ethernet industrial 20110927

7/24/2019 Ethernet Industrial 20110927

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Las redes Ethernet han tenido xito y son universalmente aceptadas en

empresas, universidades y an en hogares. Pero tambin hoy es posibleencontrarlas en mbitos industriales. Y su utilidad se basa en la posibilidadde supervisar la calidad de los enlaces, la existencia de utilitarios (p.e.Telnet) para la configuracin de los equipos y la capacidad de controlar yprogramar a los dispositivos desde una ubicacin central. Y este tipo deaplicaciones se asociaba hasta no hace mucho con los nivelesadministrativos, pero cada vez ms se lo aplica en piso de planta y a nivel dedispositivos de automatizacin y control. Como complemento indispensableel stack TCP/IP permite la transmisin de las seales de control, la

conexin con aplicaciones HMI/SCADA y servidores WEB embebidos en losdispositivos de campo.

Esta fue la evolucin de las redes industriales:

1. Redes industriales propietarias.

2. Integracin de la informacin de piso de planta (HMI/SCADA) conlos sistemas de gestin (MRP/ERP).

3. Utilizacin para redes de nivel 1 y 2.

4. Ampliacin de la conectividad por medio de servicios WEB eInternet.


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Qu es una red de datos?

Las redes de datos son un conjunto de computadoras u otros dispositivos digitales deprocesamiento de datos que tienen la habilidad de comunicarse entre ellas sobre un mediocomn.

Por qu usar una red de datos?

Las redes permiten COMPARTIR recursos tales como :

Dispositivos (Impresoras, mdems, almacenamiento, etc.)

Transferencia de archivos entre sistemas

Aplicaciones y servicios

Compartir dispositivos implica que se necesita comprar menos hardware.

Los elementos de una red de datos

Dos o ms entidades que tengan algo que compartir, por medio de un servicio de red

Un camino para la comunicacin y reglas que permitan el intercambio de la informacina compartir, expresadas en un protocolo:

El medio fsico de conexin (interfase elctrica, velocidades de transmisin, etc.)

La interfase lgica de conexin (direccionamiento, mecanismos de acceso almedio fsico, etc.)

Los mecanismos normales de intercambio de informacin

Los mecanismos de deteccin de errores, su correccin y/o retransmisin

Pueden aparecer combinados en las llamadas pilas (stacks) de protocolos (porejemplo el protocolo Modbus/TCP que se monta sobre una red Ethernet y utilizalos protocolos TCP/IP)


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Al usar redes Ethernet en aplicaciones de piso de planta, deben distinguirse

los requerimientos cuando se las compara las prestaciones del equipamientocomercial disponible, como el usado para la conexin de PCs, printerservers, etc.

Los mismos son diseados para operar en condiciones ambientalescontroladas. Si se utiliza ese equipamiento comercial diseado paraaplicaciones de oficina en las condiciones extremas tpicas del ambienteindustrial, se corre el riesgo de producir fallas serias en el sistema deautomatizacin y control.

Dado que cada dispositivo industrial interconectado (PLCs, variadores develocidad, arranques inteligentes, etc.) cumple un rol importante en elsistema, la comunicacin entre stos cumple un rol fundamental que nodebe descuidarse. Muy diferente a la aplicacin tpica de oficina, donde unafalla de la red, por lo general implica tan slo que algunas estaciones detrabajo de no puedan enviar correo electrnico por unos minutos. En unaaplicacin industrial, cuando uno dispositivo conectado en red sufre una fallaque lo asla del resto, an por brevsimos perodos de tiempo, pueden

producirse grandes perjuicios econmicos y afectarse la integridad depersonas e instalaciones.


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STP: Spanning Tree Protocol (recuperacin no menor a 30 s)

RSTP: Rapid Spanning Tree Protocol (recuperacin no menora 1 s)


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VoIP: Voz sobre IP o Voice on IP


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GMRP: GARP Multicast Registration Protocol

Protocolo de control de trfico multicast a nivel 2 equivalente a IGMP

Snooping y CGMP; definido por el IEEE 802.1Realiza el registro y el borrado de los grupos multicast en el nivel 2

Configurado en el ordenador y en el switch

Se generan peticiones de nivel 2 equivalentes a las generadas a nivel3 por IGMP

El switch recibe ambas y anota los puertos en cuestin

GARP / GVRP: Group Address Registration Protocol

Conocido como Protocolo de Registro VLAN o Protocolo Genricode Registro de VLAN es un protocolo que facilita el control de redeslocales virtuales (VLANs) dentro de una red grande

Includo en la norma IEEE 802.1Q, la cual define el mtodo paramarcar las tramas dentro de los datos de configuracin de la VLAN

Permite que los switches intercambien informacin de configuracin

de la VLAN dinmicamente con los dems equipos que conforman lared


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Ethernet utiliza un medio fsico nico, compartido entre todos los dispositivos

que desean intercambiar informacin, y para lo cual todos tienen igualprioridad. Por lo tanto debe existir algn mecanismo para evitar conflictos enel envo de los paquetes de datos y proteger la integridad de los datos. Cadanodo determina cuando la red est disponible para el envo de paquetes.Siempre existe la posibilidad que dos o ms nodos intenten transmitir almismo tiempo, lo que resulta en una colisin.

