ficha para a prxima estao do "anel" lgico. Protocolo define mecanismo de prioridades de quatro nveis, referenciados por 0, 2, 4 e 6 (nvel 0 tem a mais baixa prioridade e o nvel 6 a mais alta prioridade).M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

-

IEEE 802.4Periodicamente, a estao que detm a ficha consulta estaes inativas para verificar se querem fazer parte do anel lgico (quadro "Procura Sucessor").Este quadro indica endereo da estao que emite o quadro e o da estao seguinte no anel lgico. Apenas as estaes cujos endereos estiverem entre os dois endereos indicados podero candidatar-se participao no anel lgico. Se nenhuma estao apresenta interesse, a estao proprietria da ficha retoma a evoluo normal do anel. Se uma estao apresenta-se como candidata, ela passa a compor o anel lgico e torna-se a prxima destinatria da ficha. Se uma estao situada entre duas estaes A e B quer abandonar o anel lgico, ela envia estao A um quadro indicando que a sucessora de A ser a estao B.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

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Quadro IEEE 802.4bytes 1 1 1 2-6DEST

2-6FONTE

0-8182DADOS

4FCS

1

CONTROLE DE QUADRO DELIMITADOR DE INCIO PREMBULO

DELIMITADOR DE FIM

-

Prembulo (sincronizao a nvel de bit); Delimitador de Incio de Quadro; Controle de Quadro: quadros de dados ou de controle; Endereo Destino e Origem codificados em 16 ou 48 bits; campo de Dados (at 8182 bytes de comprimento); FCS: campo de Controle de erros por CRC;

-

Delimitador de Fim de Quadro.

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IEEE 802.4 Opes De Camada Fsica Rede com canal nico e modulao FSK (Frequency Shift Keying) fase contnua, com topologia em barra bidirecional, taxa de transmisso de 1Mbps; Rede com canal nico e modulao FSK fase coerente, topologia em barra bidirecional, taxas de transmisso de 5Mbps ou 10Mbps; Rede em banda larga, topologia em barra bidirecional com headend (central repetidora com conversor de freqncias do canal de recepo para o canal de envio), taxas de transmisso de 1Mbps, 5Mbps ou 10Mbps; Rede utilizando fibra tica, topologia lgica em barra (mas fisicamente em estrela, com um Hub como elemento central), requer um par de fibras para cada estao (uma para receber e outra para transmitir), taxas de transmisso de 5Mbps, 10Mbps ou 20Mbps.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A norma IEEE 802.5 (Token Ring)-

Rede em anel: conjunto de ligaes ponto-a-ponto, em modo unidirecional.Cada n do anel equipado de um acoplador. Cada bit copiado numa memria de espera do acoplador antes de ser retransmitido ao n seguinte. Token fica circulando quando no existe transmisso de quadro.

-

Quando uma estao quer emitir um quadro, ela deve adquirir o token e substitu-lo pelo quadro a enviar.Como apenas uma ficha est circulando no anel, a emisso de um quadro ao exclusiva de uma nica estao.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

IEEE 802.5

estao

interface para anel

anel unidirecional

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Quadro IEEE 802.51 11

2-6DEST

2-6FONTE

ilimitadoDADOS

4FCS

11

CONTROLE DE QUADRO (FC) CONTROLE DE ACESSO (AC) DELIMITADOR DE INCIO (SD)

DELIMITADOR DE FIM (ED) STATUS QUADRO (FS)

Status do Quadro: composto de bits A (Ativo) e C (Copiado). Valores dos bits A e C:

-

A = 0 e C = 0: o destinatrio est inativo e quadro no foi copiado;A = 1 e C = 0: o destinatrio est ativo mas o quadro no foi copiado; A = 1 e C = 1: o destinatrio est ativo e o quadro foi copiado (serve como acknowledge).

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IEEE 802.5 - Camada Fsica Segmentos com par tranado blindado (STP): 4 ou 16Mbps at 250 repetidores no anel Segmentos com par tranado comum (UTP): 4Mbps at 250 repetidores no anel Bits codificados em Manchester diferencial.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks Redes sem fio: pacotes transmitidos atravs de canais de freqncia de rdio ou infravermelho. Boa alternativa para aplicaes onde difcil instalar cabos. Emprego: computadores portteis em um ambiente de rede local mvel; onde rompimento de um cabo pode paralisar todo o sistema;

cho de fbrica: AGVs (Automatic Guided Vehicles), Robs Autnomos Mveis e Sensores Inteligentes.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

AP

Host ou Servidor de Aplicaes

Terminais de RF

Rede fixa

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks Bandas de freqncia ISM (Industrial, Scientific and Medical): podem ser utilizadas sem que seja necessria uma licena. IEEE 802.11 especifica bandas 902 at 928 MHz, 2.4 at 2.48 GHz e 5.75 at 5.85 GHz. O sinal emitido por uma estao cobre uma rea de 500 m2 com uma potncia de 100mW. reas maiores podem ser cobertas decompondo a rede em vrias subredes, responsveis pela comunicao em uma BSA (Basic Service Area). Potncia do sinal de rdio decai com o quadrado da distncia do emissor. Pode-se reutilizar a mesma freqncia de transmisso para estaes em BSAs diferentes, desde que estejam suficientemente distantes. Para construir redes cobrindo reas maiores, BSAs so interligadas por um sistema de distribuio, que consiste de uma rede usando meio fsico convencional.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks Problema tpico das redes de rdio: desvanecimento de Rayleigh. Parte das ondas de rdio so refletidas quando encontram objetos slidos. Em decorrncia desta reflexo, vrias cpias de uma mensagem de rdio podem estar em propagao no meio e chegar a estao receptora em instantes de tempo diferentes. Quando as vrias cpias do sinal chegam ao receptor aps percorrerem distancias diferentes, elas se somam aleatoriamente, podendo resultar em um sinal muito enfraquecido ou mesmo nulo. Se a diferena no comprimento dos caminhos for um mltiplo do comprimento de onda da portadora do sinal, os vrios componentes podem cancelar-se mutuamente.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

Desvanecimento de Rayleigh: qualidade da recepo varia a medida que estao se move no ambiente.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks Como vrias estaes compartilham o meio (rede de difuso) necessrio utilizar um mtodo de acesso. Idia inicial: utilizar CSMA. Problema: alcance do sinal de rdio. Um sinal oriundo de A pode alcanar B, mas no alcana C nem D. Um sinal oriundo de B alcana A e C, mas no D, etc.

