O Modelo OSI Open Systems Interconection Redes Industriais Semestre 02/2015

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1 O Modelo OSI Open Systems Interconection Redes Industriais Semestre 02/2015 Engenharia de Controle e Automação

2 Introdução Dentro de uma rede, a comunicação entre controladores e estações é possível pela utilização de um protocolo, que são regras de comunicação. No intuito de uniformizar os padrões e modelos adotados pelos protocolos de rede, foi desenvolvido o Moledo OSI. Um modelo é um padrão que organiza conceitos gerais e fornece diretrizes como uma descrição facilmente compreendida. No caso de redes, o modelo descreve os serviços necessários para mover os dados de um lugar para outro. O OSI, criado pela Intenational Organization for Standardization(ISO) em 1977, é o modelo de referência para desenvolver padrões de comunicação de dados.

3 Introdução O modelo de Referência do OSI é formado por sete camadas:

4 Introdução As camadas se comunicam enviando parâmetros chamados service primitives de uma para as outras através de endereços predefinidos chamados pontos de acesso aos serviços. Embora dois protocolos possam endereçar as mesmas camadas do Modelo de Referência do OSI, eles não podem trabalhar juntos. A melhor utilização do modelo é categorizar tecnologias de rede e suas implementações de protocolos.

5 Regras das Camadas do Modelo OSI O caminho de comunicação entre o usuário e o canal de transmissão passa através das sete camadas. Cada camada realiza uma função limitada de comunicação. As interfaces entre camadas são específicas. A interface define quais operações e serviços existem. Cada camada oferece serviços específicos para a próxima camada. As camadas mais altas enviam um pacote contendo dados e demandas para serviços. Um serviço representa a operação que uma camada pode realizar para a camada superior. Os serviços são realizados de acordo com um protocolo. Para o usuário de um serviço o protocolo executado não é importante. Um sistema de comunicação não é obrigado a implementar as sete camadas do Modelo.

6 Forma de Transmissão Primeiramente as camadas implementam as funções que são importantes para assegurar a transmissão da informação, distribuição para os endereços, controle da comunicação e serviços gerenciados para o usuário. O processo de comunicação entre camadas iguais é realizado com um protocolo próprio. O protocolo especifica o formato e o significado dos dados e informação de controle, e os algoritmos de acordo com os serviços executados. Assim, há sete protocolos distintos para as sete camadas do Modelo OSI.

7 Forma de Transmissão Se o transmissor e o receptor estão localizados em sistemas de comunicação diferentes (Ethernet/IP vs. Modbus TCP/IP), então um bridge deve ser inserido. O bridge adapta protocolos diferentes, permitindo a interação e atuando sobre as camadas do Modelo OSI.

8 Forma de Transmissão Quando há diferenças entre os protocolos na camada de Rede (Ex. Profibus DP vs. DeviceNet), uma transformação deve ser realizada nesta camada através de um roteador ou gateway.

9 Forma de Transmissão Modelo OSI entre dois sistemas abertos

10 Exemplo de compatibilidade entre Protocolos com padrão OSI Compatibilidade entre Ethernet TCP/IP (Ethernet Comercial) e a Ethernet/IP (Ethernet Industrial não modificada).

11 Exemplo de compatibilidade entre Protocolos com padrão OSI CIP is the common application layer and Device Profiles for EtherNet/IP, ControlNet, and DeviceNet Common Industrial Protocol (Source: ODVA)

12 Exemplo de compatibilidade entre Protocolos com padrão OSI EtherNet/IP ControlNet

13 Arquitetura das Camadas Cada camada de operação introduz um cabeçalho e, eventualmente, um trailer, com informações de controle, além dos próprios dados para operação. Este conjunto de dados de controle mais dados do usuário é conhecido como PDU Protocol Data Unit. Dados no nível transporte: SAP (Services Acess Point) destino; Número da seqüência Código de detecção de erros. Dados no nível de acesso: Endereço destino; Conjunto de facilidades requeridas.

14 PDUs Protocol Data Unit Cada nível de atuação (camada) usualmente trata os dados de forma particular. Cada camada forma uma PDU. Uma PDU é constituída usualmente por um segmento de cabeçalho mais um segmento de dados. É possível ainda que a PDU possua um segmento conhecido como trailer ou rabeira. Cada PDU é vista pela camada inferior como um segmento simples de dados.

