M. R. Stemmer S2i / DAS / UFSC

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2 Sumário A INTEGRAÇÃO DA PRODUÇÃO ATRAVÉS DAS REDES DE COMUNICAÇÃO: AS REDES LOCAIS INDUSTRIAIS I AS REDES E OS NÍVEIS HIERÁRQUICOS DA INTEGRAÇÃO FABRIL 1.1. O MODELO CIM 1.2. A INTEGRAÇÃO NO MODELO CIM: TIPOS DE REDE» DEVICEBUS/CONTROLBUS, FIELDBUS, ENTERPRISE NETWORK

3 Sumário II AS REDES LOCAIS INDUSTRIAIS 2.1. MOTIVAÇÕES 2.2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DAS REDES INDUSTRIAIS: COMPORTAMENTO TEMPORAL CONFIABILIDADE REQUISITOS DO MEIO AMBIENTE TIPO DE MENSAGENS INTERCONECTIVIDADE/INTEROPERABILIDADE 2.3. PROJETOS DE PADRONIZAÇÃO DAS REDES INDUSTRIAIS PROWAY IEEE802 E ISO/IEC 8802» IEEE 802.3: Ethernet, switched ethernet, fast ethernet» IEEE 802.4: Token-bus» IEEE 802.5: Token-ring» IEEE : Redes sem fio MAP/TOP FIELDBUS

4 Sumário III O PROJETO MAP 3.1. MOTIVAÇÃO E HISTÓRICO 3.2. A ARQUITETURA MAP 3.3. A PROPOSTA MAP-EPA 3.4. A PROPOSTA MINI-MAP 3.5. O PADRÃO DE MENSAGENS MMS Objetos MMS Serviços MMS

5 Sumário IV O PROJETO FIELDBUS 4.1. MOTIVAÇÕES E REQUISITOS DO FIELDBUS 4.2. A PROPOSTA FRANCESA FIP Introdução A camada Física A camada de Enlace A Camada de Aplicação Funções de gerenciamento da rede 4.3. A PROPOSTA ALEMÃ PROFIBUS Introdução A camada Física A camada de Enlace A camada de Aplicação

6 Sumário 4.4. A PROPOSTA ISA/IEC FIELDBUS (FIELDBUS FOUNDATION) Introdução A camada Física A camada de Enlace A camada de Aplicação Camada do Usuário Serviços de Gerenciamento de rede

7 Sumário V ALGUNS PRODUTOS EXISTENTES E SUA APLICABILIDADE EM AUTOMAÇÃO 5.1. INTRODUÇÃO 5.2. REDES PARA INSTRUMENTAÇÃO: GPIB 5.3. REDES PARA AUTOMAÇÃO DE ESCRITÓRIOS: ETHERNET, TOKEN-RING, ARCNET 5.4. REDES INDUSTRIAIS, PREDIAIS E OUTRAS: PROFIBUS DP/PA/FMS, BITBUS, CAN, VAN, HART, INTERBUS-S, ASI-BUS, FAIS, LON, P-NET, SERCOS, MODBUS, REDES IBM (TOKEN-RING, TOKEN-BUS, SNA), UCA, etc.

8 - Primeiros computadores: Introdução Máquinas complexas, grandes, caras Requeriam salas isoladas com ar condicionado Operadas apenas por especialistas programas submetidos em forma de jobs seqüenciais Usuário inseria programa por meio de cartões perfurados Várias idas ao NPD eram necessárias para rodar um programa, mesmo pequeno.

9 Introdução Primeiros computadores: 1946: ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator) 1948: UNIVAC, primeiro computador comercial 1953: IBM 701 ENIAC pesava 30 toneladas e ocupava 180 m² de área construída

10 Introdução Anos 60: usuários conectados ao computador por terminais terminais necessitavam técnicas de comunicação de dados com computador central => inicio das redes teleprinter Televideo 925

11 Anos 60: Introdução Esforços para melhorar interação entre computador e usuários. Surge técnica de time-sharing, primeiros sistemas multi-usuários Usuários conectados ao computador por terminais Cada terminal atendido por um interpretador de comandos Comunicação entre terminais e computador central:» Definição de uma interface (serial, paralela), conectores, cabos, etc.» Definição de unidade básica de informação (bit = binary unit) definir duração, sinais 0 e 1, sincronização, etc.» Definição de códigos para representar letras, números e outros símbolos alfanuméricos ASCII, EBCDIC» Definição de protocolos para envio, recepção, detecção de erros, etc. Surgem primeiras técnicas de comunicação