A

B

C

D

A

B

C

D

Raio de alcance (a) (b)

(a) estao A transmitindo; (b) estao B transmitindoM. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks Suponha que A est enviando dados para B: Se C escutar o meio, no ir detectar que A esta enviando. C pode tentar enviar um quadro para B, mas como B est no alcance de C, o quadro enviado por A ir colidir com o quadro enviado por C a nvel de B. O fato de uma estao no poder detectar que o meio no est livre porque o concorrente est fora de alcance chamado de "problema da estao escondida" (hidden station problem).A B C D

Raio de alcance

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks Se B estiver transmitindo um quadro para A, C ir detectar a transmisso e concluir que no pode transmitir um quadro para D neste momento. Mas, como os receptores de A e D no esto na rea de interferncia uma da outra, nada impede que C envie dados para D enquanto B envia para A ! Esta situao conhecida como o "problema da estao exposta" (exposed station problem). Em resumo, o que realmente interessa a uma estao pretendendo enviar um quadro em redes sem fio saber se h ou no atividade na rea do receptor.A B C D

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks DFW-MAC (Distributed Foundation Wireless MAC) usa protocolo MACA (Multiple Access with Collision Avoidance). Emissor deve estimular o receptor a emitir um quadro pequeno que possa ser detectado pelos seus vizinhos antes de mandar os dados. B quer enviar um quadro para C: (a) B envia para C quadro RTS (Request To Send), contendo o tamanho do quadro de dados que deseja enviar a seguir. (b) C responde com quadro CTS (Clear To Send), contendo a mesma informao de tamanho. B inicia a transmisso quando recebe o quadro CTS de C.RTS A B C D A B CTS C D

Raio de alcance de B (a)

Raio de alcance de C (b)

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks Qualquer estao que captar o quadro RTS estar forosamente prxima a B e deve se manter em silncio por tempo suficiente para que B receba o CTS. Qualquer estao que captar o CTS estar forosamente prxima a C e deve tambm se manter em silncio por tempo suficiente para que C receba o quadro de dados que B vai enviar a seguir, cujo tamanho pode ser avaliado examinando o quadro CTS. Como se comportam as demais estaes ? A escuta o RTS de B mas no o CTS de C, de modo que, desde que no queira mandar dados para B, A pode enviar seus quadros a qualquer outra estao em seu raio de alcance; D escuta o CTS de C mas no o RTS de B, o que indica que est prxima a uma estao que vai receber um quadro de dados logo a seguir e portanto deve se manter em silncio at que este seja recebido.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

Apesar destas precaues, colises ainda podem ocorrer: A e C podem enviar quadros RTS para B ao mesmo tempo. Estes iro colidir e ser perdidos. No caso de coliso, o emissor do RTS espera um certo tempo pelo CTS e, se no receber nada, tenta novamente mais tarde. O tempo de espera definido pelo algoritmo BEB.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks Variaes: 802.11 WLAN (Wireless Local Area Network) Opera na faixa de 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical) taxas de 1 ou 2 Mbps; Largura de banda de 83.5MHz; Aprovada em Julho de 1997.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks 802.11a (tambm conhecida por Wi-Fi5) atua na banda de 5GHz UNII (Unlicensed National Information Infrastructure); usa OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), sistema de modulao com mltiplas portadoras. largura de banda de 300MHz; taxas de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54Mbps. Aprovada em Setembro de 1999.

802.11b (tambm conhecida por Wi-Fi) opera na banda de 2.4 GHz ISM usa CCK (Complementary Code Keying), sistema de modulao com uma nica portadora; taxas de 1, 2, 5.5 e 11 Mbps; Usa tecnologia direct sequence spread spectrum (DSSS) Aprovada em Setembro de 1999.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks 802.11g Opera na banda de 2.4GHz ISM; taxas de 1, 2, 5.5, 6, 9, 11, 12, 22, 24, 33, 36 e 54Mbps; Compatibilidade com o sistema Wi-Fi (802.11b) para taxas 11Mbps; Em fase de aprovao; Opes de modulao: CCK/OFDM sistema hbrido de modulao, prembulo/cabealho com modulao CCK, dados com modulao OFDM, opcional. PBCC, opcional, permite taxas de at 33Mbps, sistema hbrido de modulao onde o prembulo tem modulao CCK e os dados PBCC (Packet Binary Convolutional Coding) modulao com portadora nica. OFDM, para sistemas com taxas >20Mbps; CCK.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks Apesar de suas vantagens e da crescente difuso nos ltimos anos, as redes sem fio apresentam ainda alguns problemas e resolver. Dentre os pontos fracos dessa tecnologia pode-se destacar: Interferncia: estudos mostraram que a influncia dos fornos de microondas na performance dos receptores da WLAN significativa, uma vez que eles dividem a faixa de espectro de 2.4GHz. Essa banda tambm dividida com os telefones sem fio. Outro aspecto est relacionado com a proliferao dessas redes em residncias e edifcios de escritrios, o que ir contribuir para aumentar os problemas de interferncia; Segurana: a principal preocupao acerca das redes sem fio, pois dados iro trafegar pelo ar e podero ser interceptados por pessoas com equipamentos apropriados. o padro IEEE 802.11 definiu um mecanismo de segurana opcional e privativo, que provoca uma sobrecarga (overhead) na rede, mas que oferece certo nvel de segurana s redes sem fio. Para impedir que usurios no autorizados acessem sua rede sem fio, um valor de identificao chamado de ESS-ID, programado em cada AP para identificar a sub-rede de comunicao de dados e funciona como ponto de autenticao das estaes da rede. Se uma estao no puder identificar esse valor, no poder se comunicar com o AP respectivo. Outros fabricantes duplicam a tabela de controle de endereos MAC sobre o AP, permitindo, dessa forma, que apenas estaes com o endereo MAC reconhecido possam acessar a WLAN. M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Redes Acsticas Comunicao subaqutica tradicionalmente limitada a aplicaes militares (submarinos, torpedos teleguiados, sonares). Primeiro sistema de comunicao UWA (Under-Water Acoustic): telefone criado em 1945 para comunicao com submarinos (guas rasas, modulao FSK de 8 a 11 khz). Recentemente surgiram vrias aplicaes civis: Explorao submarina para fins cientficos; Soldagem e reparao de cascos de navios e dutos por robs submarinos; Monitorao de poluio; Veculos submarinos no tripulados (AUV = Autonomous Underwater Vehicles); Sensores e atuadores submarinos (sismgrafos, vlvulas, etc.); Comunicao entre mergulhadores; Montagem/manuteno/operao de plataformas de explorao/produo de petrleo.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Redes Acsticas Gerao de sinais: Sinais de rdio: para boa propagao na gua, requerem ondas de baixssima freqncia (30 a 300 Hz) => antenas grandes e transmissores de alta potencia. Sinais ticos: principal problema no atenuao, mas disperso. Sinais acsticos: melhor soluo, podem se propagar na gua por milhares de Km.

Requisitos para tipos de dados mais usuais: Sinais de controle (comando de vlvulas, solicitao de status, comandos de navegao para AUV, etc): requerem cerca de 1Kbps; Dados telemetria (hidrofones, sismgrafos, sonares, etc): requerem cerca de 10Kbps; Vdeo: requer de 10Kbps a 500Kbps para boa taxa atualizao.

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Redes Acsticas Problemas tecnolgicos a superar: Perda de transmisso: espalhamento de energia e absoro de som (proporcional ao quadrado da distncia); Rudo acstico: pior em guas rasas, portos, etc. Reverberao: propagao de sinal por mltiplos caminhos causada por reflexo em obstculos (desvanecimento de Rayleigh); Variaes espaciais e temporais do meio (temperatura/densidade gua, obstculos mveis, etc.): problema pior se estaes mveis.

