Modelo ISO/OSI e pilha TCP/IP. Douglas Wildgrube Bertol DEE - Engenharia Elétrica CCT

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1 Modelo ISO/OSI e pilha TCP/IP Douglas Wildgrube Bertol DEE - Engenharia Elétrica CCT AS1RAI1 Redes para Automação Industrial JOINVILLE 06/03/2017

2 Introdução contextualização Pirâmide da Automação; Modelo CIM (Computer Integrated Manufacturing); Redes dentro da pirâmide; Protocolos; detecção e correção de erros; roteamento de mensagens; criptografia e segurança; níveis de sinal entre dispositivos consistentes; endereçamento de rede; Como estes protocolos são organizados? 2

3 Introdução sumário Introdução ao modelo ISO/OSI; Camadas: física; enlace; rede; transporte; sessão; apresentação; aplicação. Pilha TCP/IP 3

4 Modelo OSI Em 1977, a International Standard Organization (ISO) propôs um modelo de referência em 7 camadas para organizar os protocolos de comunicação; Chamado de Open System Interconnection (OSI); Cada camada no modelo OSI tem uma função específica e agrupa protocolos similares nas mesmas camadas; Cada camada se comunica com a entidade de mesmo nível entre os nós da rede. introdução Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física 4

5 Modelo OSI arquitetura do modelo camada ISO/OSI aplicação protocolo de aplicação unidade de transferência aplicação APDU apresentação protocolo de apresentação apresentação PPDU sessão protocolo de sessão sessão SPDU transporte protocolo de transporte transporte TPDU rede rede rede rede pacote enlace enlace enlace enlace quadro física física física física bit 5

6 Modelo OSI comunicação entre camadas camada fonte destino 5 M ptcl 5 M 4 H 4 M ptcl 4 H 4 M 3 H 3 H 4 M 1 H 3 M 2 ptcl 3 ptcl 2 H 3 H 4 M 1 H 3 M 2 2 H 2 H 3 H 4 M 1 T 2 H 2 H 3 M 2 T 2 H 2 H 3 H 4 M 1 T 2 H 2 H 3 M 2 T 2 1 6

7 Modelo OSI camada física Os protocolos dessa camada definem padrões físicos e aspectos elétricos dos sinais, tais como: Frequências; Modulação; Tensões; Topologias; Conectores; Cabos. Aspecto mais importante em termos dos diagnósticos e da operação de uma rede (80 % dos problemas em redes industriais ocorrem na camada física) Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física Exemplos: EIA RS-232, EIA RS-485, Bluetooth, 10BASE-T, USB, IEEE , CAN bus, DSL, I 2 C. 7

8 Modelo OSI Fornece as regras para: Geração dos quadros; Conversão dos sinais elétricos para dados; Verificação de erros; Endereçamento físico; Controle de acesso ao meio; Multiplexação; Controle de fluxo. Todas as redes necessitam de uma camada de enlace; camada de enlace Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Exemplos: ARP, ATM, Ethernet, HDLC, Foundation Fieldbus, Profibus, CAN. Física 8

9 Modelo OSI camada de rede Lida com o roteamento das mensagens através de uma rede complexa; Busca a melhor rota através da rede e lida com restrições e defeitos de enlaces; Possui duas subcamadas: Logical Link Control (LLC); Media Access Control (MAC). Exemplos: IP (IPv4 e IPv6), IPX, ICMP, AppleTalk, IPsec. Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física 9

10 Modelo OSI camada de transporte Estabelece uma conexão confiável fim-a-fim entre dois nós; Embute os detalhes das camadas física, de enlace e de rede; Responsável por: Confiabilidade; Controle de fluxo; Ordenação de pacotes; Controle de trafego; Multiplexação. Exemplos: TCP, UDP, SCTP. Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física 10

