Sistemas Automáticos ticos de Medida

Sistemas Automáticos ticos de Medida Comunicação entre Sistemas (Capítulo 4) Helena Geirinhas Ramos hgramos@lx.it.pt 1 Conceitos e Definições Transmissão: Analógica comunicação entre equipamentos analógicos Digital comunicação entre um instrumento digital e outro equipamento também digital 2 1

Transmissão analógica transmissão de um sinal de tensão analógico (por exemplo, a saída de amplificador de instrumentação); transmissão de uma corrente analógica, por exemplo de 4 a 20 ma. Limitações: um sinal de tensão está limitado a 30 metros e nos sinais de corrente o limite é de 3000 metros; um sinal analógico degrada-se com o ruído (sinais de interferência); para utilizar PCs para processar ou apresentar resultados (ou memórias para guardar os resultados da medição) é necessário converter os sinais analógicos em digitais. 3 Transmissão Digital imunidade ao ruído: a maior imunidade ao ruído permite ultrapassar as limitações de distância que ocorrem na transmissão analógica; implica também uma menor probabilidade de erro na transmissão e a possibilidade de utilização de meios de transmissão de pior qualidade; nível de eficiência: existindo formas de controlar os erros e permitindo que os dados sejam transmitidos com um formato compatível com o equipamento que recebe, os níveis de eficiência tornam-se elevados; custo: uma vez que os custos associados com os circuitos digitais têm vindo decrescer o custo da transmissão digital têm vindo a igualmente a decrescer; armazenamento digital que possibilita a retransmissão 4 2

Transmissão de dados A transmissão de dados ocorre entre um emissor e um receptor. Transmissão: Guiada (por exemplo, com cabos) Não guiada (por exemplo, por feixes hertezianos) Este é o nível físico. Por vezes ignorado pois os níveis superiores tornam-no ignorado... 5 Transmissão Série S e Paralelo Transmissão série utiliza somente um par de fios e transmitindo cada octeto (8 bits), que constitui a unidade de informação a transmitir, um bit de cada vez usando intervalos de tempo fixos. Transmissão paralelo utiliza n linhas para transmitir os bits que constituem a palavra simultaneamente num ciclo dados controlo periférico D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 periférico (a) controlo (b) 6 3

Configurações da linha As três características que permitem distinguir as várias configurações da linha, são: Topologia ou modo de ligação Duplexidade ou modo de transmissão Disciplina da linha (quem faz o quê e quando) 7 Topologia Arranjo das estações na comunicação Ponto-a-ponto Transmissor Receptor Meio de transmissão Amplificador v Repetidor Meio de transmissão Transmissor Receptor Multiponto Transmissor Receptor... Transmissor Receptor Transmissor Receptor... Transmissor Receptor Meio de transmissão Amplificador v Repetidor Meio de transmissão 8 4

Duplexidade: : Formas de Transmissão Refere-se à direcção e tempo do fluxo da comunicação Simplex os dados são transmitidos apenas num sentido. transmissão a dois fios do dispositivo A para o dispositivo B e na qual o dispositivo B não é capaz de transmitir para o A Half-duplex : dois equipamentos interligados trocam informação alternadamente. Pode funcionar com dois ou quatro fios. Duplex a informação transmitida pelos equipamentos interligados pode ser feita simultaneamente nas duas direcções. Pode ser realizada com dois ou quatro fios utilizando técnicas de modulação 9 Disciplina na linha (i) É necessária disciplina no uso do canal de comunicação. Exemplo: considere-se uma ligação ponto a ponto em que uma estação quer iniciar uma troca com outra. O estabelecimento da comunicação começa pela inquisição feita pelo emissor ao receptor da sua disponibilidade para receber informação. Esta inquisição corresponde, por exemplo, ao envio do símbolo de controlo (ENQ= 0000 0101). O receptor (estação 2) responde: com um ACK = 0000 0110 se estiver pronta e com um NACK = 0001 0101 no caso contrário. Para que os dois funcionem correctamente, é aconselhável a construção de fluxogramas de estado. 10 5

Disciplina na linha (ii( ii) ESTAÇÃO 1 ESTAÇÃO 2 EMISSOR RECEPTOR A estação 2 está preparada para receber dados? (ENQ?) Não NACK A estação 1 interrogou? Não NACK Sim ACK Sim ACK Transmite bloco Acusa ponto de dados (frame) (READY) Novo bloco Dados recebidos? Não Recebe bloco de dados Sim ACK NACK Acusa não recepção Acusa recepção Último bloco? Não (EOF?) NACK Sim Não NACK Dados recebidos? Sim ACK ACK Fim da comunicação 11 Controlo da comunicação Existem típicamente três fases distintas: Estabelecimento - que determina qual das estações transmite e qual (ou quais) recebe(m) Transmissão de dados Terminação 12 6

