Curso sobre Controladores Lógicos Programables

Curso sobre Controladores Lógicos
Programables (PLC).
Por Ing. Norberto Molinari.
Entrega Nº 23.
Capitulo 5.
Redes Digitales de Datos en Sistemas de
Control de Procesos
5.2 El modelo ISO / OSI
El esquema de comunicaciones que hemos presentado hasta ahora (maestro - esclavo)
nos permite apreciar la cantidad de aspectos a considerar en una comunicación digital,
en una aplicación industrial.
Este problema se hacía evidente ya en los años '60, cuando el concepto de red de
computadoras comenzó a difundirse en los sistemas administrativos.
Veamos como evolucionaron las comunicaciones digitales, hasta la definición del
modelo ISO / OSI de comunicaciones.
Definiremos como Red de Computadoras a un conjunto interconectado de
computadoras, que pueden intercambiar información a través de algún medio físico.
En principio, este concepto se aplicó a grandes computadores, a los que se accedía por
medio de redes telefónicas ya través de grandes distancias.
Este concepto recibió el nombre de Red Global (Wide Area Network, WAN).
Estas redes se caracterizan por velocidades de 300 baudios al Mbaudio {1 Mega baudio
= 1.000.000 baudios), alcance mundial, y se destacan por el hecho de que la
administración de la red es responsabilidad de compañías especializadas, que cobran
este servicio.
Un ejemplo de red WAN en nuestro país es la red ARPAC, administrada por la firma
Startel.
En los años '70 el reemplazo de grandes computadores por conjuntos de computadoras
generó el concepto de Red Local (Local Area Network, LAN).
La LAN está limitada a menores distancias (del orden de algunos kilómetros),
velocidades de 1 Mbaudio a 10 Mbaudios; y su administración es responsabilidad de
la compañía usuaria. La aparición de las PC en los años '80 dio nuevo impulso a esta
tecnología
La necesidad de comunicar entre sí a una variedad de computadoras fue reconocida por
los proveedores, que ofrecieron soluciones integrales, pero propietarias.
De éste modo, los usuarios que poseían sistemas de diversos proveedores seguían en
problemas; ya que no podían integrarlos en una única red. Era necesaria una red que
permita la comunicación sencilla y eficiente entre computadoras de distintos
proveedores.
En 1977 la Organización Internacional de Normalización (International
Standards Organization, ISO) dio los primeros pasos para desarrollar la arquitectura
de esta red. A medida que avanzaban los estudios, se vio la conveniencia de dividir los
aspectos relacionados con comunicaciones en 7 capas, cada una con una función
definida (Fig. 5.16). El modelo desarrollado por la ISO es conocido como
Interconexión de Sistemas Abiertos (Open System Interconnection, OSI).
Cada una de las 7 capas maneja problemas distintos, algunos de los cuales hemos
descrito al presentar el esquema maestro - esclavo. Es importante destacar que este
modelo define una estructura de comunicaciones con funciones determinadas, pero no
establece cómo esas funciones son cumplidas.
Por lo tanto, un protocolo que respete el modelo ISO / OSI respetará la división en 7
capas de sus funciones, pero esto no significa necesariamente que la especificación de
cada capa esté disponible a quién la requiera.
Presentaremos a continuación la función de cada una de las capas. Esta breve
presentación busca señalar las funciones básicas de cada nivel, mientras que serán
ejemplificadas en la sección 5.8. cuando se presenten distintos protocolos.
5.2.1. Nivel1: Físico (Physical Layer)
El nivel físico define las características mecánicas, eléctricas y funcionales para
establecer y liberar conexiones físicas, que permiten transmitir bits entre extremos de
un medio físico.
Se entiende por características mecánicas a la forma y tamaño de los conectores,
cantidad de circuitos, y detalles del medio físico. Algunas características eléctricas son
los niveles de tensión utilizados para representar las señales lógicas, impedancia de los
conductores, etc.
Entre las características funcionales encontramos la velocidad de transmisión y la
función de cada circuito.
La capa física determina la topología (forma de conexión entre estaciones) y el medio
físico.
En la sección 5.3. describiremos algunas topologías ampliamente difundidas, mientras
que en la sección 5.4 describiremos medios físicos usuales.
Su diseño debe asegurar que cuando se envía una señal lógica ( 1 ó O) por un extremo
del medio físico, se la obtenga sin errores en el otro extremo.
Un ejemplo clásico de nivel físico es la norma RS-232, que ya fue descripta.