12 Sistemas Multiuser Terminal 4 Terminal 1 Terminal 3 st4 Mainframe com time-sharing OS st1 st2 st3 RR Terminal 2

13 - Anos 70: Introdução surgem microprocessadores computadores muito mais baratos => difusão do uso - Após década de 70: Computadores cada vez mais velozes, tamanho menor, preço mais acessível Surgem novas aplicações Incremento na capacidade de cálculo e armazenamento Aplicações mais complexas requerem computadores cada vez mais poderosos (PC, Workstation, Mini, Mainframe, Supercomputador, etc.) Computadores conectados podem ter desempenho melhor do que um mainframe, além de custo menor => Sistemas Distribuídos Necessidade de desenvolver técnicas para interconexão de computadores => redes

14 Introdução - Informatização crescente das empresas - Sistemas de Bancos de Dados muito úteis - Primeiros setores a serem informatizados: - Finanças, folha de pagamento, compras, vendas, setor de pessoal - Posterior informatização do chão de fábrica: - CNC, CLP, RC, IC, Sistemas de aquisição de dados, etc. - Mais recente: Sensores e Atuadores microprocessados. - Métodos iniciais de comunicação de dados: - fitas K7, cartões, fitas perfuradas, disquetes. - Método moderno: redes de comunicação (LAN).

15 Introdução - Requisitos de comunicação fabril: Compartilhamento de recursos; Gerenciamento da heterogeneidade; Gerenciamento de diferentes tipos de diálogo; Garantia de um tempo de resposta médio ou máximo; Confiabilidade dos equipamentos e da informação; Conectividade e interoperabilidade; Evolutividade e flexibilidade.

16 Introdução - Necessário definir arquiteturas, topologias e protocolos apropriados para redes de comunicação industriais. - Redes do tipo ponto-a-ponto: falha em uma máquina pode afetar comunicação entre outras máquinas (centralização das funções de comunicação). - Redes de difusão: falha em uma máquina não necessariamente afeta comunicação entre outras máquinas (possibilidade de descentralização da comunicação). - Idéia do final dos anos 70/ início 80: rede única para toda a fábrica. - Idéia atual: não existe uma rede única que atende as necessidades de todas as atividades existentes em uma fábrica.

17 Os Níveis Hierárquicos de Integração Fabril Administração Corporativa Planejamento (Factory) CAD, CAE, CAP, CAPP, CAQ, etc... SISTEMA DE COMUNICAÇÃO Enterprisenetwork (MAP, TOP) Área (Shop) Célula (Cell) FMS FMC Fieldbus, MAP- EPA, Mini-MAP Subsistema (Subsystem) Componente (Component) S A S A S A S A Torno, Manipulador, Centro de Usinagem, etc... Motores, Chaves, Relés, etc... RTLAN

18 Características da comunicação em CIM Administração Corporativa Planejamento Custo médio de uma estação Vida útil e tamanho médio dos dados Tempo ocioso entre transmissões Área Célula Unidade (subsistema) Componente Número de estações / segmento Hostilidade do meio Tráfego médio Quadros / seg.

19 Motivação das Redes Industriais - Na década de 80, maioria das redes de comunicação existentes concebidas para automação de escritórios. - Ambiente industrial tem características e necessidades que tornam redes para automação de escritórios mal adaptadas: - ambiente hostil para operação dos equipamentos (perturbações eletromagnéticas, elevadas temperaturas, sujeira, áreas de segurança intrínseca, etc.); - troca de informações se dá entre equipamentos e, as vezes, entre um operador e o equipamento; - tempos de resposta críticos; - segurança dos dados crítica; - grande quantidade de equipamentos pode estar conectada na rede => custo de interconexão crítico.