Interface e Protocolo (i) Interface: conjunto de equipamentos e programas que possibilitam a comunicação A comunicação distingue-se da transmissão na medida em que implica que o receptor receba e interprete correctamente a informação transmitida pelo emissor. Eu estou a transmitir mas, será que estou a comunicar? 13 Interface e Protocolo (ii) Para que dois sistemas comuniquem entre si é necessário um protocolo. Um protocolo é o conjunto de regras, previamente acordadas, que actuam a vários níveis governando a interacção entre os dois sistemas. A necessidade de equipamentos de diferentes fabricantes comunicarem tem levado à definição de normas de protocolos. 14 7

Protocolo (i) Aspectos definidos num protocolo: sinais eléctricos utilizados: tensão ou corrente, amplitudes, valores de crescimento,... características mecânicas: fichas, cabos, número de linhas,... código de representação da informação; dialogo (em inglês, handshaking) gestão da informação: endereçamento, conflitos,... detecção e correcção de erros. 15 Protocolo (ii( ii) Conjunto de regras que governam a troca de informação entre as duas entidades. Aspectos considerados: Sintaxe que inclui por exemplo: formato da informação, níveis do sinal Semântica que inclui o controlo da transmissão e o tratamento de erros Sincronização: ritmos e sequência 16 8

Protocolo (iii( iii) Camada física: Sinais eléctricos (V ou I, Níveis...) Características mecânicas (fichas, cabos...) Camada de empacotamento de dados - data link layer: Código de representação da informação Sinalização de diálogo (handshaking) Gestão da comunicação (Endereçamento; encaminhamento; gestão de conflitos) Detecção e correcção de erros 17 Codificação de sinais 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 NRZ-L NRZ-M NRZ-S RZ Bifásico-L (Manchester) Bifásico-M Bifásico-S Manchester diferencial Modulação atrasada Bipolar 18 9

Codificação de sinais (i) NRZ (Não Retorno a Zero Non Return to Zero) Durante o intervalo da tempo correspondente a um bit, a tensão mantêm-se constante NRZ-L: cada valor do bit corresponde a um valor de tensão NRZ-M: o nível n de tensão varia sempre que ocorre o bit 1 (mark( mark) NRZ-S: o nível n de tensão varia sempre que ocorre o bit 0 (space( space) 19 Codificação de sinais (ii) NRZ (Não Retorno a Zero) Durante o intervalo da tempo correspondente a um bit, a tensão mantêm-se constante. Vantagens: Os sinais diferenciais são mais imunes ao ruído. É mais fácil detectar uma transição Concretizações simples Desvantagens: Não permitem a sincronização (recuperação do relógio) O valor médio da tensão é diferente de zero (a componente contínua não permite acoplamento/isolamento com um transformador) 20 10

Codificação de sinais (iii( iii) RZ (Retorno a Zero) Na 2ª metade do intervalo da tempo correspondente a um bit, a tensão retoma o valor zero. Vantagens e desvantagens: As mesmas que para as codificações NRZ. Ritmo de dados Ritmo de modulação 21 Codificação de sinais (iv) Bifásica Característica fundamental: existe sempre uma transição no valor da tensão por cada bit Bifásico sico-l: 0=0,1 1=1,0 Bifásico sico-m: troca inicial 0=não troca no meio 1=troca no meio Bifásico sico-s: troca inicial 0=troca no meio 1=não troca no meio Man.Diferen: 1=troca entre 0,1 e 1,0 0=repete símbolo s anterior 22 11

Codificação de sinais (v) Bifásica Característica fundamental: existe sempre uma transição no valor da tensão por cada bit. Vantagens e desvantagens: Códigos autoritmados. Permitem a sincronização pois há uma transição previsível durante cada intervalo de bit. Não têm componente contínua. Permitem acoplamento com transformador de isolamento. Detecção de erro: a ausência de uma transição esperada pode ser usada para detectar erros. A transmissão necessita uma largura de banda dupla da NRZ. 23 Codificação de sinais (vi) Modulação atrasada (código de Miller) - 0 se próximo é 0 troca valor; caso contrário mantêm-se - 1 troca no meio do bit Vantagens e desvantagens: As mesmas que para as codificações Bifásicas Há menos uma transição por cada dois bits o que implica uma menor largura de banda que nas transmissões com códigos Bifásicos. 24 12