5.2.2 Nivel 2: Enlace (Data Link Layer)
Mientras que la capa física transmite una sucesión de ceros y unos, la capa de enlace
debe asegurar el envío y recepción de tramas entre estaciones.
Dentro de la capa de enlace hay dos subcapas: la de Control de Acceso al Medio
(Media Access Control, MAC), y la de Control Lógico de Línea (Line Logical
Control LLC).
La función de Control de Acceso al Medio (MAC) es definir el procedimiento por el
cual varias estaciones acceden al uso de un medio físico compartido, sin que se
produzcan interferencias entre ellas. Existen para ello varios métodos, algunos de los
cuales son:
•
•
•
•
Maestro - Esclavo
Paso de testigo en bus
Paso de testigo en anillo
Acceso múltiple con detección de portadora y colisiones
El método maestro - esclavo ya fue descrito. Los otros tres métodos se describirán
mediante ejemplos en la sección 5.8.
El Control Lógico de Línea (LLC) establece los procedimientos para una transmisión
libre de errores, incluyendo el chequeo de tramas. Para ello implementa métodos como
el de Bit de paridad transversal y longitudinal, o un código de redundancia cíclico
(CRC). Adicionalmente incluye un servicio de transmisión y confirmación de recepción
de tramas, definiendo la relación que establecen las estaciones antes y después de enviar
la trama.
Figura 5.16 Modelo ISO / OSI de 7 capas.
Este servicio puede ser de alguno de los siguientes tipos:
Tipo 1: Sin conexión y sin reconocimiento: Las estaciones que intercambian
una trama no establecen una conexión previa anticipando el envío de la trama, es decir,
la estación emisora envía la trama sin anticipar esta acción a la estación receptora.
La estación receptora tampoco envía un mensaje confirmando la correcta recepción del
mensaje. Este servicio se conoce también como datagrama, y es usualmente
implementado en redes locales LAN.
Tipo 2: Con conexión y sin reconocimiento: En este caso la estación emisora anticipa
a la receptora que enviará una trama, luego la receptora confirma que está en
condiciones de recibir la trama, y recién entonces la trama es enviada.
Tipo 3: Sin conexión y con reconocimiento: No se establece una conexión
previa entre estaciones, pero si se envía un mensaje de reconocimiento.
El reconocimiento es la respuesta del destinatario para informar que los datos
enviados han sido correctamente recibidos.
5.2.3. Nivel 3: Red (Network Layer)
Esta capa agrega la información requerida para el manejo de los paquetes en una red
con múltiples caminos. En este caso, existe más de un camino posible para que un
mensaje vaya de una estación a otra. Por lo tanto, es necesario definir procedimientos
para seleccionar el camino que seguirá un mensaje, así como procedimientos para casos
de congestión en un camino.
Usualmente esta capa cumple una función muy importante en redes global es WAN,
incluyendo no sólo aspectos técnicos, sino también aspectos comerciales como la
administración del cobro de servicio. Recordemos que en las redes WAN el servicio es
usualmente administrado por empresas independientes de los usuarios.
5.2.4. Nive14: Transporte (Transport Layer)
El manejo de volúmenes de información de gran tamaño en un único mensaje es
inconveniente, ya que la detección de un error obliga a la retransmisión de todo el
mensaje. La división del mensaje en unidades llamadas paquetes es ventajosa,. ya que
permite la detección de errores en cadenas mas cortas de datos, facilitando y
disminuyendo la carga para el caso de que sea necesario el reenvío de un paquete.
Como desventaja, el uso de paquetes excesivamente chicos aumenta desmesuradamente
la cantidad de información de control con respecto a los datos que se desean transmitir.
Por lo tanto, el tamaño del paquete responde a una solución de compromiso.
La función de la capa de transporte es justamente dividir la información a transmitir en
paquetes, y asegurar su correcto ordenamiento. Esta función es crítica en una red global
WAN, en la que generalmente los paquetes llegan en forma desordenada.
5.2.5. Nivel 5: Sesión (Sessions Layer)
La capa de sesión establece los procedimientos para que dos. programas, residentes en
distintas computadoras, dialoguen entre SI. Uno de los servicios de la capa de sesión
consiste en el control del diálogo. Si consideramos que las computadoras pueden correr,
más de un programa, y que éstos pueden efectuar transacciones con otros procesos
residentes en otras máquinas, surge que entre dos máquinas puede haber más de una
sesión en forma simultánea.