Reducir al mnimo (e idealmente eliminar) las colisiones es un factor crucialen el diseo y la operacin de las redes de datos. Un aumento de la

colisiones es a menudo consecuencia de una gran cantidad de nodos en lared, compitiendo entre si por el ancho de banda disponible. Esta situacinreduce la prestacin general de la red, haciendo que cada nodo la percibacomo ms lenta. La segmentacin de la red, dividindola en sectores unidosentre si por medio de un bridge o switch, es una de la formas de mejoraresta situacin desfavorable.

Durante mucho tiempo Ethernet no se consider una alternativa vlida paraaplicaciones industriales pues fue concebida para aplicaciones de oficina.

Esto es, su diseo slo la haca apta para entornos donde las PCs y otroequipamiento de oficina operaran sin problemas, una oficina, el hogar ocentros de cmputos climatizados. La regla es entonces el equipamientoEthernet comercial no es apto para las ms demandantes aplicacionesindustriales.


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En su especificacin original, Ethernet era half-duplex y estaba concebidapara una topologa de tipo bus compartido. Esto oblig a incluir unmecanismo para administrar el acceso a ese medio fsico compartidopermitiendo detectar y eliminar las colisiones. El mecanismo elegido fueCSMA/CD, Acceso Mltiple por Deteccin de Portadora con Deteccin deColisiones (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).

Este mecanismo de control de acceso al medio fsico es muy diferente alsimple y conocido de las interfases serie RS-232/RS.422/RS-485, muyusado durante aos en equipos de automatizacin y control. Y justamente

por esta razn, Ethernet fue resistida durante mucho tiempo por losautomatistas, favoreciendo interfaces propietarias y cerradas.

La tecnologa actual de Ethernet, sin embargo, es full-duplex, existe entopologa estrella, y an con CSMA/CD, opera a mayores velocidades detransmisin, de 100 Mbps y 1 Gbps (con 10 Gbps en desarrollo). Y comose ver ms adelante en esta presentacin, el uso de switches Ethernet dealta prestacin, permite asilar a los diferentes dispositivos conectados a lared permite obtener un comportamiento cuasi-determinstico.

Estas nuevas caractersticas de Ethernet, sumadas a que la misma es unatecnologa probada, aceptada universalmente para la interconexin deequipos digitales e intercambio de datos, han permitido una crecientepenetracin en mbitos de automatizacin y control.


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Half-DuplexEl protocolo Modbus serie (ASCII RTU) es un ejemplo de unacomunicacin half-duplex. El Maestro Modbus debe esperar que elEsclavo direccionado responda, antes de enviarle un nuevo comando.

Full-Duplex

Su utilizacin sobre un nico canal fsico, exige la utilizacin de algnmecanismo para la separacin de las seales recibida y transmitida. Por

esta razn, o cuando se utilizan dos canales fsicos, la comunicacin full-duplex siempre requiere utilizar hardware adicional.


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Hay diferentes formas de mejorar el problema del acceso determinstlco al medio, creadopor la tcnica CSMA/CD. En primer lugar debe considerarse la forma en la que los datos

son transmitidos entre los diferentes dispositivos de la red. Ethernet fue concebidaoriginalmente como half-duplex, por lo cual un dispositivo NO PUEDE transmitir y recibirdatos simultneamente. Pero hoy Ethernet es full-duplex, permitiendo que cualquierdispositivo inicie el envo de una nueva trama de datos mientras contina con larecepcin o viceversa. Este comportamiento permite decir que un dispositivo Ethernetoperando en full-duplex a 10 Mbps, dispone en realidad de un ancho de bando terico de20 Mbps, ya que puede recibir y transmitir simultneamente a 10 Mbps.

Otra forma es reducir la probabilidad de una colisin, es disminuir el nmero de nodosconectados al mismo segmento de red. Al disminuir el nmero de nodos, la probabilidadde que dos nodos inicien una transmisin simultneamente disminuye. Y si se pudiera

conectar un nico nodo de red a cada segmento, las colisiones se eliminan.Cmo lograr que haya un nico nodo por segmento de red? Utilizando un switchEthernet, para aislar a un nmero reducido de nodos (idealmente un nico nodo) en loque se llama dominio de colisin. Un switch es un equipo especializado que tienemltiples puertos Ethernet, un procesador dedicado, un bus interno de muy alta velocidady una memoria rpida de lectura/escritura. Inicialmente cada una de las tramas recibidaspor el switch es reenviada a todos los puertos del switch, pero al recibir la repuesta a lasmismas, aprende por cual de sus puertos recibi la correspondiente a cada direccinfsica (MAC address) asocindolas. A partir de ese momento, el switch reenviara lastramas considerando la direccin fsica de destino para decidir por cual de sus puertos (yslo por ese) las reenviar. Estas caractersticas lo diferencian de un hub el cual, tambin

con un cierto nmero de puertos, acta tan slo como un repetidor elctrico, reenviandoSIEMPRE a todas sus puertos las tramas recibidas por uno de stos.


