Redes Industriais

Prof. Flávio Serbena

Sumário

� Unidade 1 – Conceitos Gerais de Redes de Comunicação

� Unidade 2 – Redes Industriais Legadas� Unidade 3 – Ethernet Industrial e Redes Sem-

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� Unidade 3 – Ethernet Industrial e Redes Sem-Fio para Automação Industrial

� Unidade 4 – Segurança da Informação em Ambientes Industriais

� Unidade 5 – Simulação de Redes Industriais

Unidade 1

Conceitos Gerais de Redes de Comunicação

Objetivos

1. Definir o que é uma rede de computadores e o que é um sistema distribuído.

2. Identificar os elementos que compõem uma rede de computadores e um sistema distribuído.

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3. Entender as principais formas de classificação de redes de computadores e de sistemas distribuídos.

4. Entender os principais modelos usados para caracterizar redes de computadores e sistemas distribuídos.

Referências

� KUROSE, “Redes de Computadores e a Internet”, Capítulo 1.

� COULOURIS, “Sistemas Distribuídos”,

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� COULOURIS, “Sistemas Distribuídos”, Capítulos 1 e 2.

Analisando um exemplo...

� Quais são os elementos de hardware e software que compõem a

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que compõem a Internet?

� O que é possível fazer por meio desses elementos?

Internet

O que é uma rede de computadores?� Conjunto de computadores interligados por

meios adequados de forma a poderem trocar mensagens de acordo com regras pré-definidas.

� Elementos de uma rede de computadores:

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� Elementos de uma rede de computadores:� Nós: conjunto de computadores que enviam e

recebem mensagens.� Enlaces: meios para a interligação dos nós e o envio

e recebimento das mensagens.� Protocolos: regras pré-definidas para o envio e

recebimento das mensagens.

Elementos de uma Rede de Computadores

Emissor Receptor

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Meio Físico

Mensagem

Exemplo de Redes de Computadores

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O que é um sistema distribuído?

� Um sistema distribuído é um sistema computacional na forma de uma aplicação cujos componentes estão intencionalmente dispersos em um conjunto de computadores que usam a

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em um conjunto de computadores que usam a infra-estrutura de redes de computadores para a coordenação de suas ações.

� Elementos de um sistema distribuído:� Processos: código computacional que quando

executado gera alguma resposta.

Exemplos de sistemas distribuídos...

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Nós

� Um nó é uma combinação de hardware e software que envia e recebe

Middleware

Aplicações

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que envia e recebe mensagens.

Hardware

Sistema Operacional

Enlaces

� Meios que transportam as informações entre os nós da rede. Exemplos:�cabos de feixes de fibras ópticas;

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�cabos de feixes de fibras ópticas;�cabos de pares de fios de cobre trançados;�cabos coaxiais;�ondas eletromagnéticas.

Protocolos

� Conjunto de regras usado na troca de mensagens entre dois nós da rede.

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Classificação das Redes de Computadores

� As redes de computadores podem ser classificadas de acordo com os seguintes aspectos:

extensão;

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�extensão;�estrutura;�modelo de comunicação;�comutação.

Classificação quanto à abrangência

� As redes de computadores podem ser classificadas quanto a sua abrangência, sendo divididas em:

LAN (Local Area Network), também chamadas de

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� LAN (Local Area Network), também chamadas de redes locais.

� MAN (Metropolitan Area Network), também chamadas de redes metropolitanas.

� WAN (Wide Area Network), também chamadas de redes extensas.

Redes Locais (LANs)

� Combinação de microcomputadores geograficamente próximos (convenção é menos de 1 km), com um meio de transmissão de baixo custo.

� São também conhecidas como redes compartilhadas (pois usualmente compartilham um mesmo tipo de meio físico).

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usualmente compartilham um mesmo tipo de meio físico).� Algumas de suas principais características são:

� Alta velocidade de comunicação.� Baixos atrasos.� Possibilidade de transmissão broadcasting.� Tempo de envio de mensagem maior que o tempo de propagação.