5.2.6 Nivel 6: Presentación (Presentation Layer)
Prepara la información transmitida para su uso en el nivel de aplicación, efectuando las
interpretaciones y conversiones de datos requeridas. Estas conversiones típicamente
pueden incluir los formatos ASCII y EBCDIC, y el encriptado y desencrjptado de
información.
La conversión entre formatos responde al hecho de que distintos fabricantes recurren a
distintas codificaciones para la representación de información. Por ejemplo, la letra A
no se representa con la misma secuencia de bits en el código ASCII que en el código
EBCDIC. (El código EBCDIC es utilizado por IBM en grandes computadoras).
La encriptación de información es necesaria para la transmisión de información
confidencial en la red pública, como es la red global (WAN). Este concepto de
seguridad es vital para la implementación de comunicaciones entre las distintas
empresas de una corporación de alcance nacional o mundial.
5.2.7. Nivel 7: Aplicación (Application Layer)
Provee los servicios a usuarios finales, dando acceso a la información.
Ejemplos: emulación de terminales, transferencia de archivos, correo electrónico, etc.
En la sección 5.9. se darán más detalles sobre estos y otros servicios.
5.2.8. Resumen del modelo ISO / OSI
Como hemos visto, el problema de comunicaciones quedó dividido en varias capas, que
se pueden analizar individualmente. Para interpretar correctamente el funcionamiento de
este modelo, debemos comprender que hay dos tipos de relaciones en él. Por una parte,
el movimiento de bits es vertical. Cada capa se apoya en la inmediata inferior y utiliza
sus servicios a la vez que presta servicios a la capa superior: cada capa cumple con los
servicios que le son especificados, sin que el tipo de información que maneja sea de
importancia.
Durante la emisión del mensaje, cada capa pasa la: información recibida desde la capa
superior hacia la capa inferior, agregando la información de control característica de la
capa: tipo de aplicación en el nivel 7, número de paquete en el nivel 4, bytes de chequeo
en el nivel 2, etc. (Fig. 5.17)
El receptor recibirá los bits, y procederá a interpretarlos con los mismos criterios, en un
flujo de información de abajo hacia arriba: realizará un chequeo de información en el
nivel 2, reordenará los paquetes en el nivel 4, y presentará la información según el tipo
de aplicación en el nivel 7.
Resulta entonces más sencillo analizar un proceso de comunicaciones como una
comunicación horizontal entre las capas de igual nivel. Así, la capa de transporte del
emisor resuelve sus problemas de comunicaciones con la capa de transporte del
receptor. De esta forma se simplifica el análisis de la función cumplida por una capa, sin
necesidad de entrar en detalles de cómo esta capa se interrelaciona con las capas inferior
y superior vecinas.
Figura 5.17 Información de control de una transmisión del modelo ISO / OSI.
Cada capa agrega una cabecera (CA: cabecera de aplicación, CP: cabecera de
presentación).
La capa de enlace agrega también datos de control al final de la trama (FE).
Finalmente la capa física solo ve bits.
Nota: En las capas 1, 2 y 3 se muestra solo una de las tramas en la que la capa de
transporte dividió el mensaje.
Debe considerarse que el modelo OSI intenta generalizar el proceso de comunicaciones,
considerando múltiples aspectos que probablemente no sean requeridos en su totalidad
en una determinada aplicación. Por ejemplo, una red LAN no requiere organizar su
información para analizar quien paga el uso de la red, ya que generalmente la misma es
un recurso de una única empresa. Por lo tanto, este servicio no es requerido en esta red.
Así, puede ocurrir (y ocurre) que en algunos protocolos desaparezcan capas enteras que
no son necesarias, mientras que otras son notablemente complejas.
El conjunto de protocolos utilizado para satisfacer las funciones especificadas por el
modelo ISO / OSI se conoce como Sistema Operativo de Red (Networking
Operating System, NOS).
5.3 Topologías
La topología de una red define la forma en que las distintas estaciones se conectan al
medio físico. Las topologías de red existentes se pueden clasificar en dos grupos:
•
•
Los enlaces punto apunto
Las redes de difusión
5.3.1. Enlaces punto a punto
En los enlaces punto a punto dos estaciones utilizan un vínculo único y exclusivo
(Fig. 5.18). Es un método simple y de disponibilidad absoluta, ya que no hay otra
estación que ocupe el medio físico. Su implementación es difícil en la medida en que
crece la cantidad de estaciones, ya que la cantidad de líneas requeridas crece en forma
drástica (Fig. 5.19). A partir de enlaces punto a punto es posible la implementación de
otras topologías, en las que cada estación juega un papel activo, repitiendo el mensaje
de una estación a otra, hasta que éste llega a su destinatario. Esta función también puede
ser cumplida por elementos de conmutación, que tienen capacidad (inteligencia) para
reenviar los mensajes.
