Modelos de Redes em Camadas

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1 Modelos de Redes em Camadas Prof. Gil Pinheiro 1

2 1. Arquitetura de Sistemas de Automação Sistemas Centralizados Sistemas Distribuídos Sistemas Baseados em Redes Arquitetura Cliente-Servidor 2

3 Sistemas Centralizados Apenas uma CPU central (custo elevado) Processamento centralizado Software monolítico Menor confiabilidade Escalabilidade ruim Exemplo: DDC (Direct Digital Control) 3

4 Sistemas Distribuídos Diversas CPUs operam cooperativamente Processamento distribuído Controle efetuado nos controladores Maior confiabilidade Boa escalabilidade Requer comunicação entre CPUs Exemplo: SDCD 4

5 Arquitetura Cliente-Servidor Cliente Processo Cliente Servidor Processo Servidor Requisição Rede Resposta 5

6 Arquitetura Cliente-Servidor Tarefas específicas e mais pesadas são executadas no servidor Servidor atende a vários clientes Clientes podem ser mais simples (pequenas CPUs, aplicações mais leves) Servidores redundantes para aumentar confiabilidade A comunicação é iniciada e terminada pelo cliente 6

7 Exemplo 1: Cliente-Servidor WEB Cliente: software navegador (browser) Servidor: WEB-Server com conexão a um CLP que recebe sinais de sensores WEB Server CLP Rede Internet Cliente 1 Cliente 2 Cliente 3 7

8 Exemplo 1: Detalhe do Cliente e Servidor WEB [5] CLIENTE SERVIDOR INTERNET Formulário HTML Dados do Formulário Servidor HTTP Aplicativo CGI Página HTML CLP EIA-232 8

9 Arquitetura Cliente-Servidor Vantagens: Clientes podem ser CPUs mais simples Suporte a vários clientes (viabiliza redundância de IHM) Software no cliente mais simples e mais leve Consistência de informações entre os clientes 9

10 Arquitetura Cliente-Servidor Desvantagens: Muitas conexões clientes podem sobrecarregar servidor Comunicação do servidor com a camada inferior (camada de controle) pode ser gargalo quando há vários clientes conectados Servidor deve ser CPU de alto desempenho (veloz, com muita memória) Necessita solução de redundância para aumentar confiabilidade, com chaveamento rápido entre CPUs 10

11 2. A Comunicação de Dados 11

12 2. A Comunicação de Dados O que é Comunicação de Dados? A Comunicação de Dados em Escritórios e na Indústria Conceitos de Protocolos Modelo em Camadas 12

13 A Comunicação dos Sistemas 0,1 m Placa Eletrônica Barramento Interno CLP 1 m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km 1000 km km Sistema Sala Prédio Campus Cidade Nação Continente Planeta Multicomputador MAN LAN WAN Internet 13

14 O que é Comunicação de Dados? Transmissão eletrônica de informação entre computadores, controladores ou outros dispositivos eletrônicos Há muitas aplicações da transmissão de dados em escritórios e na indústria (sistemas de produção de chão de fábrica) 14

15 Comunicação de Dados em Escritórios Conexão de um PC a um computador (Host) via emulação de terminal Redes Locais (LANs) Comunicação com periféricos de computadores (impressora, scanner, modems, etc) Internet e redes WAN (Wide Area Network) 15

16 Redes de Escritórios Estação Rede Internet Estação Estação Mainframe Estação Servidor 16

17 Redes de Automação Industrial Ethernet Ethernet H1 As-I/DeviceNet/DP/etc 17

18 Redes de Escritório e Automação Requisitos Comuns das Redes de Escritório e de Automação Industrial Performance adequada Segurança em diversos níveis Custo adequado Baseada em padrões Confiabilidade na comunicação Facilidade de acesso Facilidade de utilização 18

19 Redes de Automação Requisitos Específicos de Redes Industriais Desempenho previsível Disponibilidade muito alta Operação em ambientes hostis Escalabilidade Facilidade de operação Facilidade de manutenção (mesmo por não especialistas em redes) Alimentação de dispositivos pela rede Algumas Redes de Automação usam adaptações de soluções de redes convencionais (Exemplo: IEC ) 19

20 O que São Protocolos? Protocolos são um conjunto de regras (padronizadas) que determinam como dois dispositivos vão se comunicar Existem várias tarefas que um protocolo deve tratar, entre elas: Detecção e correção de erros Roteamento de mensagens Criptografia e segurança Níveis de sinal entre dispositivos consistentes Endereçamento de rede 20