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A modo de ejemplo se compara el funcionamiento de un Hub (o una

conexin Ethernet inalmbrica) con un switch. Las condiciones son:1. Desde la PC se programa y se pone a punto la aplicacin del PLCque controla una mquina compleja.

2. Desde el PLC que comanda el proceso se accede por medio deEthernet a los dispositivos de un CCM inteligente que forma partedel automatismo.

3. El panel de operacin grfico lee y escribe variables del PLC quecomanda el proceso.

Ver animacin completa en archivo IntroEthIndSwitch.avi adjunto.


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Ethernet puede ser visto como un igualador, ya que todos los dispositivos

interconectados (incluyendo las PCs, servidores, PLCs, sensores,actuadores, terminales de dilogo, etc.) en la misma red local (LAN) Ethernetse encuentran en igualdad de condiciones para enviar y recibir informacin.Esto es as porque hay una cantidad mxima de datos que pueden enviarseen una red Ethernet en cada transmisin y por otro lado el primero que tomacontrol de la red es el primero en utilizarla. La conexin de las PCs ubicadasen el piso de planta y otros dispositivos a la red corporativa, les permite a losingenieros acceder a Internet, herramientas d gestin y mantener un fludocontacto por medio del correo electrnico. Brinda adems la posibilidad aotras reas de acceder a la informacin de piso planta relevante para sustareas.

Pero atencin...! Esta arquitectura totalmente abierta puede impactarnegativamente en el intercambio de datos critico entre los dispositivos deautomatizacin y control. El trfico corporativo de correos electrnicos,accesos a bases de datos, mensajera instantnea, accesos WEB,movimiento de archivos, etc. tiene caractersticas y requerimientos muydiferentes al generado en le piso de planta.

A continuacin se presentarn esos requerimientos y se dar lascaractersticas de los switches Ethernet para aplicaciones industriales.


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Un Switch Ethernet Industrial puede ser usado para aislar efectivamente aquellosdispositivos claves del sistema de automatizacin en su propio dominio de

colisiones, trabajando en modo full-duplex a su mxima velocidad posible. Losingenieros de proyecto y de mantenimiento pueden acceder de todos modos aesos dispositivos.

En este tipo de aplicacin cada dispositivo es conectado a un puerto exclusivo delswitch Ethernet, aislndolo del resto del trfico de la red Ethernet. As es como unswitch Ethernet multipuerto permite la conexin del PLC con sussensores/actuadores. Salvo por espordicos accesos para configuracin y/oreprogramacin recibidos desde otros nodos, el switch mantiene al PLC y suselementos asociados totalmente aislados del resto de la red.

Todos los switches Ethernet poseen puertos que pueden operar a 10 Mbps 100Mbps, permitiendo la interconexin de dispositivos que operan a diferentesvelocidades, sin afectar a los ms rpidos. Lo mismo ocurre con aquellosdispositivos que slo operan en modo half-duplex. Y los puertos de cobre o fibraque operan a 1 Gbps permiten la interconexin entre si de switches que vinculanentre si dos reas o sectores separados fsicamente. Este enlace de 1 Gbps,operando en modo full-duplex, permite el intercambio de datos entre switches, dehasta diez conexiones simultneas a 100 Mbps cada una, sin colisiones.

El uso de puertos de fibra ptica brinda como ventaja principal la inmunidadabsoluta al ruido elctrico y la eliminacin de lazos de masa. Permiten superanadems el lmite de 100 metros de los puertos Ethernet de cobre, extendiendo losenlaces a varios cientos de metros e incluso a varios kilmetros.


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Priorizacin de mensaje segn IEEE 802.1p

Permite dar prioridad a los datos provenientes de determinado dispositivocon respecto a otros conectados a la red, acelerando la transferencia. Conesta funcionalidad se impide que las tramas de alta prioridad se veaninterrumpidas por el trfico de los de menor prioridad. El switch puedeprocesar y enviar todos los paquetes de mayor prioridad antes de hacerlocon los de menor prioridad o alternar entre unos u otros.

Priorizacin de puerto

Le asigna una prioridad a cada mensaje, basada en el puerto de origen, sin

tener en cuenta la asignada por los dispositivos conectados a ste. Permiteasignar prioridades a dispositivos que no soportan la norma IEEE 802.1p. Serequiere configurar el switch para esta funcin. Los paquetes sin informacinde prioridad (VLAN o marca de prioridad) se transmiten segn la prioridadasignada a cada puerto. Es posible asignarle una prioridad diferente a cadapuerto.


