REDES INDUSTRIAIS Prof. Igarashi · REDES DE COMUNICAÇÃO DE DADOS Exemplos de aplicação: Automação de Sistemas Elétricos IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi

REDES INDUSTRIAIS

Prof. Igarashi

REDES DE COMUNICAÇÃO DE DADOS

Exemplos de aplicação: Automação Industrial

IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi


Exemplos de aplicação: Automação de Sistemas Elétricos



Exemplos de aplicação: Automação Veicular



Exemplos de aplicação: Automação da Aviação

Canal do Youtube:



Exemplos de aplicação: Automação da Agricultura

Rastreamento: ¨Transformar o campo em fábrica¨

José Carlos Bueno (Gerente) IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi

CONCEITOS GERAIS DE REDES DE COMUNICAÇÃO DE DADOS


Definição de Comunicação e de Protocolo de Comunicação

Pode-se definir como Comunicação o processo que envolve a transmissão e a recepção de mensagens entre uma fonte emissora e um destinatário receptor,

no qual as informações são transmitidas através de um meio físico (ar, fios elétricos, etc.) através de recursos físicos (som, luz, eletricidade, etc.) segundo

um conjunto de regras pré-determinadas. A este conjunto de regras pode-se dar o nome de Protocolo de Comunicação.



IoT (Internet of Things)



Big Data e Computação Cognitiva



Industria 4.0



Cybersecurity


Conceitos gerais de redes de comunicação de dados

- Modelos de comunicação

- Topologia de rede

- Formatos de transmissão dos dados binários

- Fluxo de dados

- Metodologias para a obtenção de informações

- Modalidades de endereçamento

- Padrões físicos para a transmissão de dados

- Pirâmide de automação




- Topologia de rede


- Fluxo de dados






Modelos de comunicação

Refere-se a forma como os dispositivos se organizam para definir como serão

feitas as solicitações e as respostas na rede.

Os principais modelos são:

- Mestre-escravo

- Multimestre

- Peer-to-peer


Mestre-escravo

Principais características:

- somente um dispositivo mestre na rede.

- demais dispositivos são escravos.

- os escravos somente respondem as solicitações do mestre.

- não ocorrem colisões no barramento de rede

Mestre

Escravo A

Escravo B

Escravo C


Multimestre


- mais de um dispositivo pode ser definido como mestre na rede.

- demais dispositivos são escravos.

- os escravos somente respondem as solicitações do mestre.

- mais de um mestre pode solicitar informações, portanto, podem ocorrer

colisões.

Mestre A

Escravo A

Escravo B

Escravo C

Mestre B


Peer-to-peer (ponto a ponto)


- quaisquer dispositivos podem ser mestres ou escravos.

- antes da troca de informações é definido através de mensagens específicas um

par de dispositivos que irão trocar informações.

- pode-se definir neste par de dispositivos quem será o mestre e quem será o

escravo.

- mais de um solicitante na rede, portanto, podem ocorrer colisões.

Dispositivo 1

Dispositivo 3

Dispositivo 4

Dispositivo 5

Dispositivo 2

Conexão lógica




- Topologia de rede


- Fluxo de dados






Topologia de rede

Refere-se a forma como os dispositivos estão fisicamente interligados.


- Barramento

- Anel

- Estrela


Barramento


- geralmente o meio físico é um par de fios que é compartilhado por todos os

dispositivos da rede.

- quando se remove um dispositivo da rede ela continua operando.

- quando ocorrer um curto em qualquer ponto da rede toda a rede para.

Dispositivo 1

Dispositivo 3

Dispositivo 4

Dispositivo 5

Dispositivo 2

V(t)


Anel


- geralmente utiliza um par de fios

- normalmente a informação circula em um determinado sentido.

- quando ocorrer um curto em um trecho da rede somente aquele trecho para.

- quando se remove um dispositivo da rede toda a rede para.

Dispositivo 1

Dispositivo 2

Dispositivo 3


Estrela


- necessita de um dispositivo central (hub, switch) encarregado de replicar as

mensagens.

- caso um dos trechos de rede apresentar problemas somente o trecho para.

- caso ocorra um problema no dispositivo central todos os dispositivos a ele

conectados param.

Dispositivo central

Dispositivo 1

Dispositivo 2

Dispositivo 3

Dispositivo 4


Hub Switch

Hub

Dispositivo 1

Dispositivo 2

Dispositivo 4

Dispositivo 3

Switch

Dispositivo 1

Dispositivo 2

Dispositivo 4

Dispositivo 3




- Topologia de rede


- Fluxo de dados






Formatos de transmissão dos dados binários

Refere-se a forma de transmissão dos dados binários no barramento de rede.


- Serial

- Paralelo


Serial

Os bits são transmitidos de forma sequencial, um a um.

Dispositivo 1

Dispositivo 2

V(t)

1 0 1 1 0 1 0 0

V(t)

t

Valor B4H = 1 0 1 1 0 1 0 0B


Paralelo

Os bits são transmitidos simultaneamente através de várias linhas de dados.

Dispositivo 1

V1(t)

Valor B4H = 1 0 1 1 0 1 0 0B

Dispositivo 2

V2(t)

V3(t)

.....

1

0

1

1

0

1

0

0


Serial Paralelo

Quantidade de fios Menor Maior

Velocidade Menor Maior

Custo Menor Maior

Distância Maior Menor

Tabela comparativa




- Topologia de rede


- Fluxo de dados






Fluxo de dados

Refere-se a maneira como as solicitações e as respostas podem transitar em

uma determinada rede.


- Simplex

- Half-duplex

- Full-duplex


Simplex

- As mensagens fluem na rede somente em um sentido.

- Maximiza o uso do canal de comunicação.

- Não existe a possibilidade de confirmação de recepção da mensagem enviada.

Dispositivo 1

Dispositivo 2

mensagem


Half-duplex

- As mensagens fluem em ambos os sentidos, mas não simultaneamente.

- Reduz o uso do canal de comunicação.

- Existe a possibilidade de confirmação de recepção da mensagem enviada.

Dispositivo 1

Dispositivo 2

solicitação

Dispositivo 1

Dispositivo 2

resposta


Full-duplex

- As mensagens fluem em ambos os sentidos, simultaneamente.

- Maximiza o uso do canal de comunicação.

- Existe a possibilidade de confirmação de recepção da mensagem enviada.

Dispositivo 1

Dispositivo 2

solicitação A

solicitação B

Dispositivo 1

Dispositivo 2

resposta B

resposta A




- Topologia de rede


- Fluxo de dados






Metodologias para a obtenção de informações

Refere-se a maneira como as solicitações e as respostas são realizadas para se

obter as informações desejadas na rede.


- Pooling

- Token ring

- Intervalo de tempo constante

- Evento


Pooling

É feita uma varredura (scan) com todos os dispositivos que se deseja obter

informações.

M

S1 S2 S3

M

S1 S2 S3

M

S1 S2 S3


Token ring

Utilizado para gerenciar o fluxo de informações em redes na configuração em

anel através de mensagem token.

A

mensagem

B

C

A B

C

A B

C


Intervalo de tempo constante

A cada intervalo de tempo programado previamente nos dispositivos uma

solicitação é realizada.

Mestre A

Escravo A

Escravo B

Escravo C

Mestre B

TA = 1s TB = 100ms TC = 300ms


Evento

O envio da mensagem ocorre quando acontecer um determinado evento

definido no dispositivo.

Configuração interessante para otimização de tráfego na rede.

Mestre

Escravo A

Escravo B

Escravo C

evento


subestação alimentador

Evento

Exemplo de automação dos religadores de poste

supervisório

138KV

religador religador

13,8KV


Transformador de poste, religador de poste e alimentador


evento

subestação alimentador

Evento

Exemplo de automação dos religadores de poste

supervisório




- Topologia de rede


- Fluxo de dados






Modalidades de endereçamento

Geralmente, cada dispositivo da rede precisa ser identificado com um número

para que as mensagens possam ser encaminhadas para ele. Este número é

chamado Endereço de Rede.