La función de los elementos de conmutación está relacionada con el manejo de los
mensajes en la red, pero es transparente al usuario. Dentro de las topologías .
implementadas en base a enlaces punto a punto, podemos describir las siguientes
(Fig. 5.20):
-Estrella: Cada estación está conectada con un vínculo punto apunto aun elemento de
conmutación central. Este establece las conexiones entre estaciones.
El elemento de conmutación central tiene la inteligencia suficiente para
definir el camino entre estaciones que desean comunicarse.
Figura 5.18 Enlace punto a punto
Figura 5.19 – Enlace punto a punto entre seis estaciones. Se requiere 15 enlaces.
-Anillo: Cada estación se vincula a otras dos con un vínculo punto a punto.
La información se transmite en forma unidireccional, de una estación a otra.
-Irregular: Existen varios elementos de conmutación. Algunos de éstos tiene más de
una entrada y una salida, con capacidad de redireccionar los mensajes
por las distintas salidas, en función del estado de los enlaces punto a punto.
5.3.2 Redes de difusión
Como contrapartida, las redes de difusión se caracterizan por la existencia de un medio
físico compartido, la cual todas las estaciones acceden en forma directa. Las topologías
típicas de este tipo de red son las siguientes (Fig. 5.21):
-Bus: La red es un medio fisco de estructura lineal al que se conectan todas las
estaciones.
-Radio: El medio físico es básicamente una onda de radio, que puede ser escuchada por
todas las estaciones dentro de la misma frecuencia y a su alcance.
5.4. Medios físicos de transmisión
El medio de transmisión es el vínculo físico que une a las estaciones, a través del cual se
transmiten los bits. Al unos medios usuales son los siguientes:
Figura 5.20 Topologías basadas en enlace punto a punto.
Figura 5.21 Topologías de redes de difusión
Par trenzado: Se trata de un par de conductores, típicamente de 1 mm2 de sección,
enlazados en forma helicoidal. El par de conductores puede tener o no una malla
protectora de interferencias, generalmente construida con una película de aluminio. En
caso de que no tengan malla, se conocen como UTP (Unshielded Twisted Pair, par
trenzado sin malla; en caso contrario se utiliza la denominación STP (Shielded Twisted
Pair, par trenzado mallado). Las velocidades de transmisión oscilan de unos pocos
Kbaudios a 100 Mbaudios, en distancias desde algunos metros aun par de kilómetros.
Es de bajo costo, pero de poca inmunidad al ruido.
Cable Coaxil: Consiste en dos conductores concéntricos, aislados por un dieléctrico
(Fig. 5.22). Hay dos formas de enviar una señal digital en un coaxil:
•
Banda Base: La señal es enviada por el cable coaxil como niveles de
tensión, a velocidades de 10 Mbaudios, y distancias de hasta 500 m.
•
Banda Ancha: La señal digital se modula en frecuencia, utilizándose frecuencias
definidas para la representación de la señal lógica. La velocidad de
transmisión puede llegar a 150 Mbps, pero las implementaciones
más usuales sólo alcanzan algunos Mbps, debido al alto costo de las
interfaces requeridas en las computadoras y otros dispositivos
asociados. El alcance es de algunos kilómetros.
Con buena inmunidad al ruido y costo moderado, el cable coaxil es el de mayor difusión
en redes locales.
Fibra óptica: Consiste en una fibra flexible de vidrio o plástico que transporta luz
proveniente de un diodo fotoemisor (Light Emission Diode, LED) o un
diodo láser de inyección (Injection Láser Diode, ILD). La presencia de
luz puede indicar un bit de valor 1, mientras que su ausencia
representaría un bit de valor 0. Tiene una excelente inmunidad al ruido
y relativo alto costo, con velocidades de transmisión de hasta 100 Mbps.
Comunicación por radio o satélite: En este caso, el medio físico es básicamente una
onda de radio, que puede ser escuchada por todas las estaciones dentro de la misma
frecuencia y a su alcance.
Figura 5.22 Cable coaxil.
Continuará.....
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