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VLANs:

Las redes virtuales (VLANs) est basadas en establecer vnculos lgicos (en vez de fsicos) y constituyenelementos flexibles en el diseo de las redes. La mayor ventaja de las VLANs es la posibilidad de crear gruposde usuarios de acuerdo con un criterio funcional y no por su ubicacin fsica o forma de acceso a la red. Las

mismas estn definidas en el estndar IEEE 802.1Q. Incluye el filtrado de las tramas de trfico broadcast ymulticast, limitndolos a los nodos que integran la VLAN. El mismo dispositivo puede ser integrante de ms deuna VLAN:

Refresco rpido de las tablas de enrutameinto

Al perderse el vnculo con un dispositivo conectado a un puerto, todas las direcciones respectivas almacenadasen la tabla de enrutamiento son eliminadas. Los beneficios son:

Esta funcionalidad resulta de gran utilidad cuando se eliminan o cambian de ubicacin dispositivosconectados al switch

La estacin que se cambi de puerto es alcanzada de inmediato No hay interrupciones (timeout)Asiste en la ejecucin del algoritmo Spanning Tree y anillos redundantes.

Recuperacin rpida de fallas funcionales

Slo mencionan los puntos principales de mayor confiabilidad para aplicaciones industriales. Al considerar lascomunicaciones en el mbito industrial, mayor confiabilidad no slo significa un gabinete ms robusto ytolerancia a temperaturas extremas, sino que involucra adems una mayor tolerancia a fallas funcionales. Enuna oficina, una falla de comunicacin que dure 3 minutos es apenas un inconveniente menor, en tanto que enuna aplicacin industrial esos mismos 3 minutos podran ser catastrficos. Teniendo esto en cuenta, lasfunciones de auto recuperacin resultan esenciales para mantener la red en funcionamiento.

Reportes dinmicos

Dado que los dispositivos Ethernet conectados a un red Ethernet industrial pueden estar ubicados en puntosextremos de sta, no siempre es posible conocer su estado de funcionamiento en lo que hace a la

comunicacin. Esto significa que el equipamiento Ethernet que conecta a los mismos debe tomar laresponsabilidad de proveer a los encargados del mantenimiento con mensajes de alarma en tiempo real. Ancuando los automatistas se encuentren alejados de la Sala de Control por perodos prolongados de tiempo,ellos deben ser informados del estado de los dispositivos casi instantneamente en caso que ocurranexcepciones.La forma convencional de determinar ele stado de los diferentes dispositivos es interrogarlos peridicamente,pero esto no es eficiente ni garantiza un reporte de excepciones en tiempo real. Debe poderse generarmensajes de advertencia disparados por tales eventos de excepcin.


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Ping

La bsqueda de fallas en una red que experimenta problemas puede ser muy compleja para el personal de

mantenimiento, sobretodo si no est entrenada en tecnologa informtica. La rpida solucin de estas fallases particularmente importante en aplicaciones industriales, ya que al interrumpirse la comunicacin, puedendetenerse las lneas de produccin o comprometerse la seguridad de personas e instalaciones. El primerinconveniente con el que se encuentra el personal de mantenimiento es encontrar rpidamente y de formaconfiable cual es el segmento de la red con fallas. El comando "ping" generado desde los dispositivosclaves de la red provee una herramienta esencial de diagnstico.

Anlisis remoto de datos

La supervisin remota de los dispositivos de red y sus respectivos enlaces es otra herramienta til en casode fallas. Esta herramienta puede residir tanto en una PC (como por ejemplo el software de distribucin libreEthereal) como en los dispositivos claves de la red. Las mismas permiten iniciar la captura de tramas en elred con determinadas condiciones de disparo, registrar las mismas con marca de tiempo, filtrar segn lascondiciones ms convenientes en cada caso. Las herramientas de captura que corren en PC (Sniffers)permiten realizar adems un anlisis de cada trama a nivel de cada uno de los protocolos involucrados.

Puertos Espejo

En muchas situaciones, sobretodo en la puesta en marcha de una nueva aplicacin, es necesario analizarel trfico entre dos o ms dispositivos. Por las caractersticas bsicas de los switches, esto no es posible. Elespejado permite configurar algunos puertos para que repitan el trfico de otro, facilitando el uso de lasherramientas de captura y anlisis.

DHCP y Reemplazo de Dispositivos Daados (FDR)

La configuracin de la direccin IP es otro aspecto que debe ser tenido en cuenta en cualquier red queopere bajo ese protocolo. Pero a diferencia del equipamiento de oficina, los dispositivos industriales que seconectan a una red son cajas negras sin una interfaz amigable para esta tarea. La inclusin del servicioDHCP, como servidor, en el switch simplifica esta tarea. Como complemento, es posible no slo asignar el

nmero IP sino tambin configurar un dispositivo nuevo cuando se reemplaza uno similar que fall. Esto serealiza asignndole un nombre de rol (rol name) a cada dispositivo. Ese nombre de rol, por medio de laOpcin 82 del servicio DHCP y el protocolo TFTP. Esto facilita notablemente las tareas de mantenimientopor parte de personal no especializado en tecnologa informtica.


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SNMP (Simple Network Management Protocol)

Este protocolo es el ms popular entre los profesionales de tecnologainformtica para la administracin remota y anlisis de redes complejas. Dehecho, incluye una gran variedad de parmetros definidos para esasfunciones. Para cada dispositivo administrable por intermedio de esteprotocolo existe un archivo denominado MIB, con el listado de talesparmetros.