As modalidades de endereçamento se referem a forma como as mensagens são

endereçadas.


- Unicast

- Multicast

- Broadcast


Unicast

Nesta modalidade a mensagem é endereçada somente para um determinado

dispositivo.

Dispositivo 1

Dispositivo 3

Dispositivo 4

Dispositivo 5

Dispositivo 2


Dispositivo 1

Dispositivo 3

Dispositivo 4

Dispositivo 5

Dispositivo 2

Multicast

Nesta modalidade a mensagem é endereçada para um determinado grupo de

dispositivos.


Broadcast

Nesta modalidade a mensagem é endereçada para todos os dispositivos da

rede.

Dispositivo 1

Dispositivo 3

Dispositivo 4

Dispositivo 5

Dispositivo 2


Dispositivo 1

Dispositivo 3

Dispositivo 4

Dispositivo 5

Dispositivo 2

V(t)

Endereçamento Unicast, Multicast e Broadcast na

topologia de rede em barramento




- Topologia de rede


- Fluxo de dados






Padrões físicos para a transmissão de dados

Refere-se as características físicas do meio no qual os dados são transmitidos.


- RS232

- RS485

- Fibra óptica

- Wireless


RS232


- Transmissão dos dados através de sinais elétricos.

- Níveis lógicos são implementados de forma inversa ao valor da tensão:

- nível lógico 0 = +7V (aprox.)

- nível lógico 1 = -7V (aprox.)

- Todos os sinais são referenciados a um terra em comum.

- Possui uma via para transmissão e uma via para recepção.

- Distância máxima da ordem de algumas dezenas de metros.


RS232

Pinagem e conexão


RS232

Implementação


RS485


- Transmissão dos dados através de sinais elétricos.

- Os dados são transmitidos de forma diferencial.

- A mesma via pode ser utilizada tanto para transmissão quanto para recepção.

- Distância máxima da ordem de algumas centenas de metros.

- Até 32 dispositivos conectados num mesmo barramento


RS485

Transmissão diferencial dos dados

Voa: tensão entre A e terra Vob: tensão entre B e terra


RS485

Interligação dos dispositivos na configuração barramento


RS485

Velocidade de transmissão x distância


Fibra óptica


- Transmissão de dados através da propagação de um feixe de luz.

- A mesma via pode ser utilizada tanto para transmissão quanto para recepção.

- Distância máxima da ordem de algumas centenas de metros.

- Atinge altas velocidades de comunicação.

- São mais imunes as interferências eletromagnéticas.


Luz

Modelos utilizados para análise

- Óptica física

- Óptica eletromagnética


Luz

- Óptica geométrica


Fibras ópticas

Princípio de funcionamento

Lei de Snell

= = sen ( r )

v1

v2 n1

n2 sen ( i )


Fibras ópticas

Princípio de funcionamento


Fibras ópticas

Modelos de fibras ópticas

Índice de refração


Fibras ópticas

Modelos de conectores


Introdução as Redes Sem Fio (Wireless)

Transmissão através de ondas de rádio

- Princípios básicos de antena (ex: antena dipolo)

- Princípios básicos de modulação (ex: AM-DSB-FC)

- Modulação digital

- Dispositivos: Router, Repetidor, Access Point

- Exemplos de protocolos para redes sem fio por ondas de rádio

Transmissão através de luz

- Padrão Li-Fi


Princípios básicos de antenas Ondas eletromagnéticas

James Clerk Maxwell (1831 – 1879)


Princípios básicos de antenas Antena dipolo básica

Comprimento = __c__ de onda () f

c = velocidade da luz (300 000 000 m/s) f = frequência do sinal (Hertz)


Princípios básicos de antenas Comprimento da antena dipolo

Para um melhor rendimento

L =


Princípios básicos de antenas Alguns modelos de antenas

Antena Dipolo Antena Yagi

Excitador Refletor Diretores


Princípios básicos de modulação A modulação AM-DSB-FC

Porque modular um sinal?

Ex: comprimento da antena p/ transmissão sinal 20KHz



(Amplitude Modulation – Double Side Band – Full Carrier)








Princípios básicos de modulação Outros tipos de modulação

AM-DSB-SC (Amplitude Modulation – Double Side Band – Supressed Carrier) AM-SSB (Amplitude Modulation – Single Side Band) FM (Frequency Modulation) PM (Phase Modulation)


Princípios básicos de modulação

Exercício: - Qual seria a distribuição espectral de um sinal de áudio que

possui uma banda de 0Hz a 20KHz modulado em AM-DSB-FC com uma portadora em 780KHz (rádio CBN)?

- Qual seria o comprimento aproximado de uma antena dipolo 1/2L utilizado para transmitir este sinal?


Modulação digital Modulações básicas


Modulação digital Modulações básicas

a) QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) b) QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation – 16) c) QAM-64 (Quadrature Amplitude Modulation – 64)


Dispositivos Router – Repetidor – Access Point

Router: Encaminha pacotes de dados entre redes de computadores de nomes diferentes. Repetidor: Repete uma determinada rede com as mesmas características, inclusive o mesmo nome. Access Point: Gera uma rede sem fio a partir de uma rede com fio.


Redes Ad-Hoc Rede onde todos os dispositivos podem assumir papel de roteador

encaminhando mensagens recebidas para dispositivos vizinhos


Protocolos para redes sem fio por ondas de rádio Exemplos de protocolos

- IEEE 802.11 (Wi-Fi)

- Bluetooth

- Zigbee


Redes wireless através de luz – O padrão Li-Fi

Professor Harald Hass University of

Edinburgh (UK)


Implementação do Li-Fi


Análise Li-Fi x Wi-Fi - Fluxo de dados?

- Segurança?

- E se a luz apagar?




- Topologia de rede


- Fluxo de dados






Pirâmide da Automação


Pirâmide da Automação

Ex: Automação do Sistema Elétrico Brasileiro


Sistema Integrado Nacional (SIN)


Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS)


REDES ANALÓGICAS


Redes analógicas

- Antes do surgimento da tecnologia digital já existia a necessidade de se

transmitir informação entre diferentes equipamentos

- No passado se transmitiam informações através da variação proporcional de

uma grandeza elétrica (geralmente tensão ou corrente)

- Padrões mais adotados:

- 0 a 20mV

- 0 a 20mA

- 4 a 20mA


Redes analógicas (Exercício)

Sensor CLP

Range: 0o a 200oC

Interface: 4 a 20mA

Medido

120oC

I = ?

R


PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO DE DADOS


Introdução aos protocolos de comunicação de dados

- Protocolos de rede são regras pré-estabelecidas de uma determinada rede de

comunicação de dados para a troca de mensagens entre os dispositivos.

- Para esta introdução será utilizado um protocolo mais simples, muito utilizado

em automação elétrica, que servirá como base para compreender diversos

conceitos: o MODBUS-RTU.


Protocolo MODBUS-RTU

- Desenvolvido pela empresa MODICON na década de 70 inicialmente para uso

em seus CLPs.

- Atualmente a MODICON pertence a empresa Schneider Electric.

- Seus direitos foram transferidos para a Modbus Organization em 2004.

- É um protocolo totalmente aberto (ou seja, o acesso a sua documentação é

gratuito e o seu uso em equipamentos é livre de taxa de licenciamento).

- É um protocolo simples de ser implementado e possui grande versatilidade.