Consideraes de projeto de sistemas UWA: Importante eliminar reverberao (muito pior que rdio). Uso de dispositivos direcionados: problemtico se estaes mveis; Tcnicas FSK com tempo de espera entre pulsos de mesma freqncia (espera ecos desaparecerem); Tcnicas Spread-Spectrum; Uso de equalizadores.

M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Redes Acsticas Tipos de sistemas UWA em uso: Longo alcance: 20Km at 2.000Km, modulao FSK de 200Hz at 10KHz, taxas de transmisso baixas (tpico: 1 bps); Mdio alcance: 1Km at 20Km, uso em guas rasas, modulao FSK de 10KHz at 100KHz, 5Kbps; Curto alcance: at cerca de 60m, uso para robs de manuteno e mergulhadores em guas rasas, modulao FSK de 1MHz, taxa de 500Kbps.

Pesquisas atuais: Uso de PSK e QAM (Quadrature Amplitude Modulation) em lugar de FSK; Testes com sinais capazes de se propagar por todo o planeta (testado sinal gerado Austrlia e lido na Califrnia/USA); Desenvolvimento de ALAN (Acoustic LAN): tendncia de usar protocolos MACA e MACAW (IEEE 802.11), multiplexao de canais por TDM ou CDMA+Spread Spectrum.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Projeto MAPManufacturing Automation Protocol: iniciativa da GM (1980), com a finalidade de definir rede voltada para automao da manufatura (baseada no RM-OSI). MAP bem adaptada para comunicao entre equipamentos de cho de fbrica, tais como: Robs, CNC, CLP, terminais de coleta de dados, Computadores, etc. Para aplicaes com tempos crticos foi definida a verso MAP/EPA (Enhanced Performance Architecture). MAP/EPA apresenta duas pilhas de camadas: arquitetura MAP completa (7 camadas) e uma arquitetura simplificada (camadas 1, 2 e 7). Verso mais simplificada: MINI-MAP implementa somente as camadas 1, 2 e 7 do RM-OSI.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

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Projeto TOPTechnical Office Protocol: desenvolvido pela BOEING a partir de 1983. Redes para automao de reas tcnicas e administrativas. Baseado no modelo OSI de 7 camadas. Servios: - correio eletrnico; - processamento de textos; - acesso a base de dados distribuda; - transferncia de arquivos; - CAD/CAM distribudo; - troca de documentos; - transaes bancrias. A partir de 1986: MAP e TOP reunidos (projeto MAP/TOP).M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

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Projeto FIELDBUSFieldbus (Barramento de Campo): soluo de comunicao para os nveis hierrquicos mais baixos dentro da hierarquia fabril.

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Interconecta dispositivos primrios de automao (Sensores, atuadores, chaves, etc.) e os dispositivos de controle de nvel imediatamente superior (CLP, CNC, RC, PC, etc.).Ainda esto sendo definidos os padres para o Fieldbus. Principais grupos envolvidos nos trabalhos de padronizao: Avaliadores: IEC, ISA, EUREKA, NEMA Proponentes: PROFIBUS, FIP, ISA-SP50.

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M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Manufacturing Automation ProtocolIntroduo Projeto MAP nasceu no incio dos anos 80 por iniciativa da General Motors. Na poca, apenas 15% dos equipamentos programveis de suas fbricas eram capazes de se comunicar entre si. Custos de comunicao muito elevados, avaliados em 50% do custo total da automao. Quantidade de equipamentos programveis deveria sofrer uma expanso de 400 a 500% num prazo de 5 anos.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

MAP: introduo Opes da GM: continuar utilizando mquinas programveis de vrios fabricantes e solucionar o problema da maneira como vinha sendo feito; basear produo em equipamentos de um nico fabricante;

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desenvolver uma proposta padronizada de rede que permitisse interconectar todos os equipamentos.

Soluo adotada: terceira opo. Em 1981, a GM uniu-se a outras empresas (DEC, HP e IBM) definindo soluo baseada no RM-OSI.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A arquitetura MAP Camadas 1 e 2: selecionadas normas IEEE 802.4 (barramento com ficha) e IEEE 802.2 (LLC). Camada Fsica: escolhido o suporte de comunicao em broadband, com cabo coaxial. Escolha de broadband baseada nas razes seguintes: possibilidade de uso de vrios canais comunicao sobre um mesmo suporte; de

permitir a troca de sinais como voz e imagem para aplicaes como superviso, circuito fechado de TV, teleconferncia, etc.; a GM j possua muitas instalaes operando em broadband.

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M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A arquitetura MAP Camada de Enlace (MAC): escolhido Token-Bus, pois: - era o nico protocolo suportado em broadband; muitos equipamentos programveis j usavam broadband e IEEE 802.4; possibilidade mensagens. de atribuir prioridades s

Camada de Enlace (LLC): optou-se por LLC tipo 1 (sem conexo e sem reconhecimento). Camada de Rede: sem conexo, cada mensagem sendo roteada individualmente atravs da rede. Protocolo de roteamento definido pelo projeto MAP e normalizado na ISO sob o nmero 9542.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A arquitetura MAP Camada de Transporte: protocolo classe 4 da ISO (TP4, ISO 8072/73), orientado conexo, com controle de erros.

Oferece um canal de comunicao confivel, sem perdas, erros, nem duplicao de mensagens. TP4 assegura ainda as funes de fragmentao e blocagem de mensagens. Camada de Sesso: norma ISO 8326/27, modo fullduplex e resincronizao. Camada de Apresentao: representao de dados baseada na ASN.1.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A arquitetura MAP Camada de Aplicao: - MMS: troca de mensagens entre equipamentos de produo; - FTAM: acesso e a transferncia de arquivos;

- ROS: gesto de nomes (diretrio);- Funes de gerenciamento de rede: gesto dos recursos, medio de desempenho, modificao dos parmetros da rede.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A arquitetura MAPEspec.Camadas

TOPACSE, FTAM VTP

MAP

MAP-EPA MiniMAPMMS, FTAM, ROS

Aplicao Apresentao

ISO 8822 - ASN.1

SessoTransporte

ISO 8326 e 8327ISO 8072 e 8073 Classe 4

VAZIO

RedeEnlace Fsica

ISO 8348 s/ conexoLLC 802.2 Tipo1 MAC 802.3 CSMA/CD LLC 802.2 Tipo 1 MAC 802.4 Token Bus

LLC 802.2 Tipos 1 e 3 MAC 802.4 Banda Base (5 Mbps)

Banda Base (10 Mbps)

Banda Larga (10 Mbps)

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A arquitetura MAP-EPA Proposta MAP original adequada aos nveis hierrquicos superiores. A arquitetura a 7 camadas oferece um overhead indesejvel nos nveis mais baixos da hierarquia. Soluo: Definio de uma verso simplificada denominada MAP-EPA (Enhanced Performance Architecture). Definio de duas pilhas de protocolos: pilha normal FullMAP e pilha MAP-EPA, desprovida das camadas de Rede, Transporte, Sesso e Apresentao.