Si bien son muchas las funcionalidades disponibles en un switchadministrable, es esta la que define la condicin de administrable.

OPC Server

La especificacin OPC consiste en un conjunto de estndares abiertos, quecuentan con el soporte de un gran nmero de fabricantes y usuarios. Es unatecnologa de comunicacin basada en Microsoft OLE (OLE for ProcessControl) de aplicacin en el campo del control y supervisin de procesos;permite que diferentes fuentes de datos sean accedidas, en un esquemaCliente-Servidor, permitiendo el intercambio de datos con un determinadoequipo de campo en su protocolo especfico. Con el uso de servidor OPCserver que permita el acceso al protocolo SNSMP es posible administrar ysupervisar diferentes dispositivos de red, desde el software HMI.


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Spanning Tree

Es el nombre de un algoritmo empleado en la determinacin de los caminos posibles en

una red Ethernet compleja. Est especificado en la norma IEEE 802.1 D. Este algoritmoimpide la circulacin de tramas en la red Ethernet, cuando existen caminos mltiples(redundantes), deshabilitando los puertos que sena necesarios. As mismo determina elcamino ptimo entre todos los posibles. Cuando se produce una falla o interrupcin enese camino, se elige uno alternativo aplicando ese algoritmo. Tpicamente esareconfiguracin lleva de 30 a 90 segundos.El Spanning-Tree Protocol (STP) evita la formacin de lazos al conectar los switchesentre si por caminos mltiples. El algoritmo garantiza que en todo momento haya unnico camino activo entre dos dispositivos de red.

El Rapid Spanning-Tree Protocol (RSTP) es una variante mejorada del algoritmo quepermite un tiempo de recuperacin ms corto, del orden del segundo.

Otras Soluciones

Para mejorar la velocidad de respuesta existen soluciones alternativas, desarrolladas porcada fabricante, basadas en estructuras de anillo. En esta arquitectura cada componentede la red se conecta a un anillo formado por switches. Uno de eso switches es elresponsable de administrar el anillo y evitar la circulacin de tramas. Los switchesrestantes pueden ser comunes, inclusive de tipo comercial y/o no administrables. Sin

embargo resulta conveniente utilizar switches industriales y administrables por su mayorvelocidad de reconfiguracin de la tabla interna.


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Acoplamiento Redundante

La utilizacin de switches redundantes permite establecer vnculosduplicados entre dos segmentos de red. Cuando se usa esta funcionalidad,combinada con la arquitectura de anillos se logra una alta confiabildad.


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Modelo de Interconexin de Sistemas Abiertos de 7 Capas (OSI, Open System Interconnection)

Capa 1 ~ Fsica

La Capa Fsica del modelo de referencia OSI es la que se encarga de las conexiones fsicas de la computadora

hacia la red, tanto en lo que se refiere al medio fsico (cable de par trenzado, fibra ptica, radiofrecuencia, rayosinfrarrojos, etc.); caractersticas del medio (p.e. tipo de cable o calidad del mismo; tipo de conectoresnormalizados o en su caso tipo de antena; etc.) y la forma en la que se transmite la informacin (codificacin deseal, niveles de tensin/intensidad de corriente elctrica, modulacin, tasa binaria, etc.)Capa 2 ~ Enlace de Datos

La capa de enlace de datos se ocupa del direccionamiento fsico, de la topologa de la red, del acceso a la red,de la notificacin de errores, de la distribucin ordenada de tramas y del control del flujo.Capa 3 ~ Red

La capa de red es la que se encarga de que los datos lleguen desde el origen al destino, an cuando ambos noestn conectados directamente. Provee el direccionamiento lgico, que utilizan los routers para definirdinmicamente los caminos de enlace entre orgen y destino.Capa 4 ~ Transporte

Capa encargada de efectuar el transporte de los datos (que se encuentran dentro del paquete) de la mquinaorigen a la destino, independizndolo del tipo de red fsica que se est utilizando. Otra funcionalidad resuelta enesta capa permite que los paquetes sean entregados en el orden exacto en que se enviaron, asegurando unacomunicacin punto a punto libre de errores, o sin tener en cuenta el orden de envo.Capa 5 ~ Sesin

El servicio provisto por esta capa es la capacidad de asegurar que, dada una sesin establecida entre dosmquinas, la misma se pueda efectuar para las operaciones definidas de principio a fin, reanudndolas en casode interrupcin. En muchos casos, los servicios de la capa de sesin son parcialmente, o incluso, totalmenteprescindibles.Capa 6 ~ Presentacin

Es la encargada de manejar las estructuras de datos abstractas y realizar las conversiones de representacin dedatos necesarias para la correcta interpretacin de los mismos. Permite que distintos equipos puedan tenerdiferentes representaciones internas de caracteres (ASCII, Unicode, EBCDIC), nmeros (little-endian tipo Intel,

big-endian tipo Motorola), sonido o imgenes pero que los datos lleguen de manera reconocible. Esta capatambin permite tambin cifrar los datos y comprimirlos.Capa 7 ~ Aplicacin

Ofrece a las aplicaciones (de usuario o no) la posibilidad de acceder a los servicios de las dems capas y definelos protocolos que utilizan las aplicaciones para intercambiar datos. Hay tantos protocolos como aplicacionesdistintas y puesto que continuamente se desarrollan nuevas aplicaciones el nmero de protocolos crece sinparar. El usuario normalmente no interacta directamente con el nivel de aplicacin, sino con programas que asu vez interactan con el nivel de aplicacin pero ocultando la complejidad subyacente.