- Possibilidade de implementação em redes Ethernet (MODBUS over TCP/IP)

www.modbus.org


MODBUS-RTU

Classificação básica de uma rede MODBUS-RTU

- Modelos de comunicação : Mestre, Multimestre e Peer-to-peer

- Topologia de rede: Barramento, Anel ou Estrela

- Formatos de transmissão dos dados binários: Serial ou Paralelo

- Fluxo de dados: Simplex, Half-Duplex ou Full-Duplex

- Metodologias para a obtenção de informações: Pooling, Token-Ring ou Event

- Modalidades de endereçamento : Unicast, Multicast ou Broadcast

- Padrões físicos para a transmissão: RS232, RS485, Fibra óptica ou Wireless

M

S1 S2 S3


MODBUS-RTU

Codificação dos dados


MODBUS-RTU

Como os dados são transmitidos serialmente: a codificação dos dados (bytes)

Conversor USB/RS485

Dispositivo 1

Dispositivo 2

Dispositivo 3

V(t)

Frame MODBUS-RTU


MODBUS-RTU


Start: star bit (nível lógico 0).

bits de 1 a 8: dado (bit 1 o menos significativo, e o bit 8 o mais significativo).

Par: bit de paridade (par, ímpar ou mark):

par: total de “1s” entre o start e o stop bits é um número par.

ímpar: total de “1s” entre o start e o stop bits é um número ímpar.

mark: bit sempre nível lógico 1.

space: bit sempre nível lógico 0.

none: bit de paridade não transmitido

Stop: stop bit (nível lógico 1).


MODBUS-RTU


Exemplo: transmissão do valor 5CH = 0101 1100B com paridade ímpar

Bits gerados:

V(t)

t

1

0

Bit 8 Bit 1

Bit 8 Bit 1

Caracter MODBUS-RTU

0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1


MODBUS-RTU


Conversor USB/RS485

Dispositivo 1

Dispositivo 2

Dispositivo 3

V(t)

Frame MODBUS-RTU ex: valor 5CH

V(t)

t

1

0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1


MODBUS-RTU

Siglas de três caracteres para identificação de paridade

1º caractere: quantidade de bits de dados transmitidos

2º caractere: lógica de paridade implementada

O -> odd (ímpar)

E -> even (par)

M -> mark (sempre 1)

S -> space (sempre 0)

N -> none (sem paridade)

3º caractere: quantidade de stop bits

Ex: 8N1 -> 8 bits de dados, paridade none e 1 stop bit

7E2 -> 7 bits de dados, paridade par e 2 stop bits


Exercícios


MODBUS-RTU

Tempo de transmissão do frame


MODBUS-RTU


- Velocidade informada em bits por segundo, ou seja, em bps.

- Exemplos de velocidades padrão: 9600bps, 19200bps, 28800bps.

- Quando se utiliza “K” é igual a 103, e não 1024, ou seja:

9,6Kbps = 9,6 x 103 = 9600bps


MODBUS-RTU


Exemplo: cálculo do tempo de transmissão do frame abaixo:

01H 03H 00H 00H 00H 02H 5AH 71H

admitindo:

- paridade par

- 1 stop bit

- velocidade de 9600bps

Qtde de bits em cada caracter: 1 start + 8 dados + 1 parid + 1 stop = 11 bits

Qtde total de bits transmitidos: 8 caracteres x 11 bits = 88 bits

Tempo de transmissão: ( 1 / 9600 ) x 88 bits = 9,16ms


MODBUS-RTU

Tempo de transmissão e identificação de fim de frame


MODBUS-RTU

Taxa efetiva de transmissão

- Representa a ocupação do canal na transmissão efetiva da informação

- Pode ser calculado através da fórmula:

Taxa efetiva = qtde de bits de dados x 100%

qtde total de bits transmitidos

Exemplo: calcular a taxa efetiva de transmissão para a transmissão de um único

caracter MODBUS-RTU na configuração 8N2.


Exercícios


MODBUS-RTU

Tipos de variáveis


Tipos de variáveis

- Variáveis são utilizadas para expressar o estado, ou o valor, de determinadas

grandezas do sistema.

- No MODBUS-RTU existem duas categorias de variáveis:

* variáveis tipo Register (Registro): representam grandezas de natureza

analógica. Ex: tensão de linha, carga do trafo, corrente de linha.

* variáveis tipo Coil (Bobina): representam grandezas de natureza binária,

com dois estados. Ex: posição de contatos, indicação luminosa.


Variáveis tipo Register

- Expressam grandezas de natureza analógica.

- Tamanho de 16 bits (número inteiro), portanto, faixa de valores de 0 a 65535.

ex: tensão de linha = 13800 V → registro = 13800D = 35E8H

- Utilização, por exemplo, de campo unit para expressar valores decimais. Este

campo informa quanto vale cada bit do registro.

ex: corrente de linha = 547,2 A → admitindo campo unit = 0,1A

547,2 A = 5472 x 0,1A

portanto, registro = 5472D = 1560H


Variáveis tipo Register

- São identificados dentro dos dispositivos através de um número de 16 bits,

chamado Endereço de Registro.

- Dispositivos MODBUS-RTU informam seus registros disponíveis através de uma

Tabela de Registros.

Exemplo de tabela de registros:


Variáveis tipo Coil

- Expressam grandezas de natureza binária.

- Tamanho de 1 bit (somente dois estados).

- Utilização, por exemplo, de campo convenção para informar a convenção

adotada, ou seja, o que “0” significa e o que “1” significa.

ex: contato = fechado → admitindo convenção: 0 = aberto / 1 = fechado

portanto, coil = 1


Variáveis tipo Coil

- São identificados dentro dos dispositivos através de um número de 16 bits,

chamado Endereço de Coil.

- Dispositivos MODBUS-RTU informam seus coils disponíveis através de uma

Tabela de Coils.

Exemplo de tabela de coils:


Mais exemplos de tabelas


MODBUS-RTU

Construção do frame



- Tamanho máximo do frame: 256 bytes

- Composto por quatro campos: Slave Address, Function Code, Data e CRC



Slave Address

- Número que identifica o endereço físico do dispositivo slave na rede.

- Valor único para cada dispositivo slave.

-Faixa de valores:

* 0 : Broadcast

* 1 a 247 : Endereços individuais dos slaves

* 248 a 255 : Reservados



Function Code

- Número que identifica a função a ser executada pelo slave.

- Exemplos de funções mais utilizadas:

* código 3 : leitura de registro (read holding register)

* código 6 : escrita de registro (write single register)

* código 1 : leitura de coil (read coils)

* código 5 : escrita de coil (write single coil)



Data

- Dados (bytes) referentes a função executada



CRC

- Utilizado para checagem de integridade da mensagem



Utilizando o simulador MODBUS-RTU

Download no site: gigarashi.wordpress.com

Solicitação

Resposta



Configuração da interface serial dos dispositivos



Exemplo de configuração da interface serial dos dispositivos



Função: Leitura de Registro (código 03H)

Objetivo: Ler o valor de determinados registros de um determinado dispositivo

Sintaxe:

Solicitação Resposta

Byte Descrição Byte Descrição

1 End. Slave 1 End. Slave

2 Código função (03H) 2 Código função (03H)

3 End. Inicial (HI) 3 Contador de bytes dos registros

4 End. Inicial (LO) 4 Valor 1º registro (HI)

5 Nº de registros (HI) 5 Valor 1º registro (LO)

6 Nº de registros (LO) ... ...

7 CRC (LO) penúlt. CRC (LO)

8 CRC (HI) último CRC (HI)



Exemplo: Ler os valores das correntes medidas nas fases A e B.