Codificação de sinais (vii) Binária multivariavel Exige três níveis de tensão. Vantagens e desvantagens: Permite distinguir duma forma simples a ausência de comunicação. Maior complexidade nos circuitos quer no emissor quer no receptor. 25 Sinalização ou diálogo - handshaking As acções dependem das configurações da linha. Exemplo: comunicação ponto-a-ponto, half-duplex: Para uma comunicação multiponto é necessário endereçar o receptor. Isto já é gestão da comunicação 26 13

Controlo dos erros: detecção e correcção Detecção de erros: Bit de paridade - vertical redudancy check (VRC) Verificação da soma longitudinal redudancy check (LRC) Cíclica - cyclic redudancy check (CRC) Correcção de erros (ARQ): Para e espera - stop & wait Volta para trás - go back Repetição selectiva - selective repeat 27 Detecção de erros (i) Bit de paridade (VRC) Verificação da soma - check sum (LRC) 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 VRC par - verificação vertical de redundância LRC par verificação horizontal de redundância 28 14

Detecção de erros (ii( ii) Verificação Cíclica de Redundância (CRC): - Dada uma mensagem de k-bit, o transmissor gera uma mensagem de n-bit, designada sequência de verificação da estrutura (FCS, Frame Check Sequence) por forma que a estrutura resultante de k+n bit seja divisível por um nº pré definido. - O receptor divide a estrutura que lhe chega pelo nº pré definido e verifica o resto. Se este for nulo, então conclui que não houve erro na transmissão. Exemplo: Mensagem: M (10 bit) = 1010001101 Divisor: P (6 bit) = 110101 FCS (5 bit) a ser calculado FCS+k=T pretende-se que T/P tenha resto 0 29 Correcção de erros (i) Pedido automático de repetição Automatic Repeat Request (ARQ): Para e Espera (Stop & Wait): cada bloco de dados enviado deve ser confirmado antes do envio do seguinte (ACK e NACK) Desvantagens: O bloco enviado pode estar tão corrompido que não chega ao receptor. Posto A envia um bloco que é recebido correctamente em B => B responde ACK. Este ACK não é recebido por A => A reenvia o mesmo bloco. Este duplicado é novamente recebido em B. 30 15

Correcção de erros (ii( ii) Repita a pertir do N (Go back) Esta técnica baseia-se em: ACK # bloco: todos os blocos até N foram correctamente recebidos NACK # bloco: bloco N com erro; reenvie de toda a informação a partir do bloco N. A confirmação não é feita bloco a bloco. 31 Correcção de erros (iii( iii) Repetição selectiva (Selective Repeat) Só são retransmitidos os blocos não confirmados Vantagem: Maior eficiência na comunicação Desvantagem: É necessário que o receptor retenha os blocos posteriores correctamente recebidos e disponha de capacidade lógica para inserir o bloco retransmitido na sua posição; O emissor necessita ter lógica que permita o envio de blocos fora da sua sequência normal 32 16

Sincronização Interfaces assíncronas ou de sincronização livre: possuem um ritmo de transmissão que não é constante. Ex: RS232; IEEE 488 Interfaces síncronas: usam um relógio que controla a temporização de cada caracter num bloco de caracteres. Ex: Envio de blocos de dados Sincronização: Bit Palavra ou caracter bloco 33 Transmissão Assíncrona Baixo ritmo Ex: teclado ou rato Série ou paralelo Ex: RS232; IEEE 488 Sincronização: stop-start bits Cada conjunto de valores (designada por trama (frame) seja precedido de um Start bit e termina com um Stop bit. O receptor sabe quais os valores transmitidos e pode lê-los; o receptor também foi avisado do número de bits que constitui a trama. Os bits que chegam são contados e após a contagem do número exacto de bits, o dispositivo verifica se existe o Stop bit. Se o Stop bit não for detectado então há uma ocorrência de erro. 34 17

Transmissão Síncrona S (i) Os relógios do emissor e do receptor devem ser sincronizados. A sincronização entre o emissor e o(s) receptor(es), pode ser feita através: Uma linha que difunde o ritmo (Clock) pelos vários postos. Incluir a informação de relógio no sinal transmitido. Com este método, o relógio de amostragem do receptor deve ser extraído do fluxo de dados utilizando para o efeito um circuito de extracção. 35 Transmissão Síncrona S (ii( ii) A transmissão de dados sincronamente pode ser: Orientada por caracteres: o bloco de dados é tratado como uma sequência de caracteres (normalmente caracteres de 8 bits) transmitidos duma forma contínua, sem atrasos entre eles. O controlo é feito por caracteres. Exemplos: BISYNC binary synchronous protocol DDCMP digital data communications message protocol 36 18