11 Modelo OSI camada de sessão Estabelece um diálogo (conexão de sessão lógica), visando iniciar, retomar e encerrar transações de rede de maneira ordenada; Uma conexão de sessão é mapeada numa conexão de transporte num dado instante; Uma conexão de sessão pode usar uma ou mais conexões de transporte. Facilitando a recuperação de erros, na perda de uma conexão de transporte; Normalmente essa camada não é utilizada em redes de automação; Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física Exemplos: Named pipe, NetBIOS, PPTP, SOCKS. 11

12 Modelo OSI camada de apresentação Responsável por: Formatos de dados; Criptografia; Segurança. Uma utilização de exemplo é a conversão dados expressos em inteiro de um CLP num formato ponto flutuante em um SDCD; Exemplos: Telnet, ASN.1 (Foundation Fieldbus), LPP. Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física 12

13 Modelo OSI camada de aplicação Protocolos específicos para aplicações de rede: ; Transferência de arquivos; OPC; Ler registros num CLP. Não inclui a aplicação do usuário (editor de texto, jogos), apenas os serviços de comunicação; Exemplo: SMTP, HTTP, Modbus, DeviceNet, BitTorrent, SMTP, NFS. Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física 13

14 Modelo OSI problemas As especificações OSI definem apenas o que fazer, mas não definem como fazer; Protocolos OSI compatíveis não necessariamente se comunicam; Modelo muito complexo para várias aplicações industriais, assim, algumas camadas não são utilizadas nessas aplicações; Apesar de tudo, fornece um ponto de partida para organizar os protocolos. 14

15 Modelo OSI porque 7 camadas? Mínimo: superior e inferior -> 2; Necessidade de isolar a camada física; Camada de enlace -> 3; Necessárias ações fim-a-fim (end-to-end) e salto-a-salto (hop-by-hop); Camadas de transporte e de rede -> 5; Camadas de sessão e apresentação possuem importância relativa, normalmente ignoradas; São necessárias no mínimo 5 e no máximo 7 (excessivo) camadas. 15

16 Modelo OSI exemplo Família de protocolos MODBUS: MODBUS-RTU, MODBUS-PLUS e MODBUS-TCP MBAP = ModBus Application Protocol MBAP MBAP MBAP Comandos para ler e escrever em CLPs Não Utilizado Não Utilizado TCP Transporte via TCP Proprietário IP Roteamento em redes complexas RTU HDLC Ethernet Controle de acesso, verif. de erros, endereçamento EIA-232/485, Wireless EIA-485 / Fibra ótica Ethernet Padrões de cabeamento, elétrico, modulação 16

17 Modelo OSI resumo Protocolos são dispostos em camadas que podem seguir o modelo de referência ISO/OSI; Camadas OSI: Aplicação; Apresentação; Seção; Transporte; Rede; Enlace; Física. 17

18 Pilha TCP/IP histórico O padrão histórico e técnico da Internet é o modelo TCP/IP; O Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DoD) desenvolveu o modelo de referência TCP/IP porque queria uma rede que pudesse sobreviver a qualquer condição, mesmo a uma guerra nuclear; Em um mundo conectado por diferentes tipos de meios de comunicação como fios de cobre, micro-ondas, fibras ópticas e links de satélite, o DoD queria a transmissão de pacotes a qualquer hora e em qualquer condição; Este problema de projeto extremamente difícil originou a criação do modelo TCP/IP. 18

19 Pilha TCP/IP características O TCP/IP foi projetado como um padrão aberto; Isto quer dizer que qualquer pessoa tinha a liberdade de usar o TCP/IP; Isto ajudou muito no rápido desenvolvimento do TCP/IP como padrão. Define as seguintes camadas: Aplicação Transporte Internet, Inter-Rede ou Rede. Camada de acesso à rede ou Física Aplicação Transporte Internet, interrede ou rede Acesso à rede ou física 19

20 Pilha TCP/IP e OSI aplicação Algumas das camadas no modelo TCP/IP têm os mesmos nomes das camadas no modelo OSI, porém, as camadas dos dois modelos não correspondem exatamente; A camada de aplicação tem diferentes funções em cada modelo. Protocolos de mais alto nível incluem os detalhes da camada de sessão e de apresentação do OSI. TCP/IP OSI 20