Solicitação Solicitação a ser enviada


1 End. Slave 1 ???

2 Código função (03H) 2 ???

3 End. Inicial (HI) 3 ???

4 End. Inicial (LO) 4 ???

5 Nº de registros (HI) 5 ???

6 Nº de registros (LO) 6 ???

7 CRC (LO) 7 ???

8 CRC (HI) 8 ???






1 End. Slave 1 01H → endereço do slave






7 CRC (LO) 7 ???

8 CRC (HI) 8 ???






1 End. Slave 1 01H

2 Código função (03H) 2 03H → código da função





7 CRC (LO) 7 ???

8 CRC (HI) 8 ???






1 End. Slave 1 01H

2 Código função (03H) 2 03H

3 End. Inicial (HI) 3 00H → endereço inicial 0000H

4 End. Inicial (LO) 4 00H



7 CRC (LO) 7 ???

8 CRC (HI) 8 ???






1 End. Slave 1 01H


3 End. Inicial (HI) 3 00H


5 Nº de registros (HI) 5 00H → a partir do end. inicial 0000H

6 Nº de registros (LO) 6 02H ler 2 registros

7 CRC (LO) 7 ???

8 CRC (HI) 8 ???






1 End. Slave 1 01H




5 Nº de registros (HI) 5 00H

6 Nº de registros (LO) 6 02H

7 CRC (LO) 7 XXH → CRC (será explicado mais

8 CRC (HI) 8 XXH à frente)




Resposta Resposta esperada


1 End. Slave 1 ???


3 Contador de bytes dos registros 3 ???

4 Valor 1º registro (HI) 4 ???

5 Valor 1º registro (LO) 5 ???

... ... 6 ???

penúlt. CRC (LO) 7 ???

último CRC (HI) 8 ???

9 ??? IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi










... ... 6 ???








1 End. Slave 1 01H





... ... 6 ???








1 End. Slave 1 01H


3 Contador de bytes dos registros 3 04H → contador (2 regs = 4 bytes)



... ... 6 ???








1 End. Slave 1 01H


3 Contador de bytes dos registros 3 04H

4 Valor 1º registro (HI) 4 00H → valor do registro 0000H

5 Valor 1º registro (LO) 5 15H 21D = 0015H

... ... 6 ???








1 End. Slave 1 01H



4 Valor 1º registro (HI) 4 00H

5 Valor 1º registro (LO) 5 15H

... ... 6 00H → valor do registro 0001H

penúlt. CRC (LO) 7 25H 37D = 0025H







1 End. Slave 1 01H



4 Valor 1º registro (HI) 4 00H

5 Valor 1º registro (LO) 5 15H

... ... 6 00H

penúlt. CRC (LO) 7 25H

último CRC (HI) 8 XXH → CRC (será explicado mais

9 XXH à frente)




Portanto:

Solicitação: 01H 03H 00H 00H 00H 02H XXH XXH

Resposta: 01H 03H 04H 00H 15H 00H 25H XXH XXH

Solicitação

Resposta



Exercício: Ler os valores dos set points programados nas funções 51, 50N e 51N.

Portanto:

Solicitação: ?????

Resposta: ?????



Exercício: Ler os valores dos set points programados nas funções 51, 50N e 51N.

Portanto:


Resposta: 01H 03H 06H 00H 14H 00H 1EH 00H 0AH XXH XXH



Função: Escrita de Registro (código 06H)

Objetivo: Alterar o valor de um registro de um determinado dispositivo

Sintaxe:





3 End. registro (HI) 3 End. registro (HI)

4 End. registro (LO) 4 End. registro (LO)

5 Novo valor (HI) 5 Novo valor (HI)

6 Novo valor (LO) 6 Novo valor (LO)

7 CRC (LO) 7 CRC (LO)

8 CRC (HI) 8 CRC (HI)



Exemplo: Alterar o valor do set point da função 51 para 2,7A.



1 End. Slave 1 ???


3 End. registro (HI) 3 ???

4 End. registro (LO) 4 ???

5 Novo valor (HI) 5 ???

6 Novo valor (LO) 6 ???

7 CRC (LO) 7 ???

8 CRC (HI) 8 ???












7 CRC (LO) 7 ???

8 CRC (HI) 8 ???






1 End. Slave 1 01H






7 CRC (LO) 7 ???

8 CRC (HI) 8 ???






1 End. Slave 1 01H


3 End. registro (HI) 3 00H → endereço do registro

4 End. registro (LO) 4 21H



7 CRC (LO) 7 ???

8 CRC (HI) 8 ???






1 End. Slave 1 01H


3 End. registro (HI) 3 00H


5 Novo valor (HI) 5 00H → novo valor (27D = 001BH)

6 Novo valor (LO) 6 1BH

7 CRC (LO) 7 ???

8 CRC (HI) 8 ???






1 End. Slave 1 01H




5 Novo valor (HI) 5 00H


7 CRC (LO) 7 XXH → CRC (será explicado

8 CRC (HI) 8 XXH mais à frente)




Resposta Resposta a ser enviada


1 End. Slave 1 01H → idêntica à solicitação




5 Novo valor (HI) 5 00H


7 CRC (LO) 7 XXH

8 CRC (HI) 8 XXH




Portanto:

Solicitação: 01H 06H 00H 21H 00H 1BH XXH XXH

Resposta: 01H 06H 00H 21H 00H 1BH XXH XXH

Solicitação

Resposta



Exercício: Alterar o tempo da função 51 para 8 s.

Portanto:


Resposta: ?????



Exercício: Alterar o tempo da função 51 para 8 s.

Portanto:


Resposta: 01H 06H 00H 30H 00H 08H XXH XXH



Exemplo: Ler valor do set point da função 50, alterar seu valor para 5,5A e ler novo valor.

Solicitação: 01H 03H 00H 20H 00H 01H XXH XXH leitura do valor atual = 5,0A

Resposta: 01H 03H 02H 00H 32H XXH XXH

Solicitação: 01H 06H 00H 20H 00H 37H XXH XXH alterar valor para 5,5A


Solicitação: 01H 03H 00H 20H 00H 01H XXH XXH leitura do novo valor = 5,5A

Resposta: 01H 03H 02H 00H 37H XXH XXH



Função: Leitura de Coil (código 01H)

Objetivo: Ler o valor de determinados coils de um determinado dispositivo

Sintaxe:





3 End. Inicial (HI) 3 Contador de bytes dos coils

4 End. Inicial (LO) 4 Valor dos coils

5 Nº de coils (HI) ... ...

6 Nº de coils (LO) penúlt. CRC (LO)

7 CRC (LO) último CRC (HI)

8 CRC (HI)



Exemplo: Ler o status das funções 51 e 50N (se estão habilitadas ou não).



1 End. Slave 1 ???




5 Nº de coils (HI) 5 ???

6 Nº de coils (LO) 6 ???

7 CRC (LO) 7 ???

8 CRC (HI) 8 ??? IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi











7 CRC (LO) 7 ???






1 End. Slave 1 01H






7 CRC (LO) 7 ???






1 End. Slave 1 01H


3 End. Inicial (HI) 3 00H → endereço inicial (0001H)




7 CRC (LO) 7 ???






1 End. Slave 1 01H




5 Nº de coils (HI) 5 00H → quantidade de coils para ler

6 Nº de coils (LO) 6 02H (02D = 0002H)

7 CRC (LO) 7 ???






1 End. Slave 1 01H




5 Nº de coils (HI) 5 00H

6 Nº de coils (LO) 6 02H

7 CRC (LO) 7 XXH → CRC ( será explicado mais

8 CRC (HI) 8 XXH adiante) IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi





1 End. Slave 1 ???


3 Contador de bytes dos coils 3 ???

4 Valor dos coils 4 ???

5 CRC (LO) 5 ???

6 CRC (HI) 6 ???










5 CRC (LO) 5 ???

6 CRC (HI) 6 ???






1 End. Slave 1 01H




5 CRC (LO) 5 ???

6 CRC (HI) 6 ???






1 End. Slave 1 01H


3 Contador de bytes dos coils 3 01H → contador (2 bits → 1 byte)


5 CRC (LO) 5 ???

6 CRC (HI) 6 ???






1 End. Slave 1 01H


3 Contador de bytes dos coils 3 01H

4 Valor dos coils 4 01H → valor 01H = 0 0 0 0 0 0 0 1B

5 CRC (LO) 5 ???

6 CRC (HI) 6 ???

Coil 0001H

(Sim = 1) Coil 0002H

(Não = 0)

Demais coils

são zerados






1 End. Slave 1 01H


3 Contador de bytes dos coils 3 01H

4 Valor dos coils 4 01H


6 CRC (HI) 6 XXH adiante)




Portanto:


Resposta: 01H 01H 01H 01H XXH XXH

Solicitação

Resposta



Exercício: Ler o status de todos os contatos.