Protocolo IEEE 802.4 (Token-Bus) ainda adotado, porm sobre um suporte de transmisso em baseband a 5 Mbit/s. Um processo de aplicao tem a opo de enviar seus dados atravs da pilha normal ou, em casos onde o requisito seja um tempo de resposta rpida, pela pilha MAP-EPA.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A arquitetura MAP-EPAMAP EPA

Aplicaes convencionais

Aplicao Apresentao Sesso Transporte Rede Enlace LLC 802.2 Tipos 1 e 3 MAC 802.4 Token Bus Fsica Banda Base 5 Mbps

Aplicaes tempo-real

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A arquitetura Mini-MAP Arquitetura Mini-MAP composta das camadas 1, 2 e 7. Protocolo de Enlace: LLC tipos 1 e 3.Aplicao

Conexo com LSAPs

LLC Tipos 1 e 3 MAC 802.4 Banda Base (5 Mbps)

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Os servios de mensagem industrial (MMS) MMS: conjunto de servios de comunicao orientados para aplicaes industriais. MMS organizado em duas partes: Manufacturing Message Services: Servios; Manufacturing Message Specification: Protocolo. robs (RC); mquinas de comando numrico (CNC); sistemas de viso; controladores lgicos programveis (CLP); sistemas de controle de processos.

Companion Standards especficos para:

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Os objetos MMS

Servios MMS manipulam objetos virtuais. Usurios dos servios MMS: Processos Aplicao (AP - Application Process). de

Comunicao entre dois AP realizada segundo um modelo Cliente-Servidor. Objeto bsico: Dispositivo Virtual de Manufatura (VMD, Virtual Manufacturing Device) representa um equipamento real de produo. Todo processo de aplicao modelizado no MMS possui, no mnimo, um objeto VMD.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Os objetos MMS Objetos Domnios (Domains): permitem reagrupar os programas e os dados necessrios execuo no equipamento considerado. Objetos Invocao de Programa (Program Invocation): permitem execuo remota de programas. Objeto Estao Operador: permite a um operador humano se comunicar com um equipamento de produo. Objetos Semforos: permitem gerenciar a sincronizao de processos e o acesso concorrente a recursos. Objetos Condio de Evento, Ao de Evento e Inscrio de Evento: deteco e o tratamento de eventos. Objetos Variveis: leitura e escrita de variveis remotas.

Objetos Jornais: produo de relatrios de produo.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Os objetos MMS

VMDObjeto s MMS

... ...Funo Exe cutiva

E stao Operado r 1

...E stao Operado r N

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Servios MMS 84 Servios distribudos em 9 Classes: Gesto de Contexto iniciao, liberao, abandono e rejeio de conexo com outro usurio MMS Gesto de Domnio transferncia de informaes (cdigos e dados) para serem carregados num domnio de forma dinmica: as seqncias DownLoad e UpLoad so atividades que permitem gerenciar as transferncias entre Cliente e Servidor Gesto de Programas permitem que um usurio Cliente MMS gerencie a execuo remota de programas num usurio Servidor Acesso a Variveis definio e acesso s variveis de um VMDM. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Servios MMS Gesto de Semforos sincronizao e controle do acesso aos recursos de um VMD Estao Operador entrada e sada de informaes via estaes de operador Gesto de Eventos definio e tratamento de eventos via servios MMS Gesto de VMD oferece servios de VMD (informaes sobre os objetos) Gesto de Jornal salvamento de informaes de estado de um VMD, particularmente no que diz respeito ocorrncia de eventos e afetao de variveis.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Classe Gesto de Contexto

Gesto de VMD

Gesto de Domnio

Gesto de Programas

Acesso a Variveis

Primitivas de Servio Initiate Conclude Abort* Cancel Reject* Status UnsolicitedStatus* GetNameList Identify Rename InitiateDownLoadSequence DownLoadSegment TerminateDownLoadSequence InitiateUpLoadSequence UpLoadSegment TerminateUpLoadSequence RequestDomainDownLoad RequestDomainUpLoad LoadDomainContent StoreDomainContent DeleteDomain GetDomainAttribute DomainFile CreateProgramInvocation DeleteProgramInvocation Start Stop Resume Reset Kill GetProgramInvocationAttributes Read Write InformationReport GetVariableAccessAttributes DeleteNamedVariable DefineScatteredAccessAttributes DeleteVariableAccess DefineNamedVariableList GetNamedVariableListAttributes DeleteNamedVariableList DefineNamedType GetNamedTypeAttributes DeleteNamedType

Comentrios iniciao, liberao, abandono e rejeio de conexo com outro usurio MMS oferece servios de VMD, particularmente informaes sobre os objetos

permitem transferir informaes, tais como cdigos e dados de programa, para serem carregados num domnio de forma dinmica: as seqncias DownLoad e UpLoad so atividades que permitem gerenciar as transferncias entre Cliente e Servidor

permitem que um usurio Cliente MMS gerencie a execuo remota de programas num usurio Servidor

permitem a definio e o acesso s variveis de um VMD e estabelecer a relao entre as variveis de um VMD (objetos) e as variveis real de um equipamento de produo

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Classe Gesto de Semforos

Estao Operador Gesto de Eventos

Primitivas de Servio TakeControl RelinquishControl DefineSemaphore DeleteSemaphore ReportSemaphoreStatus ReportPoolSemaphoreStatus ReportSemaphoreEntryStatus Input Output DefineEventCondition DeleteEventCondition GetEventConditionAttribute ReportEventConditionStatus AlterEventConditionMonitoring TriggerEvent DefineEventAction DeleteEventAction GetEventActionAttributes ReportEventActionStatus DefineEventEnrollment DeleteEventEnrollment GetEventEnrollment ReportEventEnrollment AlterEventEnrollment EventNotification* AcknowledgeEventNotification GetAlarmSummary GetAlarmEnrollmentSummary AttachToEventModifier ReadJournal WriteJournal InitializeJournal ReportJournalStatus

Comentrios so encarregados da sincronizao e do controle do acesso aos recursos de um VMD pelos processos de aplicao

controlam a entrada e sada de informaes via estaes de operador permitem a definio e o tratamento de eventos via servios MMS. A possibilidade de associar a execuo de um servio MMS ocorrncia de um evento um aspecto interessante, implementado pelo Modificador AttachToEvent

Gesto de Jornal

permitem o salvamento de informaes sobre a execuo de um VMD, particularmente no que diz respeito ocorrncia de eventos e afetao de variveis.