20 Características e requisitos básicos das redes industriais Comportamento temporal Confiabilidade Requisitos do meio ambiente tipo de mensagens e volume de informações Conectividade/interoperabilidade (padronização)

21 a) Comportamento temporal - Aplicações Industriais freqüentemente requerem sistemas de controle e supervisão com características de Tempo-Real. - Em aplicações tempo real, importante poder determinar comportamento temporal do sistema de comunicação. - Mensagens em STR podem ter restrições temporais: Periódicas: tem que ser enviadas em intervalos conhecidos e fixos de tempo. Ex.: mensagens ligadas a malhas de controle. Esporádicas: mensagens sem período fixo, mas que tem intervalo de tempo mínimo entre duas emissões consecutivas. Ex.: pedidos de status, pedidos de emissão de relatórios. Aperiódicas: tem que ser enviadas a qualquer momento, sem período nem previsão. Ex.: alarmes em caso de falhas.

22 Sistemas Tempo-Real INTERFACE Sistema de Controle estímulo SENSOR ATUADOR resposta Sistema a Controlar (Ambiente) Um STR é um sistema computacional que deve reagir a estímulos (físicos ou lógicos) oriundos do ambiente dentro de intervalos de tempo impostos pelo próprio ambiente. A correção não depende somente dos resultados lógicos obtidos, mas também do instante no qual são produzidos.

23 Arquitetura para Sistemas Tempo-Real

24 A Problemática da Comunicação em Tempo-Real M1 DL = 10 End. 01 M2 DL = 15 End. 02 M3 DL = 50 End. 03 M4 DL = 25 End. 04 M5 DL = 5 End. 05 Mensagens pendentes em cada estação devem ser entregues a seu destino antes de um prazo limite (deadline) associado.

25 Comunicação em Tempo-Real Problema de comunicação tempo real: Queremos garantir que todas as mensagens sejam entregues antes de seu deadline Como atribuir prioridades:» priorizar mensagens individuais ou estações? Como escalonar uso do meio (recurso compartilhado)? Como verificar se escalonamento está correto? Escalonar com base em eventos (event trigger) ou no tempo (time trigger)? como definir concessão do direito de acesso ao meio entre estações diferentes de forma e respeitar prioridades?

26 Comunicação em Tempo-Real Protocolo MAC deve atender mensagens periódicas com a maior eficiência possível, respeitando seus deadlines. Protocolo MAC precisa garantir rápido acesso ao barramento para mensagens esporádicas de alta prioridade. MAC deve ter comportamento determinista e, idealmente, permitir escalonamento ótimo global de mensagens. LLC (Controle Lógico de Enlace) deve escalonar mensagens locais pendentes por deadline ou prioridade associada.

27 Arquitetura de rede para CTR Software Aplicativo AP AP 7 Camada de Aplicação 2 1 Controle Lógico de enlace (LLC) Controle de Acesso ao Meio (MAC) Camada Física

28 Serviços de enlace para CTR Serviços sem conexão: SEND (receptor, mensagem, requisitos TR); mensagem = RECEIVE (emissor); Serviços com conexão: rtcid = CONNECT(receptor, requisitos TR); SEND (rtcid, mensagem); mensagem = RECEIVE (rtcid); DISCONNECT(rtcid);

29 Classificação dos Protocolos MAC Alocação fixa: alocam o meio às estações por determinados intervalos de tempo, independentemente de haver ou não necessidade de acesso (ex.: TDMA = Time Division Multiple Access); Alocação aleatória: permitem acesso aleatório das estações ao meio (ex.: CSMA = Carrier Sense Multiple Access). Em caso de envio simultâneo por mais de uma estação, ocorre uma colisão e as estações envolvidas tem que transmitir suas mensagens após a resolução do conflito resultante (protocolos de contenção); Alocação controlada: cada estação tem direito de acesso apenas quando de posse de uma permissão, que é entregue às estações segundo alguma seqüência predefinida (ex.: Token-Passing, Master-Slaves); Alocação por reserva: para poder usar o meio, as estações tem que reservar banda com antecedência, enviando pedidos a uma estação controladora durante um intervalo de tempo pré-destinado e este fim (ex.: CRMA = Cyclic Reservation Multiple Access); Híbridos: consistem de 2 ou mais das categorias anteriores.

30 Classificação dos Protocolos MAC Classificação com relação 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 não deterministas: tempo de entrega não determinável (aleatório ou probabilístico).