Portanto:


Resposta: ?????



Exercício: Ler o status de todos os contatos.

Portanto:





Função: Escrita de Coil (código 05H)

Objetivo: Alterar o valor de um determinado coil de um determinado dispositivo

Sintaxe:





3 End. coil (HI) 3 End. coil (HI)

4 End. coil (LO) 4 End. coil (LO)

5 Novo valor (0=00H / 1=FFH) 5 Novo valor (0=00H / 1=FFH)

6 00H 6 00H

7 CRC (LO) 7 CRC (LO)

8 CRC (HI) 8 CRC (HI)



Exemplo: Habilitar a função 50N.



1 End. Slave 1 ???


3 End. coil (HI) 3 ???

4 End. coil (LO) 4 ???

5 Novo valor (0=00H / 1=FFH) 5 ???

6 00H 6 ???

7 CRC (LO) 7 ???






1 End. Slave 1 01H → endereço slave




5 Novo valor (0=00H / 1=FFH) 5 ???

6 00H 6 ???

7 CRC (LO) 7 ???






1 End. Slave 1 01H




5 Novo valor (0=00H / 1=FFH) 5 ???

6 00H 6 ???

7 CRC (LO) 7 ???






1 End. Slave 1 01H


3 End. coil (HI) 3 00H → endereço do coil (0002H)

4 End. coil (LO) 4 02H

5 Novo valor (0=00H / 1=FFH) 5 ???

6 00H 6 ???

7 CRC (LO) 7 ???






1 End. Slave 1 01H


3 End. coil (HI) 3 00H


5 Novo valor (0=00H / 1=FFH) 5 FFH → coil = 1

6 00H 6 00H

7 CRC (LO) 7 ???






1 End. Slave 1 01H




5 Novo valor (0=00H / 1=FFH) 5 FFH

6 00H 6 00H


8 CRC (HI) 8 XXH adiante) IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi





1 End. Slave 1 01H → idem à solicitação




5 Novo valor (0=00H / 1=FFH) 5 FFH

6 00H 6 00H

7 CRC (LO) 7 XXH

8 CRC (HI) 8 XXH IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi



Portanto:

Solicitação: 01H 05H 00H 02H FFH 00H XXH XXH

Resposta: 01H 05H 00H 02H FFH 00H XXH XXH

Solicitação

Resposta



Exercício: Ler o status de todas as funções (se estão habilitadas ou não), desabilitar a função 51

e checar novamente os status das funções.

Solicitação: ??? Leitura do status de todas as funções

Resposta: ???

Solicitação: ??? Desabilitar a função 51

Resposta: ???

Solicitação: ??? Checar status de todas as funções

Resposta: ??? IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi


Exercício: Ler o status de todas as funções (se estão habilitadas ou não), desabilitar a função 51

e checar novamente os status das funções.

Solicitação: 01H 01H 00H 00H 00H 04H XXH XXH Leitura do status de todas as funções


Solicitação: 01H 05H 00H 01H 00H 00H XXH XXH Desabilitar a função 51


Solicitação: 01H 01H 00H 00H 00H 04H XXH XXH Checar status de todas as funções

Resposta: 01H 01H 01H 01H XXH XXH IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi

MODBUS-RTU

Confiabilidade do canal de

comunicação


Confiabilidade do canal de comunicação

Na prática podem ocorrer diversos imprevistos que podem acarretar no mal

funcionamento da rede de comunicação de dados. Exemplos: ruído, elaboração

de comandos errados, etc.

É importante, portanto, que o protocolo ofereça recursos para que tais

imprevistos possam ser contornados para que a rede de comunicação de dados

possa continuar operante.

Os principais recursos que o MODBUS-RTU oferece são:

- Bit de paridade

- Confirmação de comando

- CRC

- Respostas de excessão IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi

Bit de paridade

Testa a integridade dos bits do caracter (se selecionado paridade par ou ímpar)

Exemplo: transmissão do valor 5CH = 0101 1100B com paridade ímpar

Bits gerados: 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1

V(t)

t

1

0

Bit 8 Bit 1

Bit 8 Bit 1

Caracter MODBUS-RTU


Confirmação de comando

Para toda solicitação existe uma resposta (mesmo se for uma réplica da solicitação)

que pode ser utilizada pelo mestre para testar a integridade do canal e para

assegurar que a solicitação foi executada.

Solicitação

Resposta


CRC

O CRC (Cyclical Redundancy Checking) é um algoritmo de verificação que calcula

um valor de 16 bits a partir dos bytes que compõem um frame MODBUS-RTU. Ele

é utilizado para teste de integridade do frame recebido.

Frame: 01H 05H 00H 02H FFH 00H XXH XXH

CRC calculado em função dos bytes do frame


CRC

Ex: transmissão do frame 01H 05H 00H 02H 00H 00H XXH XXH do mestre para o

Dispositivo A

CRC calculado pelo mestre em função dos bytes do frame e inserido no final do frame (nos bytes XXH)


CRC


Dispositivo A

Solicitação enviada pelo mestre contendo o CRC calculado

Solicitação


CRC


Dispositivo A

Dispositivo A recalcula o CRC (com base nos bytes recebidos) e compara com o CRC recebido

Se forem iguais o comando é interpretado normalmente. Se forem diferentes o comando é recusado. O slave não envia nenhuma resposta ao mestre.


Algoritmo para cálculo do CRC Exemplo: CRC do frame 02H 03H 00H 00H 00H 01H XXH XXH


Algoritmo para cálculo do CRC Exemplo: CRC do frame 02H 03H 00H 00H 00H 01H XXH XXH Carregar CRC16 = FFFFH

Variáveis: CRC16 = FFFFH



CRC16 = FFFFH = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1B

1º byte = 02H = 0 0 0 0 0 0 1 0B XOR

CRC16 = FFFDH = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1B

1º byte

Variáveis: CRC16 = FFFFH → CRC16 = FFFDH



Carregar N = 0

Variáveis: CRC16 = FFFDH

N = 0



CRC16 = FFFDH = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 B

CRC16 = 7FFEH = 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0B

. . . . .

Inserir zero

Variáveis: CRC16 = FFFDH → CRC16 = 7FFEH

N = 0 Carry = 1



Carry over

Variáveis: CRC16 = 7FFEH

N = 0 Carry = 1



CRC16 = 7FFEH = 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0B

POLY = A001H = 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1B XOR

CRC16 = DFFFH = 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1B

Variáveis: CRC16 = 7FFEH → CRC16 = DFFFH

N = 0 Carry = 1


Algoritmo para cálculo do CRC

Incrementar o valor de N

Exemplo: CRC do frame 02H 03H 00H 00H 00H 01H XXH XXH

Variáveis: CRC16 = DFFFH

N = 0 → N = 1 Carry = 1



N não é maior que 7



N = 1 Carry = 1



Portanto,esta parte do programa será repetida 8 vezes



N = 1 Carry = 1



Verificado se é o último byte da mensagem. Como nós temos ainda mais 5 bytes ele carrega o próximo byte (03H) e executa o loop novamente



N = 1 Carry = 1

Próximo byte



No final teremos o valor calculado para o CRC16 Para o frame exemplo o valor de CRC16 = 3984H Este valor é inserido no frame da seguinte forma: 84H 39H

02H 03H 00H 00H 00H 01H XXH XXH

Frame final: 02H 03H 00H 00H 00H 01H 84H 39H



Respostas de excessão

São utilizadas pelo slave para reportar ao master que houve um erro na composição da

mensagem recebida.