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Redes Metropolitanas (MANs)

� Uma rede metropolitana é uma rede maior que uma LAN, normalmente cobrindo a área de uma cidade.Convenciona-se que sua extensão está

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� Convenciona-se que sua extensão está geralmente entre 1 e 10 km.

� Caracteriza-se também pela utilização de diferentes equipamentos e meios de transmissão.

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Redes Extensas (WANs)

� Uma rede WAN inclui qualquer rede maior que uma rede MAN. As redes WAN geralmente interconectam LANs dispersas

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geralmente interconectam LANs dispersas pelo mundo.

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Tipos de Redes Quanto à Extensão

Tipo Distância Protocolos Exemplos

LAN – Local Até 1km

Acesso ao Rede de

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LAN – Local Area Network

Até 1kmAcesso ao

MeioRede de escritório

MAN –Metropolitan Area Network

De 1km a 10km

RoteamentoRede entre

bairros

WAN – Wide Area Network

Mais de 10km

RoteamentoRede entre

cidades

Outros tipos de redes quanto à extensão...

� PAN - Personal Area Network� WLAN - Wireless Local Area Network

�Wi-Fi

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�Wi-Fi

� WWAN - Wireless Wide Area Network�3G

� WPAN - Wireless Personal Area Network�Bluetooth

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Tipos de Redes Quanto à Estrutura ou Topologia

� A estrutura física de interconexão dos equipamentos de uma rede define a topologia da rede.

Barramento

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�Barramento�Estrela�Árvore�Anel�Cascata

Barramento

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Estrela

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Árvore

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Anel

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Cascata ou Daisy-Chain

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Tipos de Redes Quanto ao Modelo de Comunicação

� Mestre/Escravo (M/E)� Produtor/Consumidor (P/C)� Publicador/Assinante (P/A)

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� Publicador/Assinante (P/A)� Cliente/Servidor (C/S)� Ponto/Ponto (P/P)� Passagem de Ficha (Token Passing - TP)

Modelo de Comunicação Mestre/Escravo (M/S)� Também chamado de

polling, cada mestre realiza ciclicamente a varredura de seus escravos para enviar e

Mestre

Escravo

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escravos para enviar e receber mensagens.

� Um escravo só pode estar associado um mestre.

� T = N*L/R

Escravo

Escravo

Escravo

Modelo de Comunicação Produtor/Consumidor (P/C)� Cada produtor gera

mensagens que são enviadas para seus consumidores.

Produtor

Consumidor

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consumidores.� O modelo de

comunicação é em broadcast, ou seja o envio é feito de um para todos.

Consumidor

Produtor

Consumidor

Modelo de Comunicação Publicador/Assinante (P/A)

� Cada publicador gera mensagens que são enviadas apenas para seus assinantes.

Publicador

Assinante

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seus assinantes.� O modelo de

comunicação é em multicast, ou seja, de um para muitos.

Publicador

Assinante

Assinante

Cliente/Servidor (C/S)

� Clientes usam serviços presentes em servidores.

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Ponto/Ponto (P/P)

� Cada nó da rede é tanto um cliente quanto um servidor.

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Passagem de Ficha (TP)

� Uma ficha, que é uma mensagem especial, dá ao nó o direito de transmitir suas

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transmitir suas mensagens.

Classificação quanto à comutação

� Comutação de circuitos: existem caminhos pré-definidos para o envio das mensagens.� FDM: Frequency Division Method� TDM: Time Division Method

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� TDM: Time Division Method

� Comutação de pacotes: as mensagens são divididas em pacotes que são encaminhadas para a rede, que é responsável por entregá-los.� Circuitos virtuais: caminhos virtuais são pré-estabelecidos� Datagramas: melhor esforço é feito para a entrega das

mensagens

Modelos Fundamentais de Sistemas Distribuídos

� De forma a permitir a identificação e discussão de aspectos relevantes de sistemas distribuídos, três modelos são definidos:� modelo de interação: destaca a questão do atraso e

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� modelo de interação: destaca a questão do atraso e ordenação das mensagens;

� modelo de falhas: define e classifica os principais tipos de falhas que podem ocorrer; e

� modelo de segurança: define e classifica as principais ameaças ao funcionamento de um sistema distribuído.