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Redes FieldbusTENDNCIACentralizado / Analgico Decentralizado / Digital Decentralizado / Digital / Multipontos

Keyboard D A RS 232C

Keyboard

RS 449 (422/423)

Keyboard

A

D

FIELDBUS

Placa de aquisio de dados

MUX

4..20 mA 0..10 v

PD

P

P P P PD A A A

Sample/ Holder0..10 v 4..20 mA

A

C

D

D

C

Adaptador /Amp. Y X Y atuador

Amp. Potncia Y Yatuador inteligente

X

X

X

sensores

sensores inteligentes

X

Y

sensores inteligentes

X

Yatuador inteligente

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Vantagens de uso do Fieldbusreduo da cablagem pela utilizao de um meio fsico compartilhado; reduo do nmero de canais de comunicao com o processo; reduo do tempo e complexidade do projeto de lay-out; facilidade de instalao e manuteno, pela manipulao de um menor nmero de cabos e conexes; facilidade de deteco, localizao e identificao de falhas, atravs de funes de monitorao automtica; maior modularidade no projeto e instalao, aumentando a flexibilidade de expanso de funes e mdulos; melhor consistncia e confiabilidade da informao, atravs da digitalizao e pr-processamento;M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Vantagens de uso do Fieldbuspossibilidade de sincronizao amostragem de Entrada/Sada; dos instantes de

melhoria do desempenho global da aplicao pela descentralizao do processamento; maior facilidade de interconexo hierrquicos diferentes de automao; entre nveis

reduo dos custos de sistemas atravs da aquisio seletiva de dispositivos compatveis de diferentes fornecedores, eliminando a dependncia de somente um fornecedor; desacoplamento do software de superviso da dependncia de um fornecedor especfico de Hardware.

-

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Motivaes e requisitos do Fieldbus MAP-EPA e Mini-MAP permitem a realizao de tempos de resposta de cerca de 100 ms. Fieldbus reduz este tempo para abaixo de 10 ms. Fieldbus define somente as camadas 1, 2 e 7 do modelo de referncia OSI. Funes das camadas 3 a 6 indispensveis para a comunicao absorvidas pelas camadas 2 ou 7.

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Motivaes e requisitos do Fieldbus- Aspecto de custo assume grande importncia - dispositivos a serem interligados tem em geral custo inferior ao da prpria interface MAP. - So requeridos ns a um custo da ordem de U$ 50 ou inferior.Componente MAP Cabo Coaxial Controlador Demodulador Componente Ethernet / IBM N CSMA/CD N Token-Ring Preo mdio U$ 2,5 / m U$ 5.000 U$ 1.500 Preo mdio U$ 500 - 1500 U$ 750 - 1500 Elemento Campo CLP Controle Rob PC Sensor/Atuador I/O Binria Preo mdio U$ 3.000 $20.000 U$ 2.000 U$ 50 a 1000 U$ 50 a 1000

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Motivaes e requisitos do Fieldbus Trs classes distintas de aplicao: - sistemas "Stand-Alone": transaes ocorrem somente entre dispositivos ligados em um mesmo segmento de rede (ex.: sensores e atuadores ligados a um CNC dentro de uma mquina). - sistemas em cascata: dispositivos conectados a segmentos distintos podem trocar informaes por meio de uma "bridge" (ex.: SDCD - Sistema Distribudo de Controle Digital). - sistemas hierrquicos: Fieldbus est interligado via "gateway" a um nvel hierrquico superior da automao fabril (ex.: estrutura CIM).M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Motivaes e requisitos do Fieldbus Em funo do tipo de aplicaes que se prope a atender, um conjunto de requisitos bsicos so impostos ao Fieldbus: elevado desempenho para atender as aplicaes com requisitos de tempo crticos; mtodo de transmisso simples e barato; meio de transmisso de preo acessvel; necessidade de consistncia de dados; servios compatveis com redes dos nveis hierrquicos superiores (compatibilidade com MMS);

-

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Motivaes e requisitos do Fieldbus

Existem vrias solues proprietrias para o Fieldbus.Esforos para padronizao do Fieldbus:ESPRIT CNMA/FieldbusSistema Fieldbus para Processos de Fabricao

PROFIBUS

D

Norma nacional em abril 91

Siemens Foxboro Rosemount MIL 1553 industrial outros

ISA SP50

USA

ISA/ IEC Fieldbus Foundation

Iniciou definio de Pr-Norma

FIP

FNorma nacional inicio 1988

EUREKA "Fieldbus"Desenvolvimento e teste de um Fieldbus para Processos Unitrios ( Ex. )

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Motivaes e requisitos do Fieldbus sistemas fieldbus atuais adequados para o acoplamento direto de sensores e atuadores em processos com dinmica elevada (RTLAN) ?P r o c e s s a d o r C e nt r a l

Cont.

At uador

Pr ocesso

Sensor

F i e l d bu s

P r o c e s s a d o r C e nt r a l

At uador

Cont.

Pr ocesso

Sensor

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A proposta FIP (Factory Instrumentation Protocol)Introduo:

FIP elaborado por um conjunto de empresas europias (principalmente francesas), rgos do governo francs e centros de pesquisa. Criadores conglomerados em torno do chamado Club FIP (http://www.worldfip.org). Procurou levar em considerao as restries de tempo real impostas por aplicaes de cho de fbrica.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A camada Fsica do FIP Meios de transmisso: fibra tica ou par tranado. Par tranado: previstas trs velocidades de transmisso: S1: 31.25 Kbps (segurana intrnseca)

-

S2: 1 Mbps (padro)S3: 2.5 Mbps (processos de elevada dinmica)

Fibra tica: velocidade de 5 Mbps. Bits codificados segundo o cdigo Manchester, que permite o envio simultneo do sinal de sincronizao e dos dados. Suporta segmentos com comprimento de at 2000 m e at 256 estaes.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A camada de Enlace do FIP Mtodo de acesso ao meio baseado na difuso ("Broadcasting"). A difuso organizada por uma entidade centralizada denominada "rbitro de barramento". Dados representados por objetos (variveis). Cada objeto representado por um "nome" nico no sistema. Cada objeto elaborado por um nico transmissor (produtor) e lido por qualquer nmero de receptores (consumidores). A comunicao transcorre da seguinte forma: rbitro difunde na rede o nome da varivel (objeto) a ser transmitida; O produtor da varivel difunde a informao ligada ao identificador; todos os consumidores interessados lem a varivel difundida.

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A camada de Enlace do FIPID _ D AT

r bitro C P C

RP_ D AT

r bitro C P C

A varredura das variveis peridicas feita a partir de uma lista implementada no rbitro na inicializao. A transmisso de mensagens no peridicas feita conforme a norma IEEE 802.2, LLC tipos 1 e 3.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Formato do quadro do FIP PRE: prembulo, utilizado para sincronizao. FSD/FED: delimitadores de incio e fim de quadro. EB: Bits de equalizao, operam como bits de interface entre os delimitadores e os dados codificados em Manchester. DFS (Data Frame Sequence):

-

Controle: tipo de quadro (quadro de identificao de informao ou de envio de informao).Dados: contm endereo lgico ou valor de uma varivel, mensagem, reconhecimento ou lista de identificadores. FCS: controle de erros com tcnica polinomial (polinmio gerador proposto pela CCITT).PRE FSS FSD EB DFS EB FED FES EB

FSS Frame Start Sequence FES Frame End Sequence

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Servios oferecidos pela camada de enlace FIP

ClasseAtualizao cclica de dados Atualizao no peridica de dados Transmisso de mensagem com ACK Transmisso de mensagem sem ACK

PrimitivaL_PUT.req/cnf L_SENT.ind L_GET.req/cnf L_RECEIVED.ind L_PARAM.req/cnf L_MESSAGE_ACK.req/ind/cnf L_MESSAGE.req/ind