31 Protocolos MAC não deterministas -CSMA - CSMA: Carrier Sense Multiple Access = Acesso Múltiplo por Detecção de Portadora - método não deterministico com controle distribuído -variantes: - CSMA não persistente: - emissor escuta o meio - se meio livre, transmite msg - se meio ocupado, tenta retransmitir mais tarde - CSMA 1-persistente: - meio livre, transmite com probabilidade 1 (100%) - meio ocupado, espera na escuta (persiste) até o canal ficar livre - CSMA p-persistente: - meio livre, transmite com probabilidade p ou atrasa a tx em um dado tempo com probabilidade (1-p); se canal ainda livre, repete procedimento; se ocupado, aguarda liberação e reinicia - meio ocupado, aguarda liberação e reinicia

32 CSMA persistente e não persistente CSMA 1-persistente: faz melhor uso da banda, mas tem grande chance de gerar colisões CSMA não persistente: faz pior uso da banda, mas tem menor probabilidade de gerar colisões CSMA p-persistente (p<1): compromisso entre as soluções anteriores. np P-p 1-p tempo

33 CSMA - Todas as variantes: não impedem colisão => escuta só no início - Estação receptora envia quadro de reconhecimento (ACK) a emissora se msg Ok - Em caso de colisão ou erro de tx: msg retransmitida após Timeout no emissor

34 CSMA/CD (ETHERNET) - CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Colision Detection = Acesso Múltiplo por Detecção de Portadora com Detecção de Colisão - Método de acesso não determinístico com controle distribuído - operação: - emissor escuta meio - Se meio livre, enviar primeiro byte do quadro - emissor escuta meio durante sua tx e compara com byte enviado - Se igual, não houve colisão => enviar resto da mensagem - Se diferente, houve colisão => parar tx, esperar tempo randômico e reiniciar operação (repetida no máximo 16x) limite tempo de espera na i-esima colisão= 2 i - 1 [time slots] - Se tx bem sucedida (sem colisão), emissor espera ACK do receptor

35 O protocolo CSMA/CD - Inovação: escuta e envio podem estar ativos ao mesmo tempo! emissor emissor receptor emissor

36 O protocolo CSMA/CD Métodos de acesso CSMA convencionais: Simplicidade; Autonomia das estações; tempo de reação não pode ser exatamente determinado (não determinismo). Tempo de espera é randomizado segundo algoritmo BEB (Binary Exponential Backoff)

37 Randomização de tempo no CSMA/CD (Binary Exponential Backoff) start no Station Ready? nc = 0 yes New Frame? Ether Silent? transmit no nc = nc+1 limit = 2 nc -1 Wait=random [0,limit] no Collision?

38 CSMA/CD Probabilidade de colisão Tráfego x número estações

39 CSMA/CD - Desempenho muito melhor que CSMA, pois: não perde tempo enviando dados após colisão ocorrência da colisão detectada logo no início da tx - Razões do não-determinismo: não se sabe se haverão colisões não se sabe quantas colisões seguidas podem ocorrer não se conhece de antemão tempo aleatório de espera em caso de colisão - Esta característica torna protocolos CSMA e CSMA/CD ruins para aplicações com restrições de tempo de resposta (sistemas tempo real), muito comuns na automação de chão de fábrica.

40 Protocolos MAC Deterministas - Métodos de acesso deterministas: tem tempo de resposta limitado e determinável (ao menos em pior caso). - Podem ser classificados em: - métodos com comando centralizado (ex.: Mestre-Escravos, árbitro de barramento) - métodos com comando distribuído (ex.: Token-Passing, variantes deterministas do CSMA).

41 Comando Centralizado: Mestre-escravos escravo escravo escravo escravo

42 Comando Distribuído: Token-bus receptor ficha emissor

43 Comando Distribuído: Token-Ring TAP Interface p/ anel Estação anel unidirecional Token

44 Comando Distribuído: Forcing Headers - Variante determinista de CSMA (CSMA/NBA = CSMA with Nondestructive Bitwise Arbitration usado em CAN). - Estações 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 são 0, prioridade máxima. - Camada física executa AND sobre cada bit enviado ao barramento (CD ativada ao enviar um 1 e desativado ao enviar um 0). - Transmissão interrompida quando um 1 é enviado e ocorrer colisão (0 é lido). - Se identificador transmitido até o fim sem colisão, resto da mensagem é enviado.