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Transmisin de los datos

La capa de aplicacin recibe el mensaje del usuario y le aade una cabecera

constituyendo as la PDU (Unidad de datos de protocolo) de la capa deaplicacin. La PDU se transfiere a la capa de aplicacin del nodo destino, esteelimina la cabecera y entrega el mensaje al usuario.

Para ello ha sido necesario todo este proceso:

1. La PDU se pasa a la capa de presentacin para ello hay que aadirla lacorrespondiente cabecera ICI (Informacin de control del interfase) ytransformarla as en una IDU (Unidad de datos del interfase), la cual setransmite a dicha capa.

2. La capa de presentacin recibe la IDU, le quita la cabecera y extrae lainformacin, es decir, la SDU, a esta le aade su propia cabecera PCI(Informacin de control del protocolo) constituyendo as la PDU de lacapa de presentacin.

3. Esta PDU es transferida a su vez a la capa de sesin mediante el mismoproceso, repitindose as para todas las capas.

4. Al llegar al nivel fsico se envan los datos que son recibidos por la capafsica del receptor.

5. Cada capa del receptor se ocupa de extraer la cabecera, queanteriormente haba aadido su capa homloga, interpretarla y entregarla PDU a la capa superior.

6. Finalmente llegar a la capa de aplicacin la cual entregar el mensaje alusuario.


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Formato de los datos

Estos datos reciben una serie de nombres y formatos especficos en funcin de

la capa en la que se encuentren, debido a como se describi anteriormente laadhesin de una serie de encabezados e informacin final. Los formatos deinformacin son los siguientes:

APDU ~ Unidad de datos en la Capa de aplicacin PPDU ~ Unidad de datos en la Capa de presentacin SPDU ~ Unidad de datos en la capa de sesin TPDU ~ Unidad de datos en la capa de transporte Paquete ~ Unidad de datos en el Nivel de red

Trama ~ Unidad de datos en la capa de enlace Bits ~ Unidad de datos en la capa fsica


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Un puerto puede verse como una casilla postal, donde se enva el correo

de determinadas persona. Cada tipo especfico de datos, procesados pordeterminadas aplicaciones, son direccionados a su puerto respectivo. Aspor ejemplo la emulacin de terminal Telnet utiliza el puerto 23; el protocolopara envo de correo electrnico (Simple Mail Transfer Protocol SMTP)se dirige al puerto 25; la transferencia de pginas WEB con el protocoloHTTP tiene asignado el puerto 80 y para el protocolo Modbus/TCP se hareservado el puerto 502. Cada secuencia de tramas TCP, correspondientea una determinada aplicacin, se define por la direccin IP del dispositivode destino (host) y por el puerto asignado en ste para aquella. En el hostde destino la combinacin de direccin IP propio y puerto TCP sedenomina socket, nico para cada aplicacin.

Cuando una secuencia de tramas es iniciada en un host, ste determinaun puerto propio libre y el puerto en el host remoto con el cual se debeestablecer la conexin, segn la aplicacin de destino. Por ejemplo en unasesin FTP, el que la inicia podra elegir el puerto 1025 para recibir larespuesta (listen port) y el puerto 21 para comunicarse (talk port) con elhost remoto (puerto de destino predeterminado para el protocolo FTP). Elpuerto para recibir la respuesta es generalmente determinado por elsistema operativo, puede variar con cada nueva secuencia de tramas, yala aplicacin no tiene control sobre tal eleccin. Al responder, el hostremoto utiliza ese puerto para identificar cada trama de respuesta.


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Ethernet slo responde a los dos primeras capas del modelo OSI.

Los protocolos TCP / IP proporcionan los servicios de red y de transporte.Modbus representa un protocolo de capa de aplicacin.


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Ethernet slo responde a los dos primeras capas del modelo OSI.

Los protocolos TCP / IP y UDP / IP proporcionan los servicios de red y detransporte .

CIP (Common Industrial Protocol) representa un protocolo de capa deaplicacin.

EtherNet/IP utiliza dos formas de mensajera, Unconnected y Connected.Puede establecer dos tipos diferentes de conexiones:

Mensajera Explcita : de tipo punto a punto que permiten

transacciones de tipo consulta respuesta entre dos nodos. En laCapa de Transporte utiliza el protocolo TCP.

Mensajera Implcita (datos E/S data) : para la transferencia dedatos especficos de E/S, a intervalos regulares de tiempo. Por logeneral son del tipo uno a muchos, por mensajes Multicast, de tipoproductor consumidor. En la Capa de Transporte utiliza elprotocolo UDP.