Comentriosatualiza dados sinaliza envio busca de dados sinaliza recepo requisita dados c/ reconhecimento s/ reconhecimento

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A Camada de Aplicao do FIPFIP adota sub-conjunto do MMS para aplicaes no crticas no tempo. Para aplicaes crticas no tempo, adota famlia de servios MPS ("Message Periodic/Aperiodic Services").Primitiva de servio A_READ.req/cnf A_READFAR.ind A_WRITE.req/cnf A_WRITEFAR.ind A_GETOBJECT_DESCRIPTION.req/cnf A_READLIST.req/cnf A_WRITELIST.req/cnf A_SEND.ind A_RECEIVE.ind Comentrios l nomes de variveis, estruturas, status, valores escreve especificao, valor, status l especificao l e escreve atributos, valores sincronizao local e remota

Classe Leitura de variveis Escrita de variveis Leitura do tipo de varivel Acesso listas de variveis Servios de sincronizao

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Funes De Gerenciamento da Rede no FIP

O projeto FIP definiu uma srie de funes de gerenciamento de rede: Definio e atualizao das listas de objetos;

Definio e atualizao das tabelas de varredura; Gerenciamento das operaes de partida e parada; Deteco e correo de falhas;M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A proposta PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) Introduo PROFIBUS desenvolvido na Alemanha, inicialmente pela Siemens em conjunto com a Bosch e Klockner-Moeller em 1987.

Em 1988 tornou-se um "Trial Use Standard" no contexto da norma DIN (DIN V 19245, parte 1), que define as camadas Fsica e Enlace.Posteriormente, grupo de 13 empresas e 5 centros de pesquisa propuseram alteraes nas camadas Fsica e Enlace e definiram a camada de Aplicao (norma DIN V 19245, parte 2). Esta proposta atualmente apoiada por mais de 300 empresas europias e internacionais (www.profibus.com).M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A camada fsica do PROFIBUS A camada fsica do PROFIBUS baseia-se no padro EIA RS-485 (Electronic Industries Association). Topologia barramento, utilizando como meio um par tranado blindado. Permite a interligao de at 32 elementos (estaes ativas, passivas ou repetidoras) por segmento. So permitidos at 4 segmentos, totalizando um mximo de 128 estaes. Codificao NRZ, podendo ser implementada com uma USART simples (assncrona). Taxas de transmisso: 9.6, 19.2, 93.75, 187.5, 500 Kbps, 1.5 Mbps, 12 Mbps.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A camada de enlace do PROFIBUS O PROFIBUS combina dois mtodos deterministas de acesso ao meio: "Master/Slave" e "Token-Passing".an el lg icoMe str e 1 Me str e 2

to ken

Es cr av o 1

Es cr av o 2

Es cr av o 3

Es cr av o N

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A camada de enlace do PROFIBUS O PROFIBUS agrupa quadros em duas classes: quadros longos: para transmisso entre estaes mais complexas (ativas, mestres); quadros curtos: para dispositivos simples (passivas, escravos). quadro longo sem campo de dados; quadro longo com campo de dados fixo; quadro longo com campo de dados varivel; de campo

Os quadros previstos incluem: -

-

quadro curto sem campo de dados;quadro curto com campo de dados; quadro curto de passagem de token.

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Servios de enlace do PROFIBUS Protocolo de enlace: FDL ("Fieldbus Data Link").Classe SDN (Send Data with No Acknowledge) SDA (Send Data with Acknowledge) RDR (Request Data with Reply) CRDR (Cyclic Request Data with Reply) Primitiva de servio FDL_DATA FDL_DATA_ACK FDL_REPLY FDL_REPLY_UPDATE FDL_CYC_REPLY FDL_CYC_DEACT FDL_REPLY FDL_REPLY_UPDATE FDL_SEND_UPDATE FDL_CYC_DATA_REPLY FDL_CYC_DEACT FDL_DATA_REPLY FDL_DATA_UPDATE FDL_DATA_REPLY FDL_REPLY_UPDATE Comentrios envio de dados sem reconhecimento envio de dados com reconhecimento requisio de dados com reconhecimento estao local requisita ciclicamente dados ao usurio remoto. estao local envia ciclicamente e requisita simultaneamente dados de resposta.

CSRD (Cyclic Send and Request Data)

SRD (Send and Request Data)

estao local envia e requisita dados.

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A camada de Aplicao do PROFIBUS Definido um subconjunto do MMS. Camada de Aplicao subcamadas: dividida em trs

- Fieldbus Message Specification protocolo propriamente dito;

(FMS):

- Lower Layer Interface (LLI): interface com a camada de Enlace;- Application Layer Interface (ALI): interface com as aplicaes do usurio.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Classe Servios de Acesso a variveis

Servios de Acesso a Domnios

Servios de Invocao de Programas

Servios de Notificao de Eventos Servios de Leitura de Status Servios de Gerenciamento de Dicionrio de Objetos Servios de Gerenciamento de Contexto

Primitivas de servio READ WRITE INFORMATION_REPORT PHY_WRITE PHY_READ DEFINE_VARIABLE_LIST DELETE_VARIABLE_LIST INITIATE_DOWNLOAD_SEQUENCE DOWNLOAD_SEGMENT TERMINATE_DOWNLOAD_SEQUENCE INITIATE_UPLOAD_SEQUENCE UPLOAD_SEGMENT TERMINATE_UPLOAD_SEQUENCE REQUEST_DOMAIN_DOWNLOAD REQUEST_DOMAIN_UPLOAD CREATE_PROGRAM INVOCATION_DELETE_PROGRAM INVOCATION_START INVOCATION_STOP INVOCATION_RESUME INVOCATION_RESET ALTER_EVENT_COND._MONITORING EVENT_NOTIFICATION ACK_EVENT_NOTIFICATION STATUS UNSOLICITED_STATUS STATUS_IDENTIFY GET_OV PUT_OV INITIATE_PUT_OV TERMINATE_PUT_OV INITIATE REJECT ABORT

Comentrios leitura e escrita de variveis contidas em dispositivos servidores

transferncia de dados ou programas de dispositivo cliente para dispositivo servidor e vice-versa

partida, parada, retorno da execuo, retorno ao estado inicial e deleo de programas servidor notifica cliente a ocorrncia de um evento (alarme) informaes acerca do estado dos dispositivos servidores descrio de todos os objetos na rede (nomes, endereos, tipos de dados, etc) estabelecimento e encerramento de associao entre dois dispositivos e a rejeio de mensagens recebidas

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A Proposta ISA SP-50Introduo: Proposta iniciada pela ISA (Instrumentation Society of America), pelo comit "Standards and Practices 50". Hoje em elaborao pela ISA e IEC para definir padro mundial para Fieldbus. Trabalhos de padronizao ainda em andamento. Fieldbus Foudation: suporte aos usurios e fabricantes (interoperabilidade, conformidade, etc). Home-page: http://www.fieldbus.org.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A Camada Fsica Do ISA-SP50 Camada fsica compe-se de trs subcamadas: - DIS (data Independent Sublayer): interface com camada de enlace (DTE);