21 Existem Inúmeros Protocolos IEEE TCP/IP SMTP FTP HTTP SNMP IEEE HDLC MODBUS DEVICENET PROFIBUS ASI EIA-485 EIA-232 FOUNDATION FIELDBUS 21

22 Protocolos em Camadas Para organizar os protocolos e entender como ocorrem as interações entre diversos protocolos, foi criada uma arrumação em camadas Protocolos com atribuições comuns pertencem à mesma camada Exemplo: todos os protocolos que lidam com características físicas de um sinal (tensão, freqüência, tipo de cabo, conector) são agrupados na mesma camada 22

23 Modelo de Protocolo 23

24 3. O Modelo de Referência ISO/OSI 24

25 3. O Modelo de Referência ISO/OSI Introdução ao Modelo ISO/OSI Camada Física Camada de Enlace Camada de Rede Camada de Transporte Camada de Sessão Camada de Apresentação Camada de Aplicação 25

26 O Modelo de Referência ISO/OSI Em 1977, a Organização Internacional para Padronização (ISO) propôs um modelo de referência de 7 camadas para organizar os protocolos de comunicação É chamado de Modelo de Referência para Interconexão de Sistemas Abertos (OSI/RM) 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 Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física 26

27 O Modelo de Referência ISO/OSI Camada ISO/OSI Aplicação Protocolo de Aplicação Aplicação Unidade transferida entre as Camadas 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 27

28 Exemplo: Comunicação entre Camadas ISO/OSI 28

29 A Camada Física Os protocolos dessa camada definem padrões físicos e aspectos elétricos dos sinais, tais como: Freqüências Modulação Tensões Topologias Conectores Cabos É o aspecto mais importante em termos dos diagnósticos e da operação de uma rede (80 % dos problemas em redes industriais ocorrem na Camada Física) Exemplos: EIA-232, EIA-485, Ethernet Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física 29

30 A Camada de Enlace 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 Exemplos: HDLC, HART, Foundation Fieldbus Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física 30

31 A Camada de Rede A camada de rede lida com o roteamento das mensagens através de uma rede complexa Busca a melhor rota através da rede e também lida com restrições de enlaces e enlaces defeituosos. A camada IP do TCP/IP é um exemplo de protocolo de camadas de rede Outro exemplo é a camada IPX da rede Novell Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física 31

32 A Camada de Transporte A camada de Transporte estabelece uma conexão confiável fim-a fim entre dois nós. Embutindo os detalhes das camadas física, de enlace e de rede A camada de Transporte ordena os pacotes recebidos através da rede A camadas TCP e UDP do TCP/IP são exemplos de protocolos de camada de Transporte Outro exemplo é o protocolo NetBEUI (MS- Windows) Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física 32

33 A Camada de Sessão A camada de Sessão estabelece um diálogo, chamado 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 33

34 A Camada de Apresentação A camada de Apresentação lida com formatos de dados, criptografia e segurança Por exemplo, a camada de apresentação pode converter um dados inteiro de um CLP num formato ponto flutuante num SDCD O protocolo ASN.1 (Abstract Syntax Notation) é utilizado pelo Foundation Fieldbus Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física 34

35 A Camada de Aplicação São os protocolos específicos para aplicações de rede tais como: e- mail, transferência de arquivos, OPC, ler registros num CLP Não inclui a aplicação do usuário (p.ex: editor de texto, MS-Windows, Linux), mas apenas os serviços de comunicação Exemplo: SMTP, HTTP, MODBUS, HART Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física 35

36 Problemas do Modelo OSI As especificações OSI definem apenas o que fazer, mas não definem como fazer Assim, protocolos que são OSI compatíveis não necessariamente se comunicam É um 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 36

37 Por Que 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-asalto (hop-by-hop). Camadas de transporte e de rede -- 5 Camadas de sessão e apresentação sem tanta importância, normalmente ignoradas São necessárias no mínimo 5 e no máximo 7 (excessivo) camadas 37

38 Exemplo 1: Protocolos MODBUS 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 EIA-232/485, Wireless HDLC EIA-485 / Fibra ótica Ethernet Ethernet Controle de acesso, verif. de erros, endereçamento Padrões de cabeamento, elétrico, modulação 38

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