45 Comando Distribuído: Forcing Headers Header do frame 100 dados Nó 4 Frame a enviar Nó 0 Nó 1 Nó 2 Nó dados 001 dados 010 dados 011 dados

46 Comando Distribuído: Forcing Headers Para evitar monopólio do meio por nó gerador de mensagem de alta prioridade, espaço entre quadros preenchido por campo de bits em 1 inserido no final de cada quadro. O barramento só é considerado livre para o mesmo nó enviar nova mensagem após ter detectado que o espaço interframes não foi interrompido por um bit em 0. Estação possuidora da mensagem de alta prioridade terá que esperar ao menos o envio de uma mensagem de prioridade menor para tomar o barramento para si novamente.

47 Comando Distribuído: Comprimento de Preâmbulo - Variante determinista de CSMA/CD - A cada mensagem é associado um preâmbulo com comprimento diferente, que é transmitido com CD desativada. - Após término de envio do preâmbulo, CD reativada - Se há colisão, existe outra mensagem mais prioritária sendo enviada e estação fica a espera de meio livre.

48 Comando Distribuído: Comprimento de Preâmbulo Preambulo do frame Nó 4 Frame a enviar Nó 0 Nó 1 Nó 2 Nó 3

49 Comando Distribuído: Comprimento de Preâmbulo Mensagem do nó 4 Mensagem do nó 3 Mensagem do nó 2 Mensagem do nó 1 Mensagem do nó 0 Instantes de inicio de detecção de colisão em cada estação

50 Comando Distribuído: CSMA/DCR - CSMA with Deterministic Collision Resolution - determinismo garantido através de busca em árvore binária balanceada - prioridades são atribuídas a cada estação => Índices - cada estação deve conhecer: - status do barramento: - livre - ocupado com transmissão - ocupado com colisão - seu próprio índice - número total de índices consecutivos alocados às fontes (Q) - tamanho da árvore binária q = menor potência de 2 maior ou igual a Q (ex.: Q = 12, q = 16)

51 CSMA/DCR - operação como CSMA/CD até colisão - em caso de colisão, iniciado período de resolução por busca em árvore binária => época - estações envolvidas se auto-classificam em dois grupos: Winners (W) ou Losers (L): - W = índices entre [0,q/2[ - L = índices entre [q/2, q] - estações do grupo W tentam nova transmissão - se nova colisão, nova divisão em grupos: - W = [0,q/4[ - L = [q/4, q/2]

52 CSMA/DCR - se não ocorrer nova colisão (só sobrou uma estação no grupo W), estação transmite seu frame de dados - estações do grupo L desistem e aguardam término de transmissão bem sucedida de outro nó seguida de meio livre - se grupo W vazio, busca revertida => nova subdivisão de nós a partir do último grupo L: - W = [q/2, 3q/4[ - L = [3q/4, q] - Época encerrada quando todas as estações envolvidas na colisão original conseguiram transmitir seus dados - tempo de duração de uma época pode ser calculado => determinismo! - seqüência de concessão de direito de acesso ao meio = seqüência de índices crescentes => nós mais prioritários transmitem primeiro!

53 CSMA/DCR - Exemplo Índice 2 Índice 3 Índice 5 Índice 12 Índice 14 Índice 15-6 estações de uma rede com 16 fontes enviam frames simultaneamente - Índices de cada estação conforme figura acima - Q = 16 - q = 16 (2 4 ) - altura da árvore binária = log 2 16 = 4

54 CSMA/DCR - Exemplo [0,15] 1 [0,7] 2 [0,3] [4,7] [8,15] 9 [8,11] [12,15] [0,1] [2,3] [4,5] [6,7] [8,9] [10,11] [12,13] [14,15] Árvore binária balanceada completa para Q = 16

55 CSMA/DCR - Exemplo 1 C 2,3,5 W= 2,3 L=5 0 C 2,3,5,12,14,15 W= 2,3,5 L=12,14,15 8 C 12,14,15 W= L=12,14,15 2 C 2,3 W= L=2,3 7 T 5 9 V 10 C 12,14,15 W= 12 L=14,15 3 V 4 C 2,3 W=2 L=3 11 T C 14,15 W= 14 L=15 5 T 2 6 T 3 13 T T 15 Evolução do algoritmo