- MDS (Medium Dependent Sublayer): codifica dados para formato compatvel com o meio fsico. Especificao para par tranado: codificao Manchester bifsica;- MAU (Medium Attachment Unit): descreve o transceptor para o meio fsico.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A Camada Fsica Do ISA-SP50Camada de Enlace

DIS ( Da ta In d e p e n d e n t S u b la ye r ) MDS ( Me d iu m De p e n d e n t S u b la ye r ) MA U ( Me d iu m A tta ch m e n t U n it)

Me io F si coM. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A Camada Fsica Do ISA-SP50- Tipos de meio: Meio H1 (reas de segurana intrnseca): Par tranado Taxa de transmisso de 31,25 Kbps At 32 estaes se meio no utilizado para a alimentao dos dispositivos de campo ou 6 estaes com alimentao pelo fio Topologias barramento, rvore e estrela;

Distncia at 1900m sem repetidores At 4 repetidoresM. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A Camada Fsica Do ISA-SP50 Meio H2 (aplicaes de alta velocidade): Par tranado. Taxa de transmisso de 1 Mbps ou 2,5 Mbps. Topologia em barramento e estrela. Distncia mxima de 750 m para 1 Mbps e 500m para 2,5 Mbps, 30 estaes (sem repetidores). Propostas alternativas: Fibra tica. Sinais de rdio.

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A Camada De Enlace Do ISA - SP50Classes de servios:Servios de gerenciamento de Buffers e filas: permitem alocar buffers e filas para a transferncia de dados; Servios de transferncia de dados com conexo;

-

Servios de transferncia de dados sem conexo: teis no envio de telegramas de difuso (multicast e broadcast);Servios de escalonamento de transaes: permitem programar o LAS, definindo a seqncia de passagem de token.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A camada de Enlace do ISA - SP50Classes de funes para estaes:

-

Responder: estao s transmite dados em resposta a uma solicitao (estao "escrava");Initiator: estao pode se apoderar do direito de acesso ao meio (token), podendo enviar e requisitar dados a outras estaes por iniciativa prpria; Linkmaster: estao pode exercer o papel de escalonador de enlace, administrando o token e gerenciando o tempo interno do sistema;

-

-

Bridge: estao capaz de interligar entidades de enlace diferentes;

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A camada de Enlace do ISA - SP50 Se h mais de um "Linkmaster" no sistema, estes disputam entre si na inicializao o papel de escalonador de enlace.

A estao vencedora chamada LAS (Link Active Scheduler). Existem trs tipos de token: Token de escalonamento: disputado na inicializao por todas as estaes Linkmaster, define a estao LAS. Token circulado: distribudo pela estao LAS s demais estaes com funcionalidade de Initiator ou Linkmaster, que formam um anel lgico. Token delegado: enviado pela estao LAS a uma estao qualquer por solicitao desta ou para atender s necessidades de um servio de comunicao escalonado pela LAS.

-

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A Camada De Enlace Do ISA - SP50LA S

LM

Es ta o qualque r

Tok e n de Es calonam e nto Tok e n D e le gado Tok e n Cir culado

LM

LM

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A Camada De Enlace Do ISA - SP50 Formas de acesso ao meio: Token passing: segue seqncia predefinida na qual o token sempre recebido da LAS por um Initiator e devolvido a ela aps uso do meio. Resposta imediata: um Initiator ou o LAS solicita um dado a um Responder, que emite um frame em resposta (relao mestre-escravo). Requisio de token: uma estao envia um pedido de token embutido em uma mensagem qualquer. O LAS delega o token a ela quando tem tempo disponvel. Aps o uso, token devolvido a LAS.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A Camada De Enlace Do ISA - SP50 Modelos de comunicao suportados: Peer-to-Peer (P2P): pressupe que cada estao na rede possui capacidades e responsabilidades equivalentes (isto difere do modelo cliente/servidor, no qual algumas estaes so dedicadas a prestar servios s demais). Neste modelo, cada frame contm o endereo do emissor e do(s) receptor(es). A comunicao envolve 1 emissor e 1 ou mais receptores. Produtor / consumidor: frame gerado pelo produtor (gerador de um dado) difundido para todas as estaes (broadcasting) e contm, no campo de endereo, a identificao de uma varivel. Todas as estaes interessadas (consumidoras) podem ler o frame.

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A Camada De Enlace Do ISA - SP50 Camada de Enlace subdividida em quatro subcamadas: Subcamada de acesso a Enlace: interface com a camada fsica, gerencia token e servios de resposta imediata; Subcamada de escalonamento de Enlace: faz escalonamento de atividades da entidade de enlace. Mais complexa em estaes Linkmaster (podem assumir a funo de LAS); Subcamada de gerenciamento de conexes: estabelece e rompe conexes; Subcamada de gerenciamento de Ponte: s existe em estaes tipo Bridge.

-

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A Camada De Enlace Do ISA-SP50Camada de Aplicao

S u b ca m a d a d e Ge r e n cia me n to d e P o n te S u b ca m a d a d e Ge r e n cia me n to d e Conexes S u b ca m a d a d e E sca lo n a me n to S u b ca m a d a d e A ce sso a E n la ce

Camada F sicaM. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

A Camada De Aplicao Do ISA-SP50 Camada de aplicao ainda em discusso. Procura conjugar MMS, para aplicaes sem restries temporais, com MPS (servios tipo READ/WRITE inspirados no FIP) para atender trfego cclico e acclico com requisitos de tempo real "duro". Camada de aplicao prev os seguintes servios: MCSE (Message Common Service Element): estabelece e interrompe conexes entre processos de aplicao (Correspondem aos servios ACSE da ISO). IMSE (Industrial Message Service Element): servios semelhantes aos oferecidos pelo MMS do projeto MAP. DDM (Distributed Database Maintenance): Servios de acesso bases de dados distribudas.

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Camada Do Usurio Do ISA-SP50 SP-50 define User Layer, situada acima da camada de aplicao Oferece servios adequados a diversos tipos de aplicaes (como "companion standards" do MAP). Trabalhos atuais: PCUL - Process Control User Layer.

Outros trabalhos devero atender as reas de:automao da manufatura; controle predial (imtica);

-

eletrnica embarcada (automveis),aplicaes domsticas (domtica), etc.