Modelo de interação

� Considera os sistemas distribuídos compostos por processos que interagem de forma não-trivial.

� Principais parâmetros:� Latência: intervalo de tempo decorrido entre o início do envio

da mensagem por um processo e o início de seu recebimento

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da mensagem por um processo e o início de seu recebimento por outro processo. Decorrência de atrasos.

� Largura de banda ou velocidade de transmissão: quantidade máxima de dados que pode ser transmitida em um período de tempo determinado.

� Jitter: variação temporal na entrega de uma série de mensagens.

� Distância de enlance: comprimento do meio físico ou distância entre os dois nós que contém os processos trocando mensagens.

Largura de Banda versus Latência

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Atrasos

� Atraso de processamento nodal: atraso decorrente do processamento da mensagem em um nó intermediário entre a origem e o destino.

� Atraso de fila: decorrente da espera em uma fila de transmissão de pacotes em um elemento intermediário

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transmissão de pacotes em um elemento intermediário entre a origem e o destino.

� Atraso de transmissão: tempo necessário para a transmissão da mensagem.

� Atraso de propagação: tempo decorrido entre o início do envio da mensagem por um emissor e o início do seu recebimento por um receptor.

Sistemas síncronos e assíncronos

� Sistemas distribuídos síncronos:� Limites inferior e superior para o tempo de execução de um

passo� Transmissão da mensagem em um tempo limitado� Taxa de variação do relógio limitada

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� Taxa de variação do relógio limitada� Falhas podem ser detectadas quando os limites são excedidos� Implementados pelo uso de recursos suficientes

� Sistemas distribuídos assíncronos� Sem limites para a velocidade do processo, atraso da

mensagem e taxa de variação de relógios� Falhas são mais difícies de detectar� Desempenho não pode ser garantido

Modelo de falhas

� Considera que tanto os processos quanto os canais de comunicação que compõem um sistema distribuído podem falhar.

� As falhas podem ser classificadas em:

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� As falhas podem ser classificadas em:� falhas de omissão: ocorre pela falha na entrega das

mensagens� falhas arbitrárias ou bizantinas: ocorrem de forma

aleatória� falhas temporais: ocorrem por se exceder limites

temporais

Modelo de falhas

process p process q

send receivem

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Communication channel

send

Outgoing message buffer Incoming message buffer

receivem

Falhas de omissão

� Fail-stop (processo): o processo trava e permanece travado. Outros processos podem eventualmente detectar esse estado.

� Crash (processo): o processo trava e permanece travado. Outros processos podem não conseguir detectar esse estado.Omissão (canal): uma mensagem colocada em um buffer de saída

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� Omissão (canal): uma mensagem colocada em um buffer de saída não chega ao buffer de entrada do destino.

� Omissão de envio (processo): um processo envia uma mensagem, mas a mensagem não é colocada no seu buffer de saída.

� Omissão de recepção (processo): uma mensagem é colocada no buffer de entrada de um processo, mas o processo nunca a recebe.

Falhas arbitrárias ou bizantinas e falhas temporais� Arbitrárias ou bizantinas (processo ou canal):

comportamento arbitrário é exibido - mensagens arbitrárias podem ser enviadas em tempos arbitrários.

� Relógio (processo): relógio local excede seu limite de

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� Relógio (processo): relógio local excede seu limite de variação do tempo-real.

� Desempenho (processo): processo excede o limite de tempo no intervalo entre dois passos.

� Desempenho (canal): uma mensagem leva mais tempo para ser transmitida do que o limite estabelecido.

Modelo de segurança

� Considera que os processos e os canais de comunicação podem ser inseguros e sujeitos a ataques

Autorização: direito de acessar informações

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� Autorização: direito de acessar informações� Autenticação: garantia de identidade de acesso� Criptografia: embaralhamento de mensagens para

sua autenticidade