Transmissão Síncrona S (iii) A transmissão de dados sincronamente pode ser: Orientada por bits: o bloco de dados é tratado como uma sequência de bits. O preâmbulo é um conjunto de bits e designa-se bandeira (flag ou Frame Syn Sequence). A mesma bandeira é usada para fim do bloco de dados. Exemplo: HDLC high-level data link control 37 Orientada por Caracteres Cada caracter de sincronismo, SYN, é um conjunto padrão único de bits, que assinala ao receptor que é o início dum bloco de dados. Pode existir um padrão também único para assinalar o fim do bloco ou incluir o comprimento da trama como parte da informação de controlo. O receptor é alertado para o início de um bloco de dados quando recebe os caracteres SYN e aceita os dados até ver o fim dos blocos de dados. Depois o receptor procura um novo SYN. 38 19

Orientada por Bits (i) O receptor procura a ocorrência de um padrão, flag, para iniciar o início da trama. Depois segue um conjunto de campos de controlo, um campo de dados de comprimento variável, e novamente a bandeira do início é repetida. É necessário garantir que a sequência da flag não está presente nos dados transmitidos. Isto consegue-se usando a técnica designada por enchimento de bits ou inserção do bit zero (zero bit insertion ou bit stuffing). 39 Orientada por Bits (Zero Bit Insertion) Exemplo: - Bandeira de abertura e de fecho (01111110) - Sempre que haja uma sequência de 5 dígitos binários 1 e insere automaticamente um bit binário 0 adicional. - Assim, a sequência da bandeira 01111110 nunca pode ser transmitida entre as bandeiras de abertura e de fecho - O receptor, depois de detectar a bandeira de abertura, monitoriza os bits que estão entrando e sempre que encontra uma sequência de um bit binário 0 seguido de cinco bits binários 1s contínuos, retira-o do conteúdo da trama. 40 20

Extracção do Ritmo a Partir do Código C (i) Códigos bipolares 1 0 0 1 1 1 0 1 Conjunto de dados a serem transmitidos Código bipolar Relógio extraído (a) Conjunto de bits recebidos 41 Extracção do Ritmo a Partir do Código C (ii) Códigos bifásicos 1 0 0 1 1 1 0 1 Conjunto de dados a serem transmitidos Código de fase ou de Manchester Relógio extraído (b) Conjunto de bits recebidos 42 21

Extracção do Ritmo a Partir do Código C (iii) Códigos NRZ 1 0 0 1 1 1 0 1 Conjunto de dados a serem transmitidos Código NRZ (c) Código NRZI Muito mais complicado! 43 Bit Stuffing Ou positive justification Inserção de bits que não correspondem a informação Para a sincronização isto serve para eliminar um número elevado de bits consecutivos iguais Esta situação só tem aplicação em códigos NRZ No final da sequência de dados, vai uma estrutura indicando onde foram introduzidos bits de stuffing para que o receptor os possa eliminar da mensagem 44 22

Arquitectura da comunicação (i) Quando dois equipamentos estabelecem uma comunicação são muitas as tarefas a executar: 1. O emissor deve activar um caminho para a comunicação ou informar a rede de comunicação da identidade do receptor 2. O emissor deve assegurar que o receptor está preparado para receber os dados 3. A aplicação do emissor que promove a transferência deve-se assegurar que o programa de gestão do receptor pode receber e guardar os dados 4. Se os formatos nos dois equipamentos são incompatíveis, o emissor ou o receptor deve efectuar a formatação. Há uma cooperação entre os dois equipamentos. Envolve: protocolo e arquitectura. 45 Arquitectura da comunicação (ii( ii) Elementos chave dos protocolos: sintaxe, semântica e sincronização. O modelo da arquitectura da comunicação permite estruturar os protocolos por camadas. Isto é, os protocolos são desenvolvidos para realizar as funções das camadas respectivas. Não existe um protocolo único. 46 23

Modelo OSI (i) Em 1978, a International Organization for Standardization (ISO) criou a norma ISO 7498, que estabelece o primeiro modelo para a arquitectura da comunicação. O modelo, designado por Open Systems Interconnect (OSI), define as tarefas necessárias para estabelecer a interligação subdividindo-a em camadas, layers, com funções bem definidas. Cada camada foi desenhada independentemente das camadas vizinhas para que cada camada possa ser modificada sem afectar a operação das restantes. 47 Modelo OSI (ii) 48 24

