Modelos de Redes em
Camadas
Prof. Gil Pinheiro
GIL PINHEIRO
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1. Arquitetura de Sistemas de Automação
•
•
•
•
Sistemas Centralizados
Sistemas Distribuídos
Sistemas Baseados em Redes
Arquitetura Cliente-Servidor
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Sistemas Centralizados
• Apenas uma CPU central (custo
elevado)
• Processamento centralizado
• Software monolítico
• Menor confiabilidade
• Escalabilidade ruim
• Exemplo: DDC (Direct Digital Control)
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Sistemas Distribuídos
•
•
•
•
•
•
•
Diversas CPUs operam cooperativamente
Processamento distribuído
Controle efetuado nos controladores
Maior confiabilidade
Boa escalabilidade
Requer comunicação entre CPUs
Exemplo: SDCD
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Arquitetura Cliente-Servidor
Cliente
Processo
Cliente
Requisição
Servidor
Processo
Servidor
Rede
Resposta
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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
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Exemplo 1: Cliente-Servidor WEB
• Cliente: software navegador (browser)
• Servidor: WEB-Server com conexão a um
CLP que recebe sinais de sensores
WEB
Server
Rede
Internet
Cliente 1
CLP
Cliente 2
Cliente 3
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Exemplo 1: Detalhe do Cliente e
Servidor WEB [5]
CLIENTE
SERVIDOR
INTERNET
Formulário
HTML
Dados do Formulário
Servidor
HTTP
Aplicativo
CGI
Página
HTML
EIA-232
CLP
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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
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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
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2. A Comunicação de Dados
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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
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A Comunicação dos Sistemas
0,1 m
1m
10 m
100 m
1 km
10 km
100 km
1000 km
10.000 km
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Placa Eletrônica
Sistema
Sala
Prédio
Campus
Cidade
Nação
Continente
Planeta
Barramento Interno CLP
Multicomputador
LAN
MAN
WAN
Internet
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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)
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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)
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Redes de Escritórios
Estação
Rede Internet
Estação
Estação
Mainframe
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Estação
Servidor
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Redes de Automação Industrial
Ethernet
Ethernet
H1
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As-I/DeviceNet/DP/etc
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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
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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: IEC61850)
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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
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Existem Inúmeros Protocolos
•
•
•
•
•
•
•
•
IEEE 802.3
TCP/IP
SMTP
FTP
HTTP
SNMP
IEEE 802.11
HDLC
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•
•
•
•
•
•
•
MODBUS
DEVICENET
PROFIBUS
ASI
EIA-485
EIA-232
FOUNDATION
FIELDBUS
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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
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Modelo de Protocolo
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23
3. O Modelo de Referência
ISO/OSI
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24
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
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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
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Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
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O Modelo de Referência ISO/OSI
Unidade transferida
entre as Camadas
Camada ISO/OSI
Aplicação
Protocolo de Aplicação
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
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Exemplo: Comunicação entre
Camadas ISO/OSI
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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
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Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
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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
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Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
30
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
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Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
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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 (MSWindows)
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Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
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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
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Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
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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
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Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
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A Camada de Aplicação
• São os protocolos específicos para
aplicações de rede tais como: email, 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
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Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
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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
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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
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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
Proprietário
IP
RTU
HDLC
Ethernet
EIA-232/485,
Wireless
EIA-485 /
Fibra ótica
Ethernet
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Transporte via TCP
Roteamento em redes complexas
Controle de acesso, verif. de erros,
endereçamento
Padrões de cabeamento, elétrico,
modulação
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