56 CSMA/DCR - O tempo até o inicio da transmissão da fonte com índice 5 será: - 4 colisões + 1 vazio = 5. slot-time - 2 transmissões = 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 início da transmissão da mensagem da fonte com índice 5 seria: - T inicio 5 = = 680 microssegundos (não é ainda pior caso) - O tempo de duração total da época será: - 7 colisões = 7.slot-time - 2 vazios = 2. slot-time - 6 transmissões = 6.(tamanho do quadro em slot-times) - Assumindo 1 slot-time = 40 microssegundos: - T época = = 1800 microssegundos = 1.8 ms

57 CSMA/DCR - Cálculo do tempo de pior caso pode ser formalizado como segue... - Seja: ϕ (v) = número de ramos da árvore binária percorridos por uma mensagem proveniente de um nó com índice v - q = menor potência de 2 maior ou igual ao maior índice disponível σ (v) = número de potências de 2 contidas em v - s = 1 slot-time (2 vezes o tempo de propagação do sinal na rede) μ = tempo máximo de transmissão da uma mensagem no meio físico (depende do comprimento da mensagem em bits e da taxa de transmissão)

58 CSMA/DCR - Para uma mensagem participando de uma dada época, temos que: ϕ (v) = log 2 q + v - σ(v) - T espera (v) = ϕ (v).s + v.μ - Para o exemplo anterior, tomando uma mensagem da estação com índice 5, temos: - q =16 - v =5 σ (5) = 2 (5 = ) ϕ (5) = log = 7 - T espera (5) = 7.s + 5.μ - Assumindo s = 40 microssegundos e μ = 6.s = 240 microssegundos, obteremos para o pior caso de tempo de espera da mensagem da fonte com índice 5 o valor de 1480 microssegundos.

59 CSMA/DCR - O tempo de duração da época, no pior caso, é dado por: T época = ϕ (q-1).s + Q.μ - Para uma mensagem que chega a fila de emissão de uma fonte com índice v em um instante qualquer, o pior caso de tempo de espera é maior, pois a nova mensagem pode chegar na fila imediatamente após o inicio de uma época, da qual ela ainda não faz parte. - Neste caso, o pior caso do tempo de espera será dado por: T max espera (v) = T época + ϕ (v).s + v.μ

60 Abordagens Para CTR Abordagem Atribuição de Prioridades com teste de escalonabilidade Off-line (em tempo de projeto) Circuito Virtual TR com escalonamento On-line de mensagens Reserva com escalonamento global Requistos MAC com resolução de prioridades MAC com tempo de acesso ao meio limitado Requer cópias locais de todas as filas de mensagens, difundidas em slots times de reserva Ex.de Protocolos Token-Ring c/pr. Dif. atrasos Comp. Preâmbulo Forcing Headers (CSMA/CA) TDMA Token-Passing Waiting Room CSMA/DCR PODA

61 b) Confiabilidade - Em aplicações industriais, erro de 1 bit pode ter conseqüências desastrosas => dispositivos ON/OFF. - Para aumentar confiabilidade, enlace usa teste cíclico de redundância (CRC - Cyclic Redundancy Check) sobre quadros (técnica polinomial). - Em sistemas que necessitem de uma operação contínua, pode ser utilizado um meio de transmissão e estações redundantes. - Recomenda-se usar cabos blindados em ambientes com fortes campos magnéticos. - Uso crescente de fibra ótica.

62 c) Requisitos do Meio Ambiente - Perturbações eletromagnéticas requerem escolha adequada do meio de transmissão. - Fonte: acionamentos de motores elétricos de grande porte, fontes chaveadas, estações de solda, conversores estáticos, etc. Par trançado (assíncrono) Par trançado (síncrono) Sensibilidade à perturbações Cabo coaxial Fibra Ótica Custos Distância Taxa de transmissão

63 Suportes de Transmissão - Com guia físico - Cabos elétricos - Par trançado - Cabo coaxial - Fibra ótica - Sem guia físico: - Ondas de rádio - Ondas de luz (laser, infravermelho)