Modelo OSI (iii) 1. Camada Física F (Physical( Layer): A camada física f corresponde à ligação física f entre os diversos nós n s da rede. A transmissão dos sinais lógicos, l a formatação dos dados, a modulação e desmodulação do sinal e as interfaces mecânica e eléctrica, são da responsabilidade desta camada. 49 Modelo OSI (iv) 2. Camada de Empacotamento de Dados (Data Link Layer): Esta camada funciona como uma blindagem, separando as camadas superiores das características do meio físico f onde se processa a transmissão e providencia uma interligação com fiabilidade e sem erros. Ou seja, esta camada é responsável por passar para a Camada Física F os bits para serem transmitidos depois de os ter organizado, por exemplo, em pacotes ou tramas, e/ou com bits adicionais utilizados para a detecção de erros. Na recepção, esta Camada junta os pacotes recebidos na sequência correcta antes de os passar à camada seguinte 50 25

Modelo OSI (v) 3. Camada de Rede (Network( Layer): Providencia uma transmissão dos dados transparente da Camada de Transporte dum sistema para a Camada de Transporte do outro sistema. Determina a forma como os dados são transmitidos (protocolo, endereçamento, routing) 4. Camada de Transporte (Transport( Layer): Providencia as funções necessárias para ultrapassar as falhas entre a camada de rede e as camadas superiores. Complementa a rede para assegurar a qualidade de serviço o das camadas superiores. 51 Modelo OSI (vi) 5. Camada de Sessão (Session( Layer): Estabelece a ligação, termina- a e mantem a comunicação entre os dois sistemas. Por exemplo, permite que duas aplicações comuniquem através s da rede e executa funções de reconhecimento da identificação, segurança, a, administração etc 6. Camada de Apresentação (Presentation Layer): Identifica e estabelece o sistema comum a ser utilizado pelas duas aplicações para comunicarem 7. Camada de Aplicação (Application( Layer): Esta é a camada que comunica com o sistema operativo ou com a aplicação 52 26

TCP/IP (i) Desenvolvido pela ARPA (Advanced( Research Projects Agency) ) do DoD (Department( of Defense) As definições estão em documentos designados por RFCs (Request For Comments) disponíveis gratuitamente 53 TCP/IP (ii) IP Internet Protocol Mecanismo básico de entrega de pacotes de dados entre todos os sistemas na internet Independentemente da sua localização Utiliza um endereço único para cada elemento Método bastante simples (send and forget) Não garante entrega Não garante integridade Não garante ordem de chegada Não garante que chegue só uma cópia 54 27

TCP/IP (iii) TCP Transmission Control Protocol Garante uma transferência de dados fiável (byte stream) entre dois pontos da rede Usa o IP Responsável por evitar dados perdidos e dados corrompidos Responsável por inclusão de números de ordem nos pacotes, controlo de erros (CRC), re-ordenação dos pacotes e envio ao emissor de ACKs 55 TCP/IP (iv) UDP User Datagram Protocol Transferência de dados não fiável entre dois pontos da rede Usa o IP Não garante a entrega dos pacotes, não garante a ordem de entrega dos pacotes, não garante cópia única dos pacotes Garante integridade dos dados (CRC) 56 28

TCP/IP (v) 57 TCP/IP vs OSI (ii) Não é possível mapear directamente o TCP/IP nas camadas OSI TCP/IP é um grupo de protocolos que trabalham em conjunto para permitir equipamento (hardware) e aplicações (software) executarem determinadas funções A camada IP fica mais perto da camada de rede (3) A camada TCP fica mais perto da camada de transporte (4) 58 29

TCP/IP vs OSI (ii) Camada 1: Network Interface (Combina as camadas Physical e Data do OSI) e routes os dados entre os equipamentos da mesma rede. Faz a gestão da troca de dados com outros equipamentos. Camada 2: Internet (Network layer no OSI). The Internet Protocol (IP) usa o endereço IP (constítuido pelo Network Identifier e Host Identifier), para identificar o receptor. Camada 3: Transport (OSI Transport layer), onde se encontra o protocolo que controla a transmissão, Transport Control Protocol (TCP). TCP pergunta ao receptor se quer aceitar informação. Camada 4: Application - Combina as camadas Session, Presentation e Application do modelo OSI. Protocols para funções específicas estão aqui. Exemplo: email (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP) e transferência de ficheiros (File Transfer Protocol, FTP). 59 30