Sintaxe:

Resposta

Byte Descrição

1 End. Slave

2 Código função recebida OR 80H

3 Código de excessão

01H: erro de função 02H: erro de endereço 03H: erro de dados 04H: erro de execução pelo servidor

4 CRC (LO)

5 CRC (HI)


Resposta de Excessão: Erro de Função

Ex: num dispositivo com endereço físico 01H e tabela de coils abaixo, executar função 30H


Resposta Resposta enviada


1 End. Slave 1 ???

2 Código função recebida OR 80H 2 ???

3 Código de excessão 3 ???

01H: erro de função 02H: erro de endereço 03H: erro de dados

4 CRC (LO) 4 ???

5 CRC (HI) 5 ???

Erro! Esta função não existe











4 CRC (LO) 4 ???

5 CRC (HI) 5 ???








1 End. Slave 1 01H

2 Código função recebida OR 80H 2 B0H → 30H OR 80H

3 Código de excessão 3 ??? 0 0 1 1 0 0 0 0 → 30H

01H: erro de função OR 1 0 0 0 0 0 0 0 → 80H 02H: erro de endereço 03H: erro de dados 1 0 1 1 0 0 0 0 → B0H

4 CRC (LO) 4 ???

5 CRC (HI) 5 ???








1 End. Slave 1 01H

2 Código função recebida OR 80H 2 B0H

3 Código de excessão 3 01H → código de erro


4 CRC (LO) 4 ???

5 CRC (HI) 5 ???








1 End. Slave 1 01H

2 Código função recebida OR 80H 2 B0H

3 Código de excessão 3 01H


4 CRC (LO) 4 XXH → CRC

5 CRC (HI) 5 XXH





Portanto:


Resposta: 01H B0H 01H XXH XXH

Solicitação

Resposta



Resposta de Excessão: Erro de Endereço

Ex: num dispositivo com endereço físico 01H e tabela de coils abaixo, zerar coil de endereço 0050H




1 End. Slave 1 ???




4 CRC (LO) 4 ???

5 CRC (HI) 5 ???

Erro! Este endereço não existe











4 CRC (LO) 4 ???

5 CRC (HI) 5 ???








1 End. Slave 1 01H

2 Código função recebida OR 80H 2 85H → 05H OR 80H


01H: erro de função OR 1 0 0 0 0 0 0 0 → 80H 02H: erro de endereço 03H: erro de dados 1 0 0 0 0 1 0 1 → 85H

4 CRC (LO) 4 ???

5 CRC (HI) 5 ???








1 End. Slave 1 01H

2 Código função recebida OR 80H 2 85H

3 Código de excessão 3 02H → código do erro


4 CRC (LO) 4 ???

5 CRC (HI) 5 ???








1 End. Slave 1 01H





5 CRC (HI) 5 XXH





Portanto:


Resposta: 01H 85H 02H XXH XXH

Solicitação

Resposta



Resposta de Excessão: Erro de Dados

Ex: num dispositivo com endereço físico 01H e tabela de coils abaixo, habilitar a função 50N




1 End. Slave 1 ???




4 CRC (LO) 4 ???

5 CRC (HI) 5 ???

Erro! Correto seria FFH











4 CRC (LO) 4 ???

5 CRC (HI) 5 ???








1 End. Slave 1 01H

2 Código função recebida OR 80H 2 85H → 05H OR 80H


01H: erro de função OR 1 0 0 0 0 0 0 0 → 80H 02H: erro de endereço 03H: erro de dados 1 0 0 0 0 1 0 1 → 85H

4 CRC (LO) 4 ???

5 CRC (HI) 5 ???








1 End. Slave 1 01H


3 Código de excessão 3 03H → código de erro


4 CRC (LO) 4 ???

5 CRC (HI) 5 ???








1 End. Slave 1 01H





5 CRC (HI) 5 XXH





Portanto:



Solicitação

Resposta


Resposta de Excessão: Erro de Execução pelo Servidor


Solicitação: 01H 05H 00H 02H FFH 00H XXH XXH (houve problemas em salvar o parâmetro)



1 End. Slave 1 01H



04H: erro de execução pelo servidor


5 CRC (HI) 5 XXH


Solicitação

Resposta

Resposta de Excessão: Erro de Execução pelo Servidor


Portanto:

Solicitação: 01H 05H 00H 02H FFH 00H XXH XXH



Exercícios

1) Calcule o CRC do seguinte frame MODBUS-RTU:

02H 07H ??H ??H

2) Desafio (bit paridade versus checksum versus CRC): a partir de um

comando MODBUS-RTU válido tente invalidar este comando e verifique

se o CRC se mantém inalterado.

ex: 01H 03H 00H 00H 00H 01H 84H 0AH


O Modelo Internet para redes de

comunicação de dados


Modelo Internet

- Internet é um sistema global de redes de computadores que utilizam como base o

Modelo Internet de protocolos para interliga-los e prover serviços de acessos a

esta rede para todo o mundo.

- O Modelo Internet começou no final da década de 60, a partir da ARPANET, com o

objetivo de definir um protocolo para interligar computadores militares.


Modelo Internet

Pode ser considerado um modelo simplificado do Modelo ISO/OSI

Modelo ISO/OSI (7 camadas)

Modelo Internet (4 camadas)


Modelo Internet

Utiliza diversos protocolos, cada um com uma função específica


Protocolo Ethernet

- Definido pela IEEE 802.3

- Desenvolvido pela Xerox na década de 60.

- Nome “fantasia” para o protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with

Collision Detection), derivado do conceito de éter luminífero (suposto meio de

propagação da luz)

- Velocidades mais usuais: 10Mbits/s e 100Mbits/s


Modelo ISO/OSI (7 camadas)

Modelo Internet (4 camadas)

Protocolo Ethernet

Localização no Modelo Internet

Software

Hardware

Ethernet


Protocolo Ethernet

Exemplos de alguns padrões para implementação do meio físico

Microcontrolador

MAC

PHY (para RJ45)

Conector para RJ45 Tranceptor para fibra óptica

PHY (para FO)

Microcontrolador MAC

Interface RMII Interface MII


Protocolo Ethernet Codificação dos dados

- Codificação Manchester especificada pela IEEE 802.3, onde:

Bit 1: Começa com -V e termina com +V

Bit 0: Começa com +V e termina com –V

-O sinal é “simétrico” e sem componente DC, ou seja, possui área positiva e negativa iguais, o que permite seu acoplamento através de indutores/capacitores


Protocolo Ethernet


Protocolo Ethernet

Exercício:

1) Qual a velocidade de operação?

2) Qual a sequência de bits enviada?

3) Qual a sequência de bytes enviada?