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Servios De Gerenciamento De Rede Do ISA-SP50 SP-50 inclui funes de gerenciamento de rede: - Gerenciamento de configurao de rede:

carregamento; inicializao de endereos; configurao de comunicao e aplicao;

partida, etc.;- Controle de operao: ferramentas sincronizao, escalonamento, etc.; de

- Monitorao de desempenho: deteco, diagnose e recuperao de erros, avaliao e otimizao de desempenho, etc.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Fieldbus: Concluses-

Uma vez definido um padro internacionalmente aceito, o Fieldbus dever revolucionar o setor de instrumentao.Esta tecnologia permite que a inteligncia seja totalmente distribuda pelo campo e favorece o surgimento de dispositivos com capacidades locais de processamento cada vez mais sofisticadas. A integrao total dos equipamentos permitir alteraes nos procedimentos de operao das plantas industriais. O Fieldbus dever tambm propiciar a intercambiabilidade a nvel de sensores, atuadores, transmissores e controladores, trazendo ao usurio uma maior flexibilidade na compra de produtos e abrindo espao para novos fabricantes.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

-

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GPIB Interface de rede padro para instrumentao: GPIB (General Purpose Interface Bus). Origem: HP-IB (Hewlet-Packard Interface Bus). Hoje norma IEEE 488.1 e IEC 625-1. Caractersticas: barramento paralelo, 16 linhas com sinal ativo baixo referenciado a um terra comum. tenso acima de 2V considerada como lgico 0 e abaixo de 0.8V como lgico 1. 8 linhas de dados 3 linhas para operaes de handshake 5 linhas para gerenciamento da interface

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GPIBCategoria 8 Data lines 3 Handshake lines Linha DIO 1-8 DAV NRFD NDAC REN IFC SRQ EOI ATN Nome Data I/O Data Valid Not Ready For Data Not Data Accepted Remote Enable Interface Clear Service Request Endo or Identify Attention

5 Interface Management lines

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GPIB Linhas de controle NRFD e NDAC operam no modo wiredOR S assumem o valor lgico TRUE no barramento quando todas as estaes ligadas ao GPIB setam a linha correspondente local em TRUE (ativo baixo). GPIB requer estao controladora (mestre) do barramento, que define quem ser a estao emissora (talker) e quem sero as estaes receptoras (listeners) em cada instante. A linha ATN distingue mensagens de dados (ATN=0) de mensagens dedicadas de gerenciamento da interface (ATN=1) como, por exemplo, mensagens para definir o talker e os listeners.

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GPIB Aps a definio, pela estao controladora, de quem sero o talker e os listeners, so executados os seguintes passos: Se o talker tem um novo byte de dados a enviar, coloca seu valor nas linhas DIO 1-8; Talker seta linha DAV (Data Valid) em TRUE; Listeners setam NRDF (Not Ready For Data) em FALSE; Listeners recebem o dado e setam NDAC (Not Data Accepted) em FALSE (esta linha s assume o valor FALSE quando todos os listeners receberem o dado, devido ao uso de wired-OR); Talker seta DAV (Data Valid) em FALSE e remove dados das linhas DIO 1-8; Listeners setam NDAC (Not Data Accepted) em TRUE; Se listeners estiverem prontos para receber um novo byte de dados, setam NRFD (Not Ready For Data) em FALSE; Talker pode reiniciar processo do passo 1, enviando o byte de dados seguinte.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

GPIB GPIB pode ter at 15 estaes (entre controladora, talkers e listeners) no barramento. comprimento mximo de cabo de 20 metros. taxa de transmisso de at 1Mbps. boa aceitao na rea de instrumentao. GPIB no uma interface bem adaptada s necessidades de automao de cho de fbrica (sensores, atuadores, robs, CLPs, CNCs, etc.), pois: cabos de 16 condutores so caros; sinal referenciado ao terra sensvel perturbaes eletromagnticas; comprimento mximo do barramento uma limitao fsica indesejvel.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Redes para Automao de Escritrio- Redes locais para automao industrial so seriais. - Tipos mais difundidos: - ETHERNET (DEC, INTEL e XEROX), - ARCNET (Datapoint), - TOKEN-RING (IBM). - Produtos definem camadas Fsica e Enlace do modelo OSI.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

Redes para Automao de EscritrioAcesso ao Meio Velocidade Nmero de ns Meio de transmisso Topologia-

ETHERNET CSMA/CD 10 Mbps 1024 Par tranado Fibra tica Cabo coaxial Star/Bus

ARCNET Token-passing 2.5 Mbps 254 Par tranado Fibra tica Cabo coaxial Star/Bus

TOKEN-RING Token-passing 4 ou 16 Mbps 255 Par tranado Cabo coaxial Ring

ARCNET (Attached Resource Computer Network): boas caractersticas para aplicao industrial, devido a topologia, tcnica de acesso ao meio e preo baixo. Ethernet: rede mais popular, tem como desvantagem o mtodo no determinista de acesso ao meio (CSMA/CD). Originalmente desenvolvida para aplicao em escritrio, possui a maior quantidade de unidades instaladas no mercado.

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Rede Token-Ring: a mais popular entre os produtos da IBM e apresenta como desvantagem o seu alto custo de instalao e baixa flexibilidade. Em contrapartida trabalha com elevada taxa de transmisso e inclui um grande M.nmero de solues entre/os produtos IBM. R. Stemmer - LCMI / DAS UFSC

Softwares comerciais para rede Novell Netware:O SO para rede NOVELL NETWARE j foi o mais difundido no mercado e pode operar sobre diferentes bases de hardware para rede (suporta as redes ARCNET, Ethernet e Token-Ring). Oferece servios a nvel das camadas de Sesso e Apresentao. LAN-Manager: O SO para redes da MICROSOFT era o maior concorrente do Novell-Netware. A verso inicial operava sobre OS/2 no servidor. H verses para MVS (IBM) e VMS (DEC). O LAN-Manager oferece servios a nvel da camadas de Sesso e Apresentao. Foi embutido no Windows 95/98/NT/Me/2000. LAN-Server:

SO para redes da IBM, inicialmente desenvolvido em conjunto com o LAN-Manager da Microsoft. Opera sobre o sistema operacional OS/2. PC-LAN: SO para rede Token-Ring da IBM, interligando computadores PC. Requer o NetBios para funcionar.

NetBios:O NetBios uma API desenvolvida pela IBM que prov servios a nvel das camadas de Rede e Transporte.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

DDE/NetDDE DDE (Dynamic Data Exchange): protocolo de comunicao entre aplicaes que rodam em ambiente windows (Microsoft). Permite troca dinmica de dados entre Supervisrios (SCADA), Excel, Lotus, Access, etc. Um aplicativo configurado como cliente e o outro como servidor. No DDE, Servidor e Cliente esto na mesma mquina.

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DDE/NetDDE NetDDE: implementa a mesma facilidade que DDE atravs de portas seriais ou rede. Opera sobre o Netbios (que pode usar TCP/IP). Agente NETDDE.EXE deve estar rodando no servidor e no cliente. Ambos os processos (servidor e cliente) devem estar ativos (instanciados) para operao do NetDDE. Comunicao assncrona: processo cliente no fica bloqueado se servidor no responder. http://angelfire.com/biz/rhaminisys/ddeinfo.html.M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

COM / DCOM COM (Component Object Model): suporta comunicao entre processos no Windows (Microsoft), semelhante a DDE. Servidor instanciado pelo cliente no momento do pedido de servio. Cliente pode manipular objetos no servidor. Comunicao sncrona: cliente fica bloqueado at receber resposta do servidor. Distributed COM: verso distribuda do COM. http://www.sei.cmu.edu/descriptions/com_body.htmlM. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC

OPC OPC (OLE for Process Control): API baseada em OLE (Object Linking and Embedding), agora substitudo pelo Active X, e COM/DCOM. Define interface comum para intercmbio de dados entre aplicativos Windows, particularmente sistemas supervisrios (SCADA), e dispositivos de campo (CLP), permitindo padronizar os drivers. Padro definido por um grupo de empresas sobre sistemas da Micr