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XMLSigla en ingls de eXtensible Markup Language, es un metalenguajeextensible de etiquetas desarrollado por el World Wide Web Consortium (W3C).Permite definir la gramtica de lenguajes especficos. Por lo tanto XML no esrealmente un lenguaje en particular, sino una manera de definir lenguajes paradiferentes necesidades y una estructura comn de transferencia de datos.

XML se aplica no slo en Internet, sino que se propone como un estndar parael intercambio de informacin estructurada entre diferentes plataformas. Sepuede usar en bases de datos, editores de texto, hojas de clculo y casicualquier cosa imaginable.

SOAP

Sigla en ingls de Simple Object Access Protocol es un protocolo estndarcreado por Microsoft, IBM y otros y est actualmente bajo el auspicio de laW3C. Define cmo dos objetos en diferentes procesos pueden comunicarse pormedio de intercambio de datos XML. SOAP es uno de los protocolos utilizadosen los servicios Web.

A diferencia de DCOM que es binario, SOAP usa el cdigo fuente en XML. Estoes una ventaja ya que facilita su lectura por parte de humanos, pero tambin esun inconveniente dado que los mensajes resultantes son ms largos.

SOAP funciona sobre cualquier protocolo de Internet, generalmente HTTP.


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GSM/GPRS/EDGE: Conexin por red de telefona celular. Cargo por acceso, normalmente por byte.Satlite

Aplicacin tpica: Acceso a E/S remotas, automatizacin de subestaciones, redes de distribucin, estaciones de bombeo,

gas y petrleo(Muchas de estas tecnologas estn reemplazando a lneas dedicadas o conmutadas de las telefnicas)

WiMax: Worldwide Interoperability forMicrowave Access, una tecnologa orientada a la conectividad inalmbrica en grandesdistancias

Aplicacin tpica: Punto de Acceso de mayor alcance, aplicaciones punto a punto y multipuntoWiFi: Estndar IEEE 802.11 con frecuencias en las bandas de 2,4 and 5 GHz.

Aplicacin tpica: Punto de Access2,4 GHz Propietaria: Ms robusta y con mejor desempeo que WiFi.

Aplicacin tpica: Supervisin de tanques900 MHz Propietaria: Capacidad de cubrir grandes distancias, menos afectada por falta de lnea de visin. Con mayoralcance ymejor desempeo que las aplicaciones que operan en la banda de 2,4 GHz.

Aplicacin tpica: Conexin de E/S en entorno fabril

WPAN: (Zigbee, Wireless Hart, ISA-100, etc.): Estndar de baja potencia y corto alcance, con grandes posibilidades de aplicacinen control y automatizacin industrial. Utiliza un esquema de malla (mesh), con requerimiento de lnea de visin.

Aplicacin tpica: Redes de sensores e instrumentos

PAN : Personal Area Network

LAN : Local Area Network

MAN : Metropolitan Area Network

WAN : Wide Area Network

Bluetooth: Tecnologa econmica de bajo consumo para la comunicacin inalmbrica de dispositivos electrnicos. Ofrece unaconexin robusta, con nuevas y ms potentes prestaciones en desarrollo.

Aplicacin tpica: Acceso punto a punto de corto alcance

PAN : Personal Area Network

LAN : Local Area Network

MAN : Metropolitan Area Network

WAN : Wide Area Network


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PHY : Capa Fsica

MAC : Capa de Enlace de Datos


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ESS


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Hace uso de la tecnologa spread spectrum para las comunicaciones

Se comparte un medio comn, creando dominios de colisiones

Permite la conexin en red de dispositivos porttiles (notebooks, PDAs, Tablet PCs, telfonos VoIP, etc.)

Facilita la instalacin de nuevas redes en edificios que no cuentan con la infraestructura adecuada.

Permite el acceso a Internet en lugares pblicos (hotspots en aeropuertos, cyber cafs, restaurantes,bibliotecas, hoteles, universidades, etc.)

E.I.R.P.: Equivalent isotropically radiated power (Potencia equivalente irradiada isotrpicamente)

E.I.R.P. = PT LC + GAPT : Potencia de salida del transmisor (dBm)

LC : Atenuacin del cable (dB)

GA: Ganancia de antena con respecto a antena isotrpica ideal (dBi)


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La reduccin del costo de las instalaciones de la planta: el cableado del sitio en plantas de proceso, fbricasy edificios todava representan un costo importante en un proyecto de automatizacin. Utilizando

conectividad inalmbrica para reducir o eliminar gran parte de esto es obviamente atractivo donde puedanimplementar. De esta forma se logra mejorar la comunicacin entre dispositivos sin el costo adicional delcableado.


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La norma 802.11 define el Wired Equivalent Privacy (WEP):

Encriptacin propia de las normas IEEE 802.11

Basada en algoritmo RC4, con clave simtrica y esttica (de 40 128 bits)La clave se ingresa manualmente en Clientes Inalmbricos y Access Points

En determinadas condiciones la contrasea de acceso viaja sin encriptar

Debilidades:

No asegura la privacidad.