21 Pilha TCP/IP e OSI transporte A camada de transporte lida com questões de qualidade de serviços de confiabilidade, controle de fluxo e correção de erros; Um de seus protocolos, o Transmission Control Protocol (TCP), fornece formas de se desenvolver comunicações de rede confiáveis com controle da taxa de erros e fluxo contínuo. TCP/IP OSI 21

22 Pilha TCP/IP e OSI transporte - TCP O TCP é um protocolo orientado a conexões. Ele mantém um diálogo entre a origem e o destino enquanto empacota informações da camada de aplicação em unidades chamadas segmentos; O termo orientado a conexões não quer dizer que existe um circuito entre os computadores que se comunicam; Significa que segmentos da camada 4 trafegam entre dois hosts para confirmar que a conexão existe logicamente durante um certo período. 22

23 Pilha TCP/IP e OSI transporte TCP confiabilidade e conexão confiabilidade conexão 23

24 Pilha TCP/IP e OSI camada de internet O propósito da camada de Internet é dividir os segmentos TCP em pacotes e enviá-los a partir de qualquer rede; Os pacotes chegam à rede de destino independente do caminho levado para chegar até lá; O protocolo específico que governa essa camada é chamado Internet Protocol (IP); Determinação do melhor caminho. TCP/IP OSI 24

25 Pilha TCP/IP e OSI camada de internet Redes comutadas por circuito pacotes seguem um único caminho, a um único destino; Vantagens: Uma única rota, baixa taxa de reenvio e erros, alta velocidade; Desvantagens: pouco flexível e demanda de muito investimento para melhor funcionamento. Redes comutadas por pacote pacotes são enviados por vários caminhos e chegam em um único ou vários lugares. Vantagens: flexibilidade, várias possibilidades de envio, independe do meio físico. Desvantagens: não existe controle de velocidade do link; alta taxa de mensagens de reenvio; 25

26 Pilha TCP/IP e OSI camada de acesso a rede O significado do nome da camada de acesso à rede é muito amplo e um pouco confuso; É também conhecida como a camada host-para-rede; Esta camada lida com todos os componentes, tanto físico como lógico, que são necessários para fazer um link físico; Isso inclui os detalhes da tecnologia de redes, inclusive todos os detalhes nas camadas física e de enlace do OSI. TCP/IP OSI 26

27 Pilha TCP/IP protocolos comuns Aplicação TCP: File Transfer Protocol (FTP); Hypertext Transfer Protocol (HTTP); Simple Mail Transfer Protocol (SMTP); Sistema de Nomes de Domínios (DNS); Aplicação UDP: Trivial File Transfer Protocol (TFTP); Sistema de Nomes de Domínios (DNS); Transporte: Transport Control Protocol (TCP); User Datagram Protocol (UDP); Camada de internet: Internet Protocol (IP); Camada de acesso a rede: A camada de acesso à rede se refere a qualquer tecnologia em particular usada em uma rede específica. 27

28 Pilha TCP/IP protocolos comuns 28

29 Pilha TCP/IP Independentemente dos aplicativos de rede fornecidos e do protocolo de transporte utilizado, existe apenas um protocolo de Internet que é o IP; O IP serve como um protocolo universal que permite que qualquer computador, em qualquer lugar, se comunique a qualquer lugar, em qualquer momento; Pode-se imaginar que o IP aponta o caminho para os pacotes, enquanto que o TCP proporciona um transporte confiável. TCP/IP resumo OSI 29

30 Pilha TCP/IP TCP/IP x OSI Ambos são dispostos em camadas; Ambos têm camadas de transporte e de rede comparáveis; Ambos supõem que os pacotes sejam comutados. O TCP/IP combina os aspectos das camadas de aplicação, apresentação e de sessão dentro da sua camada de aplicação; O TCP/IP combina as camadas física e de enlace do OSI na camada de acesso à rede; O TCP/IP parece ser mais simples por ter menos camadas. Os protocolos TCP/IP são os padrões em torno dos quais a Internet se desenvolveu. 30

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