Protocolo Ethernet

cabo comum / cabo cross-over / cabo par trançado


Ethernet

Industrial

Ex: profinet


Protocolo Ethernet

Power over Ethernet (PoE)


Protocolo Ethernet

Endereço MAC

- Endereço físico do dispositivo composto por 6 bytes, separados por dois pontos “ : “

- Controlado pelo IEEE-SA (IEEE Standards Association)

- Os 3 primeiros bytes são denominados OUI (Organizationally Unique Identifier) e

são atribuídos pelo IEEE-SA

- Os outros 3 bytes são atribuídos pelo próprio fabricante

- O fabricante deve garantir que o MAC seja único

-Exemplo de endereço MAC:

08 : 00: 02 : 04 : e8 : 6f (hexa)

IEEE-SA fabricante


Modelo Internet



Protocolo IP

- Protocolo IP (Internet Protocol) é definido pela RFC 791

- Utilizado para direcionar as mensagens ao seu destino

- Não oferece garantia de que a mensagem foi recebida pelo destino

- Deve-se identificar a rede utilizando IP para evitar a intervenção de outros nós


Protocolo IP

Endereço IP

- Endereço lógico formado por 4 bytes, representados separados por ponto “ . “

- Trabalha em conjunto com a Máscara de Rede e o Endereço de Gateway para o

direcionamento das mensagens

- Gateway é um dispositivo físico responsável por interligar redes

- Pode ser programado pelo usuário

- Exemplo de endereço IP:

194.168.0.1 (decimal)


Protocolo IP

Endereçamento

Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

Endereço IP do dispositivo

Máscara de subrede

Endereço IP do gateway

A B

C

X

Y Z


Protocolo IP

Endereçamento

Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

Resultado da operação lógica AND entre o IP e o MSK gera um número IP denominado IP de subrede que identifica a subrede ao qual o dispositivo esta conectado: IP : 192.168.0.1 MSK: 255.255.0.0 AND IP subrede: 192.168.0.0

A B

C

X

Y Z


Protocolo IP

Endereçamento

IP: 192.168.0.1 = 11000000 10101000 00000000 00000001

MSK: 255.255.0.0 = 11111111 11111111 00000000 00000000 AND

IP subrede = 11000000 10101000 00000000 00000000

(192.168.0.0)

192 168 0 0


Protocolo IP

Endereçamento

Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

IP subrede 200.208.0.0

IP: 192.168.0.2

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.10

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 200.208.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.4

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.20

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

A B

C

X

Y Z


Exemplo: Mensagem → :

Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

IP: 192.168.0.2

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.10

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 200.208.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.4

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.20

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

A B

C

X

Y Z

A C



Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

IP: 192.168.0.2

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.10

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 200.208.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.4

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.20

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

A B

C

X

Y Z

A C

Antes de enviar mensagem C precisa verificar se A pertence a mesma subrede que ele


IP: 192.168.0.1 = 11000000 10101000 00000000 00000001

MSK: 255.255.0.0 = 11111111 11111111 00000000 00000000 AND

IP subrede = 11000000 10101000 00000000 00000000

(192.168.0.0)

192 168 0 0

C

IP: 192.168.0.2 = 11000000 10101000 00000000 00000010

MSK: 255.255.0.0 = 11111111 11111111 00000000 00000000 AND

IP subrede = 11000000 10101000 00000000 00000000

(192.168.0.0)

192 168 0 0

A IP de subrede iguais, portanto, pertencem a mesma subrede



Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

IP: 192.168.0.2

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.10

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 200.208.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.4

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.20

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

A B

C

X

Y Z

A C

C envia mensagem contendo: IP origem: 192.168.0.1 [IP C] IP destino: 192.168.0.2 [IP A]



Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

IP: 192.168.0.2

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.10

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 200.208.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.4

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.20

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

A B

C

X

Y Z

C Y


Antes de enviar mensagem Y precisa verificar se C pertence a mesma subrede que ele


Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

IP: 192.168.0.2

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.10

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 200.208.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.4

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.20

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

A B

C

X

Y Z

C Y


IP: 200.208.0.3 = 11001000 11010000 00000000 00000001

MSK: 255.255.0.0 = 11111111 11111111 00000000 00000000 AND

IP subrede = 11001000 11010000 00000000 00000000

(200.208.0.0)

200 208 0 0

Y

IP: 192.168.0.1 = 11000000 10101000 00000000 00000001

MSK: 255.255.0.0 = 11111111 11111111 00000000 00000000 AND

IP subrede = 11000000 10101000 00000000 00000000

(192.168.0.0)

192 168 0 0

C IP de subrede diferentes, portanto, não pertencem a mesma subrede



Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

IP: 192.168.0.2

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.10

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 200.208.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.4

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.20

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

A B

C

X

Y Z

C Y

Y envia mensagem contendo: IP origem: 200.208.0.3 [IP Y] IP destino: 192.168.0.1 [IP C]



Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

IP: 192.168.0.2

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.10

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 200.208.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.4

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.20

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

A B

C

X

Y Z

C Y

Y envia mensagem contendo: IP origem: 200.208.0.3 [IP Y] IP destino: 192.168.0.1 [IP C]

Pergunta: Se o IP destino é o IP C como a mensagem chegará ao gateway???


Modelo Internet



Protocolo ARP

- Protocolo ARP (Address Resolution Protocol) definido pela RFC 826

- Responsável pela tradução do endereço lógico (endereço IP) para o endereço físico

(MAC address)

- É necessário se conhecer o endereço físico de um dispositivo sempre que for enviar

uma mensagem para ele

- Para isto, antes de enviar a mensagem, o dispositivo envia uma mensagem

Broadcast (MAC address = ff : ff : ff : ff : ff : ff) perguntando qual é o MAC address do

dispositivo com o IP destino



Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

IP: 192.168.0.2

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.10

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 200.208.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.4

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.20

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

A B

C

X

Y Z

C Y

Y envia mensagem ARP broadcast perguntando MAC address do gateway



Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

IP: 192.168.0.2

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.10

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 200.208.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.4

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.20

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

A B

C

X

Y Z

C Y

gateway responde para Y informando seu MAC address



Rede

IP: 192.168.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

switch

gateway gateway

switch

IP: 192.168.0.2

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 192.168.0.10

MSK: 255.255.0.0

GW: 192.168.0.10

IP: 200.208.0.1

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.3

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.4

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

IP: 200.208.0.20

MSK: 255.255.0.0

GW: 200.208.0.20

A B

C

X

Y Z

C Y

Y envia mensagem contendo: MAC origem: [MAC Y] MAC destino: [MAC gateway] IP origem: 200.208.0.3 [IP Y] IP destino: 192.168.0.1 [IP C]


Protocolo ARP

Consulta a tabela ARP

- Abra o prompt de comando e digite o comando “arp -a”

Será exibido a tabela ARP contendo os endereços IP atualmente traduzidos

para seu correspondente endereço MAC e armazenados em uma tabela

interna para posterior consulta.

- Digite o comando “arp” e explore as demais opções deste comando.


Protocolo IP

Programação dos parâmetros IP, MSK e GW

Basicamente, pode ser feita de duas formas:

- Manualmente (mais comum nos dispositivos industriais)

- Automaticamente (através do sistema operacional em conjunto com protocolo

específico)


Protocolo IP

Programação dos parâmetros IP, MSK e GW

Importante: A escolha do valor do MSK é um dos fatores que define a quantidade de

dispositivos que podem ser conectados a uma determinada subrede.

IP: 192.168.0.1 = 11000000 10101000 00000000 00000001

MSK: 255.255.0.0 = 11111111 11111111 00000000 00000000 AND

IP subrede = 11000000 10101000 00000000 00000000

(192.168.0.0)

192 168 0 0

Calc qtde de dispositivos IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi

Modelo Internet



Protocolo DHCP

- Protocolo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) definido pela RFC 2131

- Responsável por oferecer configuração dinâmica de alguns dos parâmetros de rede

dos dispositivos.

- Dentre estes parâmetros se encontram o IP, MSK e GW.

- Para isto o dispositivo envia uma mensagem Broadcast perguntando para um

Servidor DHCP qual a configuração necessária para se conectar a subrede.

- Este servidor responde para o dispositivo estas configurações e ele se ajusta

automaticamente.