No bloquea el acceso no autorizado a la red de la cual el Access Point forma parte

No impide que un cliente inalmbrico legtimo se conecte a un Access Point no autorizado(Rouge Access Point)

Se ve comprometida ante la prdida de algn dispositivo con la clave configurada

Mejorando la seguridad

Usar esquemas de seguridad a Nivel de Capa 2 (MAC address) o de Capa 3 (IP Security).

Implementar Redes Privadas Virtuales (VPN) con Remote Authentication Dial-In UserService (RADIUS):

Autenticacin basada por Usuario (ID + Contrasea).

Administracin centralizada de credenciales.

Uso de algoritmos de encriptacin con claves dinmicas (por sesin).

Mecanismos de autenticacin mutua de dispositivos (impide que un cliente inalmbrico sea

engaado por un Access Point no autorizado).Uso de algoritmos de encriptacin a Nivel de Aplicacin (Capa 7).

SSID mltiples

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TKIP: Temporal Key Integrity Protocol

MIC: Message

Integrity

Code

AES: Advanced Encryption Standard


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Ventajas:

La respuesta del lado Ethernet es rpida (los datos se leen de lamemoria compartida y no son afectados por el retardo de respuesta delos dispositivos serie).

El tiempo de respuesta no se ve afectado por fallas en los dispositivosserie.

Pueden usarse diferentes protocolos a cada lado del bridge.

Desventajas:

No permite utilizar comandos de programacin.Acceso limitado a los tipos de datos definidos en la memoriacompartida.

Puede dar una idea errnea del desempeo del sistema


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Ventajas:

Permite utilizar diferentes protocolos a cada uno de los lados delbridge.

Desventajas:

No permiten el pasaje de comandos de programacin, ya que sondiferentes para cada uno de los protocolos.

Acceso limitado a aquellos tipos de datos comunes a ambas redes.

Acceso limitado a aquellos consultas definidas por el diseador del

bridge.Menor velocidad de respuesta del lado Ethernet dado que los

comandos deben pasar al lado serie, procesados por los dispositivos yrespondidos antes de devolverlos a su origen.


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Ventajas:

Permite le uso de cualquier cdigo de funcin del protocolo deaplicacin, incluyendo la programacin y la actualizacin de firmware.

Desventajas:

Menor tiempo de respuesta del lado Ethernet ya que los comandosdeben ser pasados al lado serie y respondidos antes de ser devueltosal origen.

Los tiempos de respuesta del lado Ethernet son afectados por la falla

de dispositivos del lado serie.


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Ventajas:

Permite la conexin de dispositivos serie entre si aprovechando lainfraestructura Ethernet existente.

Desventajas:

Requiere el desarrollo de aplicaciones especficas en el host (porsockets) o la instalacin de un controlador de dispositivo (redirector).

Soluciones propietarias de cada fabricante


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Los cables de Fibra ptica son la eleccin indicada para aquellos enlacesque involucren altas velocidades de transmisin y grandes volmenes deinformacin [video, bases de datos], distancias grandes o interconexin desitios. Si bien ha disminuido en los ltimos aos, su costo sigue siendomayor que los cables de cobre (pares retorcidos o coaxil), y requiereconectores y herramientas de empalme especficas.

Las caractersticas de los cables de fibra ptica cable los hacen indicadospara redes troncales, vinculando entre si dos o ms LANs y anillos

redundantes (FDDI rings). Pueden operar a velocidades de 100 Mbps 1Gbps, son totalmente inmunes a la interferencia electromagntica y a laposibilidad de capturas clandestinas de informacin.


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Las diferencias entre los dos tipos de fibra ptica se encuentran en eltamao y caractersticas pticas de los ncleos (la regin de la fibra por

donde viaja la luz). La fibra MultiModo tiene un dimetro mayor y su ndicede refraccin vara en forma gradual desde el centro hacia la periferia. Loscables de fibra multimodo tienen un dimetro en el rango de 50 a 100 m(un micrn, m, es la 1/25 parte del dimetro de un cabello humano). Cadafibra multimodo es capaz de transportar una seal determinada. Su mayordimetro de ncleo facilita la interconexin y por su atenuacin limita elalcance a 2.000 metros.

La fibra MonoModo se construye con un ncleo de dimetro mucho menore ndice de refraccin uniforme, con lo cual la luz se propaga en un nicomodo. Los cables de fibra monomodo presentan un ancho de banda mayory menor atenuacin que las multimodo. El dimetro del ncleo vara entre8 y 10 m. La interconexin requiere mayor precisin pero su menoratenuacin permite llegar a enlaces de hasta 20.000 metros, con mayorancho de banda.

En cualquier aplicacin que incluya fibra ptica, requiere realizar un clculo

de atenuaciones, incluyendo los conectores, empalmes y derivaciones. Dedichos clculos surge la distancia mxima que podr cubrirse utilizando undeterminado tipo de fibra ptica.


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ethernet industrial 20110927

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