64 Par Trançado (Twisted Pair) - forma mais barata e clássica de conexão - cabo composto de n pares de fios de cobre isolados e arranjados de forma helicoidal - Efeito do arranjo helicoidal => reduzir induções eletromagnéticas parasitas => fios paralelos formam antena! - Categoria 3: telefone, LAN - Categoria 5: isolamento teflon, LAN - Usados com HUBs, Switchers

65 Par Trançado (Twisted Pair) - Servem para transmissão analógica e digital - Usados na rede telefônica e em LANs - Taxas de transmissão de dezenas de Kbps até ~100 Mbps (distâncias pequenas) - Banda passante depende de: -diâmetro fios - pureza cobre -isoladores - comprimento do cabo

66 Par Trançado (Twisted Pair) Conector RJ45 UTP

67 Par Trançado Blindado (STP)

68 Cabos Coaxiais 2 tipos mais usados: impedância de 50 Ohms (sinais digitais, baseband versões thin e thick) e 75 Ohms (sinais analógicos, broadband) Constituídos de 2 condutores concêntricos separados por isolante Capa protetora Capa isolante Trança metálica Alma de cobre

69 Cabos Coaxiais - Possuem melhores características elétricas do que par trançado => menos sensíveis a interferências eletromagnéticas - Usados para distâncias de até 1Km => taxas de transmissão de 1 a 2 Gbps em banda base possíveis - Usados para distâncias maiores (100Km) se usada transmissão analógica (broadband com modulação ASK, FSK ou PSK) - Muito usados para transmissão em banda larga => vários canais simultâneos de comunicação em faixas de freqüência diferentes - Requerem terminadores => impedâncias terminais para impedir ressonâncias na rede

70 Cabos Coaxiais Cabo com conectores BNC (British Naval Connector ou Bayonet Neil Concelman ou Bayonet Nut Connector)

71 Fibras Óticas - Sinais binários transmitidos como impulsos luminosos: - lógico 1 => presença de luz - lógico 0 => ausência de luz - Pode transmitir sinais com taxas de vários Gbps (10 9 bps) a distâncias de até 100Km sem repetidores. - Imune a perturbações eletromagnéticas => fóton sem carga elétrica - Fibra => fio de silício (núcleo) com capa externa para retenção de luz

72 Fibras Óticas - sistema de transmissão composto de 3 elementos: - Fibra: transmite sinal ótico - Emissor: converte sinal elétrico em ótico (LED ou diodo Laser) - Receptor: converte sinal ótico em elétrico (Fotodiodo ou Fototransistor) i E fibra R i

73 Fibras Óticas - Princípio de transmissão na fibra: - ângulo de incidência grande => reflexão e refração - ângulo de incidência pequeno => reflexão total Ar β1 β2 β3 fonte de luz α1 α2 α3 Silício multimodo monomodo

74 Fibras Óticas Fibra multimodo com índice degrau: núcleo constituído de um único tipo de material (plástico, vidro) e tem índice de refração constante. Os raios de luz refletem no cladding em vários ângulos, resultando em comprimentos de caminhos diferentes para o sinal. Isto causa o espalhamento do sinal ao longo da fibra e limita a largura de banda do cabo. Este fenômeno é chamado dispersão modal. A atenuação é elevada (maior que 5 db/km), fazendo com que essas fibras sejam utilizadas em transmissão de dados em curtas distâncias (até 2 km).

75 Fibras Óticas Fibra multimodo com índice gradual: a interface núcleo/cladding é alterada para proporcionar índices de refração diferentes dentro do núcleo e do cladding. Os raios que viajam na direção do cabo tem um índice de refração menor e são propagados mais rapidamente. O objetivo é ter todos os modos do sinal à mesma velocidade no cabo, de maneira a reduzir a dispersão modal. Essa fibra pode ter larguras de banda de até 500 Mhz.km. O núcleo tem, tipicamente, entre 125 e 50 μm e a atenuação é baixa (3 db/km), sendo por esse motivo empregada em telecomunicações.

76 Fibras Óticas Fibras monomodo: O núcleo de 8 µm de diâmetro e o índice núcleo/cladding permite que apenas um modo seja propagado através da fibra, diminuindo a dispersão do pulso luminoso. A emissão de sinais monomodo só é possível com laser, podendo atingir taxas de transmissão na ordem de 100 GHz.km, com atenuação entre 0,2 db/km e 0,7 db/km. Contudo, o equipamento como um todo é mais caro que o dos sistemas multimodo. Essa fibra possui grande expressão em sistemas telefônicos.