Config de rede no Windows IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi

Modelo Internet



Protocolo ICMP

- Protocolo ICMP (Internet Control Message Protocol) definido pela RFC 792

- Oferece recursos para diagnóstico de rede

- Principais comandos:

PING [endereço IP ou URL] → testa conexão entre dois dispositivos


Protocolo ICMP

Curiosidade: www.submarinecablemap.com

TRACERT [endereço IP ou URL] → mostra a rota de conexão entre dois dispositivos


Protocolo DNS

- Protocolo DNS (Domain Name System) definido pela RFC 1034

- Oferece recursos para a conversão de um determinado endereço URL para o seu

endereço IP correspondente

- Para isto ele efetua uma consulta a um servidor DNS instalado na internet capaz de

converter o endereço URL para o endereço IP correspondente


Tarefa

Descubra qual o endereço IP do micro do seu colega ao lado e realize as seguintes

análises:

a) Envie o comando ping para este micro e monitore os frames gerados. Verifique se

houve erros na conexão.

b) Envie o comando tracert para este micro e monitore os frames gerados através do

ping. Descubra, por exemplo, se existem roteadores/gateways no caminho.

c) Envie o comando ping para um endereço URL e verifique o endereço IP do servidor

que mantém esse endereço URL.

d) Utilize o comando nslookup para descobrir o servidor DNS cadastrado em seu

computador e digite nslookup <endereço URL> para o protocolo DNS requisitar o

endereço IP deste endereço URL no servidor DNS.


Modelo Internet



Protocolo TCP

- Protocolo TCP (Transmition Control Protocol) definido pela RFC 793

- Robustez do sistema: recuperação de dados perdidos, danificados, duplicados ou

fora de ordem

- Transferência básica de dados: recurso de fragmentação das mensagens

- Controle de fluxo: controle de dados aceitos e que faltam ser recebidos

- Multiplexação: múltiplas conexões simultâneas (ports)

- Conexão lógica (sockets)


Protocolo TCP Estabelecimento de conexão lógica (Three Way Handshake) e Comunicação Confiável (ACK)

Estabelece o Número de Sequência Inicial ISN (Initial Sequence Number) gerado randomicamente a cada início de conexão

ISN incrementado a cada mensagem transmitida


Protocolo TCP Sockets e Multiplexação

- Definido por uma par número de IP + número de Porta

- Permite o uso de diversos protocolos em uma mesma rede física

- Permite o acesso de diversos protocolos em um mesmo equipamento


DNP3 MODBUS

TCP TCP

DNP3

TCP

MODBUS

Protocolo TCP Sockets e Multiplexação

IP: 192.168.0.1 IP: 192.168.0.5 IP: 192.168.0.3

Porta: 20000 Porta: 20000 Porta: 502 Porta: 502

Socket com Porta: 20000

IP orig: 192.168.0.1 IP dest: 192.168.0.5

Socket com Porta: 502

IP orig: 192.168.0.3 IP dest: 192.168.0.5


Protocolo TCP Segmentação, Controle de Fluxo e Controle de Congestionamento


Encapsulamento e a pilha de

protocolos no Modelo Internet


Encapsulamento ???


ETHERNET

IP

MODBUS

TCP

ETHERNET

IP

MODBUS

TCP

Rede

Internet

Aplicação

Transporte

Modelo Internet (pilha com 4 camadas)

Encapsulamento

Como o frame é efetivamente construído

Ler a corrente da fase A

Tabela de Registros End Descrição 0000H Corrente fase A 0001H Corrente fase B 0002H Corrente fase C


MODBUS-RTU

Endereço do slave Código da função Dados da função CRC


01H 03H 00H 00H 00H 01H XXH XXH


MODBUS over TCP/IP

Endereço do slave Código da função Dados da função CRC


01H 03H 00H 00H 00H 01H XXH XXH


MODBUS over TCP/IP

7 bytes 03H 00H 00H 00H 01H

Código da função Dados da função


Cabeçalho MBAP

Total: 12 bytes


MODBUS over TCP/IP

Cabeçalho MBAP (Modbus Application Protocol)

Total: 7 bytes


Encapsulamento

ETHERNET

IP

MODBUS

TCP

ETHERNET

IP

MODBUS

TCP



12 bytes

Nosso frame


Cabeçalho do Protocolo TCP

Total: 20 bytes (mínimo)


Cabeçalho do Protocolo TCP

Porta de destino: 502 = 0000 0001 1111 0110B

Sequência de bytes da camada superior Número ISN estabelecido no inicio da conexão e incrementado a cada envio de nova mensagem



Encapsulamento

ETHERNET

IP

MODBUS

TCP

ETHERNET

IP

MODBUS

TCP



12 bytes

Nosso frame

12 bytes 20 bytes


Cabeçalho do Protocolo IP



Cabeçalho do Protocolo IP


IP de origem

IP de destino Ex: 200.208.0.5 (decimal) =

= 1100 1000 . 1101 0000 . 0000 0000 . 0000 0101 (binário) Sequência de bytes da camada superior

20 bytes (IP) + 20 bytes (TCP) + 12 bytes (MODBUS) = 52 bytes


Encapsulamento

ETHERNET

IP

MODBUS

TCP

ETHERNET

IP

MODBUS

TCP



12 bytes

Nosso frame

12 bytes 20 bytes

12 bytes 20 bytes 20 bytes


Cabeçalho do Protocolo Ethernet

Total: 22 bytes

(no início)

Total: 4 bytes (no fim)


Cabeçalho do Protocolo Ethernet

MAC destino Ex: 0c : 0f : 75 : 00 : 00 : 0a

MAC origem

Sequência de bytes da camada superior

Frame Check Sequence = CRC de 4 bytes

Bytes utilizados

no cálculo do FCS

Total: 22 bytes

(no início)

Total: 4 bytes (no fim)


Encapsulamento

ETHERNET

IP

MODBUS

TCP

ETHERNET

IP

MODBUS

TCP



12 bytes

Nosso frame

12 bytes 20 bytes


12 bytes 20 bytes 20 bytes 22 bytes 4 bytes

Total = 78 bytes


Análise da pilha de protocolos no

Modelo Internet


Wireshark

- Conhecido anteriormente como Ethereal

- Software livre amplamente utilizado para análise e solução de problemas para

diversos tipos de protocolos de rede

- Download e informações no site:

www.wireshark.org


ETHERNET

IP

MODBUS

TCP

ETHERNET

IP

MODBUS

TCP



12 bytes

Nosso frame

12 bytes 20 bytes


12 bytes 20 bytes 20 bytes 22 bytes 4 bytes

Desktop com software Wireshark monitorando a placa de rede

Wireshark

IP: 192.168.1.44 IP: 192.168.1.152


Switch Layer-2 e Switch Layer-3


Tela do software Wireshark

Frames capturados


Tela do software Wireshark Selecionando o 18º frame capturado (MODBUS

over TCP/IP)...

... aparece neste campo a sua análise

detalhada



... e neste campo

os bytes efetivamente

enviados


Tarefa

Abra o arquivo modbus.pcap e analise o comando MODBUS over TCP/IP enviado na

linha 18, respondendo:

a) Qual a função MODBUS executada? (leitura de registro, escrita de coil, etc...)

b) Qual(is) endereços de coil, ou registro, estão sendo acessados? O que está sendo

feito?

c) Em qual linha está o comando de resposta desta solicitação? Esta resposta foi

executada corretamente?



Selecionando um protocolo

específico (ex: MODBUS)

aparece sua análise

detalhada

... e são destacados em azul os seus bytes no frame 03H 00H 00H 00H 01H Ler corrente da fase A


Tarefa

a) Abra o software Wireshark e habilite a captura de pacotes na interface de rede

utilizada pelo seu computador para acesso à internet. Utilizando algum browser

digite um site que você ainda não acessou no dia de hoje. Verifique com o software

Wireshark todas as mensagens trocadas para que a solicitação do site feita através do

browser seja processada.

b) Teste os comandos vistos até agora (ping, tracert, nslookup, etc...) e verifique

como se comportam através do software Wireshark.

c) Envie um comando ping para o colega ao lado e descubra qual o endereço MAC

dele.


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REDES INDUSTRIAIS Prof. Igarashi · REDES DE COMUNICAÇÃO DE DADOS Exemplos de aplicação: Automação de Sistemas Elétricos IFSP – Campus SPO – Prof. Dr. Gilberto Igarashi