15 PDUs Protocol Data Unit FENG ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

16 Camadas do Modelo OSI Conhecendo as camadas do modelo OSI

17 Camada Física Tópicos específicos da camada física: Tipos de Conexão; Topologia Física; Sinalização Digital; Sinalização analógica; Sincronização de bits; Uso da banda passante; Multiplexação. Coordenam as regras para a transmissão de bits: Non return to Zero Level(NRZ-L) 0 nível alto; 1 nível baixo; Non return to Zero Inverted(NRZ-I) 0 nenhuma transição no início do intervalo; 1 transição no início do intervalo; Bipolar AMI (Alternate Mark Inversion) 0 sem sinal na linha; 1 nível positivo ou negativo, alternados um a um; Pseudoternário 0 nível negativo ou positivo, alternando para zeros sucessivos; 1 sem sinal na linha; Manchester 0 transição de nível alto para baixo no meio do intervalo; 1 transição de nível baixo para alto no meio do intervalo; Manchester diferencial Sempre com transição no meio do intervalo; 0 transição no início do intervalo; 1 sem transição no início do intervalo. FENG ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

18 Camada Física FENG ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

19 Camada Física Definições básicas sobre as questões mecânicas e elétricas e qual será a interface entre o terminal e o dispositivo da rede. Os hardwares de conectividade de rede a seguir são normalmente associados à camada Física do OSI: concentradores, hubs, switches, repetidores, conectores do meio de transmissão e modems. Em ambientes industriais orienta-se o uso de switches industriais no caso da Ethernet.

20 Camada de Link de Dados ou Enlace Tópicos específicos da camada de Link de Dados: Topologia lógica: descrevem a maneira como a rede transmite informações de um nó para outro nó seguinte. Acesso ao meio de transmissão: utilizam regras específicas que controlam o momento em que os dispositivos da rede podem transmitir os sinais de dados. Endereçamento: define a diferenciação entre os vários dispositivos da rede. Se refere a endereços de dispositivos físicos (endereços MAC), que são endereços de hardware exclusivos, normalmente atribuídos pelo fabricante. Sincronização de transmissões de Serviços: a sincronização de bits comunica somente intervalos de tempo no nível do bit enquanto a estruturação e a organização dos bits em grupos denominados frames, caracteres, octetos e bytes, é realizada pelo controlador da rede. Conexão: Serviços sem conexão não confirmados enviam e recebem frames com controle de fluxo, erros ou seqüência de pacotes. Serviços orientados por conexões oferecem controle de fluxo, erros e seqüência de pacotes através de confirmações. Serviços sem conexões confirmados -usam confirmações para fornecer controle de fluxo e erros entre transmissões ponto-a-ponto.

21 Camada de Rede A Camada de Rede define a rota e o processo pelo qual os dados se movem pela rede É a camada em que a rede decide como realizará certas funções de gerenciamento, tais como enviar mensagens de status para os nós e regular o fluxo de pacotes. A função principal da camada é mover os dados para localizações específicas.

22 Camada de Rede Tópicos específicos da camada de Rede: Endereçamento: existem dois métodos de endereçamento: Endereço de rede lógico usado para enviar dados em rede. Endereço de serviço determina o endereço do sistema (hardware e software), de modo que ele possa enviar e receber dados. Comutação: As redes interligadas extensas podem ter diversos caminhos ligando os dispositivos emissor e receptor. As informações podem ser enviadas através de diversos canais de comunicação. Descoberta de Rota: é o serviço de determinar e usar o caminho correto para o grupo de dados, esta tarefa é chamada de roteamento. Serviços de Conexão: utilizam as mesmas confirmações fornecidas na subcamada de Link de Dados. As confirmações fornecem os serviços de Controle de fluxo da camada de Rede, Controle de erro e Controle de seqüência do pacote. Serviços de Gateway: freqüentemente as redes independentes utilizam endereço, descoberta de rota, seleção de rota e regra de serviços de conexão diferentes. Para que essas redes sejam combinadas em uma rede interligada, as diferenças devem ser eliminadas. Essa função é implementada em um gateway, que interpreta e converte as regras em duas redes separadas. Os gateways podem ser implementados em qualquer camada do Modelo OSI.

23 Camada de Transporte A camada de Transporte oculta a complexidade da estrutura da rede para o processo da camada superior. Ela organiza mensagens de nível mais alto em segmentos e entrega-os à camada de Sessão ou aos processos superiores da própria camada. Nesse nível, é configurado a distribuição dos endereços dos nós, bem como os métodos de detecção de erros e recuperação.