77 Fibras Óticas Feixe de fibras óticas Conectores ST para fibra ótica Cabo multimodo 62.5/125 micrometros

78 Fibras Óticas - Muito usadas em WAN, MAN e CAN - Uso crescente em LAN, com topologia ponto-a-ponto => difícil realizar derivações (bifurcações) em T para barramento - Técnicas de realização de derivações: - derivação passiva: usa princípios óticos (p.ex. prismas) => problemas de perda de intensidade luminosa -derivação ativa: converte sinal ótico para elétrico nos pontos de derivação => aumenta custo, requer alimentação, perde velocidade e introduz pontos sensíveis à perturbações eletromagnéticas -Muito usadas com HUBs e Switchers

79 Transmissão Sem Guia Físico - Sistemas com guia físico implicam na construção de canalização ou postes para condutores => caro para grandes distâncias - Técnicas com emissor e receptor de luz direcionados: - Laser - Infravermelho - Bom para distâncias médias - Técnicas com sinal de rádio: - antena / antena => distâncias médias ou grandes - antena / satélite / antena => distâncias muito grandes

80 Transmissão Sem Guia Físico Sinais de Rádio: Vantagens: - Flexibilidade - Interconexão completa - Estações móveis Desvantagens: - Problema de autenticação - Privacidade - Dependência de regulamentação pública Limitações / compromissos: - Banda passante - área de cobertura -interferências - regulamentações -custos

81 Meio de Transmissão Meio Sinalização Bitrate (max.) Distancia* (p. Bitrate max.) Par trançado Digital 10Mbps (CAT-3) 16Mbps (CAT-4) 100Mbps (CAT-5) 300 Mbps (STP) 100m 100m 100m 100m Cabo coaxial Digital Analógica 2 Gbps 3 Mbps 1 Km 100 Km Fibra ótica Digital 1 Gbps 1 Tbps 100 Km 1 Km Rádio VLF, LF, MF Microwave 50 Mbps (telecom.) 1000 Km 50 Kbps (celular) 50 Km 54 Mbps (rede) 100 m * Sem repetidores

82 - Cabo coaxial: Meios de Transmissão - Boas características elétricas, porém caro. - Requer impedâncias terminais. - Conectores BNC fáceis de abrir. - Par trançado: - Usualmente usado com HUB/Switcher - Atualmente solução mais usada para chão fábrica. - UTP (Unshielded Twisted Pair) CAT-5 / STP (Shielded Twisted Pair). - Fibra ótica: - Ótimo para rejeitar perturbações eletromagnéticas. - Dificuldade de realizar topologia em barramento (bus). Mais usado em topologias ponto a ponto: anel, estrela, árvore. Emulação de bus com HUB ou Switcher.

83 Áreas de Risco (Segurança Intrínseca) Sujeitas a incêndio, explosão Presença de líquidos ou gases inflamáveis/explosivos Não pode haver faiscamento Freqüência de sinais elétricos limitada Modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept): desenvolvido na Alemanha pelo PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt) e reconhecido mundialmente como modelo básico para operação de redes em áreas de risco de explosão ou incêndio.

84 Áreas de Risco (Segurança Intrínseca) Princípios de transmissão segundo modelo FISCO: Cada segmento possui uma única fonte de alimentação. Não se alimenta o barramento enquanto uma estação está 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 terminação passiva em ambos os extremos da rede. Topologias permitidas: linear, em árvore e em estrela.

85 Áreas de Risco (Segurança Intrínseca) Norma IEC para camada física: Transmissão de dados: digital, bit - síncrona, Manchester Taxa de transmissão: 31,25 kbit/s, modo voltagem Cabo: STP com 2 fios Alimentação remota: opcional, via linhas de dados Classes de proteção contra explosão: Intrinsically safe (EEx ia/ib) e encapsulation (EEx d/m/p/q) Topologias: linha e árvore ou uma combinação Numero de estações: até 32 estações por segmento, máximo de 126 com 4 repeaters

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