24 Camada de Transporte Tópicos específicos da camada de transporte: Endereçamento: Identificam os processos de software específicos executados nos dispositivos conectados à rede. Além desses endereços os fornecedores de serviços acompanham as diferentes conversações que fazem com os solicitantes de serviços. Desenvolvimento de segmentos: realiza a divisão de mensagens grandes ou a combinação de mensagens pequenas. Serviços de Conexão: usa a sincronização para reordenar os segmentos, o que envolve a anexação de um número a cada segmento antes de passá-lo às camadas inferiores. Quando todos os segmentos de uma determinada mensagem chegam ao destino, a mensagem é reestruturada colocando os segmentos na ordem correta. Resolução de Endereço/nome: muitos protocolos de rede de computadores fornecem aos usuários nomes de linguagens humanas simples para endereços alfanuméricos complexos ou difíceis de serem lembrados. A resolução de endereço/nome é a função de identificar ou mapear a relação entre endereços de nome e alfanuméricos.

25 Camada de Sessão A camada de sessão define como as conexões são estabelecidas e desfeitas e como os dados são trocados na rede, facilitando a comunicação entre fornecedores e solicitantes de serviços. As sessões de comunicação são controladas através de mecanismos de estabelecem, mantêm, sincronizam e gerenciam o diálogo entre dispositivos de comunicação. Esta camada também ajuda as camadas superiores a identificar e se conectar aos serviços disponíveis na rede.

26 Camada de Sessão Tópicos específicos da camada de Sessão: Controle de Diálogo: possui três modos que definem a direção dos dados : Simplex: transmissão ocorre em apenas uma direção. Enquanto um dispositivo transmite, outros recebem os dados. Half-duplex: cada dispositivo pode receber e transmitir, mas apenas um de cada vez pode transmitir. Full-duplex: permite que todos os dispositivos transmitam e recebam simultaneamente. Administração da sessão: aqui estão as tarefas de Estabelecimento da conexão, Transferência de dados e Liberação da conexão, estas, estabelecem e mantêm a comunicação. FENG ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

27 Camada de Apresentação Define a sintaxe, transformações e formatação de dados. Quando a sintaxe e o formato de uma aplicação diferem da sintaxe e formatação do pacote conforme ele trafega através da rede, esta camada define como as diferenças são traduzidas. Tópicos específicos da camada de Apresentação: Conversão: Os processadores usam várias regras para fazer com que 0 e 1 binários representem dados. Quando dois processadores que usam diferentes regras tentam se comunicar, eles devem realizar algum tipo de conversão. Tipos de conversão: Ordem de bits, Ordem de Bytes, Código de caracteres e Sintaxe de arquivos. Criptografia: é um termo geral que descreve os métodos de misturar dados de modo a protegê-los contra o uso indevido. Pode ser realizada por hardware ou software. A mistura dos dados é realizada usando os métodos de Transposição, Substituição e Algébrico.

28 Camada de Aplicação A camada de Aplicação inclui todos os tópicos e funções específicas para cada serviço de rede. Logo, as seis camadas inferiores incluem tarefas e tecnologias de suportam os serviços de rede, enquanto a camada de Aplicação fornece os protocolos necessários para realizar as funções específicas dos serviços de rede. Este é o nível final que define como os aplicativos entram no Modelo OSI para a transmissão. Tópicos relacionados com a camada de Aplicação: Divulgação de Serviços: Dois tipos: Ativo (anuncia a sua disponibilidade) e Passivo (registram o serviço e o endereço em um local). Uso do serviço: Executa a interpretação de chamada do Sistema Operacional; Operação remota e Computação colaborativa.

29 Objetivo do Modelo de Referência OSI Internet Enterprise Network Automation Network HMI Programmable Controllers Cameras Programmable Automation Controllers Secure Remote Access Motion Controllers Ethernet EtherNet/IP Safety Controllers Historian Asset Management Operator Consoles Process Controllers Voice Energy Management Fieldbus Device Network I/O Robots Drives Servo Drives Encoders Safety I/O Light Curtains Drives w/ Safety Instruments Barcode Scanners Valves Drives Overloads Discrete Motion Safety Process Power Starters Smart Motor Controllers

30 Objetivo do Modelo de Referência OSI IoE IoT IIoT

31 Perguntas? FENG ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO