Arquitectura de Redes Modelo de Referencia OSI

Arquitectura de Redes
Modelo de Referencia OSI
Tecnologías de Control
Índice
TEMA – Arquitectura de Redes – Modelo de Referencia OSI
1. – Introducción
1.1 – Jerarquías de Protocolos
1.2 – Comunicación entre Niveles
2. – Modelo de Referencia OSI de ISO
2.1 – Niveles de Referencia
2.2 – Enlace entre Sistemas
2.3 – Comunicación entre Niveles
2.4 – Unidades de Datos
2.5 – Servicios y Primitivas
3. – Arquitecturas de Redes Industriales
3.1 – Redes de Planta
3.2 – Buses de Campo
Introducción
Ö Jerarquías de Protocolos
Ö Niveles de Comunicación
Ö Problemas de Diseño para las Capas
Jerarquías de Protocolos
Ö Capas o Niveles: Organización de las redes
Ö Protocolos: Reglas y convenciones utilizadas entre capas
del mismo nivel en diferentes máquinas
Ö Procesos Pares: Entidades que forman las capas
correspondientes en máquinas diferentes
Ö Interfases: Enlace entre capas adyacentes en la misma
máquina
9 Servicios
9 Primitivas
Ö Arquitecturas de Red: Conjunto de capas y protocolos
Comunicación entre Niveles
3
Filósofo - Kenia
Orrictogalus
caniculus
Filósofo - Francia
Mensaje
J’aime des
lapins
Traductor
Me gustan
los conejos
Secretaria
1
Traductor
I: Swahili
2
3
Fax: #.....
I: Español
Me gustan
los conejos
Información
para el
traductor
remoto
I: Francés
Información
para la
secretaria
remota
Fax: #.....
2
Me gustan
los conejos
Secretaria
I: Español
Me gustan
los conejos
Problemas en el Diseño de Capas
Ö Mecanismos de Conexión: Cada capa su mecanismo
Ö Reglas para la Transferencia de Datos:
9 Comunicación Simplex
9 Comunicación SemiDuplex
9 Comunicación Duplex
Ö Control de Errores
Ö Ordenación de Mensajes
Ö Longitud de Mensajes
Ö Conversaciones Múltiples
Ö Encaminamiento entre Redes
1
OSI de ISO
Ö Introducción
Ö Niveles de Referencia
Ö Enlace entre Sistemas
Ö Comunicación entre Niveles
Ö Unidades de Datos
Ö Primitivas
Ö Tipos de Servicios
OSI – Introducción (I)
Significado
9 OSI: Open Systems Interconnection
9 Modelo de referencia de 7 capas o niveles
9 Aprobado por ISO en 1984
Necesidad
9 Caos en el intercambio de información en la telecomunicaciones
9 Imposibilidad para el usuario de alcanzar un entorno multi-proveedor
Ventajas
9 Establecimiento de un marco sintáctico y semántico único
9 Definición de interfaces para la modularización con varios proveedores
9 Claridad que potencia el desarrollo
RACIONALIZACIÓN DE LA TELEMÁTICA
OSI – Introducción (II)
Objetivos
9 Dividir la red de comunicación en un número mínimo de capas independientes
con un mínimo común entre capas independientes
Sistema de 7 niveles
Necesidad de 7 Niveles
9 Una capa por cada nivel diferente de abstracción
9 Cada capa realiza una función bien definida
9 La función de cada capa se debe elegir pensando en la definición de protocolos
estandarizados internacionales
9 Minimizar el flujo de información entre capas
9 Suficientes capas para no agrupar diferentes funciones en la misma capa, pero
no tantas que sea inmanejable
Especificaciones
9 SÍ lo que debe hacer cada capa (funcionalidad)
9 NO cómo lo debe de hacer (servicios y protocolos exactos)
OSI – Niveles de Referencia
7 Niveles
NIVEL DE APLICACIÓN
NIVEL DE PRESENTACIÓN
NIVEL DE SESIÓN
NIVEL DE TRANSPORTE
NIVEL DE RED
NIVEL DE ENLACE
NIVEL FÍSICO
OSI – Nivel Físico
Nivel Físico
Funcionalidad
APLICACIÓN
• Transmisión de bits por un canal de comunicación
PRESENTACIÓN
Cometido
• Interfaces mecánicas y eléctricas:
- Conectores, resistencias terminadoras,...
- Nivel de tensión para tener 0 ó 1
- Tipo de modulación
- Tiempo de duración de un bit
TRANSPORTE
RED
ENLACE
Medios de Transmisión
• Par trenzado
• Cable coaxial
• Fibra óptica
SESIÓN
• Ondas de radio
• Microondas
• Infrarrojos
FÍSICO
OSI – Nivel de Enlace (I)
Nivel de Enlace
Funcionalidad
APLICACIÓN
• Mecanismos de acceso a la red
• Comunicación entre dos equipos próximos
PRESENTACIÓN
SESIÓN
Subcapas
• El nivel de enlace se puede dividir en 2 subcapas:
ƒ LLC (Logical Link Control)
ƒ MAC (Medium Access Control)
LLC
ENLACE
MAC
TRANSPORTE
RED
ENLACE
FÍSICO
OSI – Nivel de Enlace (II)
LLC - Logical Link Control
ƒ Concepto de enlace:
- 2 máquinas unidas por un medio de transmisión
ƒ Establece un acceso fiable entre 2 nodos adyacentes de una red:
- Inicializar o terminar el enlace
- Detección y corrección de errores
- Sincronización según sea el protocolo:
• Orientado al bit
• Orientado al carácter
- Control de flujo
MAC - Medium Access Control
ƒ Cómo controlar el acceso al medio compartido (mecanismo de arbitraje):
- Acceso por contienda
• Ethernet
- Acceso sin contienda: paso de testigos
• Token Ring
• Token Bus
OSI – Nivel de Red
Nivel de Red
Funcionalidad
ƒ Garantiza que la información que entra por un lado de la
red salga por el otro extremo:
- Encaminamiento
- Control de congestión
- Recuperación
- Servicios en función de la calidad de la red
- Facturación
Tipos de Redes
ƒ
Según el tamaño:
- LAN (Local Area Network)
- MAN (Metropolitan Area Network)
- WAN (Wide Area Network)
APLICACIÓN
PRESENTACIÓN
SESIÓN
TRANSPORTE
RED
ENLACE
FÍSICO
OSI – Nivel de Transporte
Nivel de Transporte
Funcionalidad
ƒ Separa el servicio de red del servicio de usuario
ƒ Garantizar un servicio independizándolo de cómo funciona
la red
ƒ Es una capa extremo a extremo: se consigue comunicación
entre aplicaciones de la máquina origen y destino
ƒ Es el equivalente entre aplicaciones finales a lo que es el
nivel de enlace entre máquinas
ƒ Establecer y liberar conexiones
ƒ Control de flujo (diferente del de nivel de enlace)
ƒ Puede multiplexar varias conexiones de transporte sobre
una de red, o una conexión de transporte sobre varias de
red
APLICACIÓN
PRESENTACIÓN
SESIÓN
TRANSPORTE
RED
ENLACE
FÍSICO
OSI – Nivel de Sesión
Nivel de Sesión
Funcionalidad
ƒ
ƒ
ƒ
Establecer la sesión lógica entre 2 máquinas,
poniendo las reglas de diálogo
Sincronización entre procesos
Administración del testigo
APLICACIÓN
PRESENTACIÓN
SESIÓN
TRANSPORTE
RED
ENLACE
FÍSICO
OSI – Nivel de Presentación
Nivel de Presentación
Funcionalidad
ƒ
Trata sobre el significado de la información
• Semántica
• Compactación
• Encriptación
• Seguridad
APLICACIÓN
PRESENTACIÓN
SESIÓN
TRANSPORTE
RED
ENLACE
FÍSICO
OSI – Nivel de Aplicación
Nivel de Aplicación
Funcionalidad
ƒ
ƒ
Proporcionar servicios al usuario de la aplicación
directamente.
Aplicaciones específicas de uso general
• Correo electrónico
• Transferencia de datos y ficheros
• Terminal virtual
• Transferencia y administración de trabajos
• Comandos
APLICACIÓN
PRESENTACIÓN
SESIÓN
TRANSPORTE
RED
ENLACE
FÍSICO
OSI – Enlace entre Sistemas
Repetidor
Puente
Enrutador
Pasarela
OSI – Filosofía OSI
Elementos Básicos de OSI
¿QUÉ?
¿CÓMO?
¿DÓNDE?
Coaxial <> Par trenzado
Ethernet
Token Ring
Token Bus
Transferencia
de ficheros
FTAM FTP
PC
SERVICIO
PROTOCOLO
INTERFAZ
OSI – Comunicación entre Niveles (I)
Protocolo entre entidades pares
Entidad de nivel
N+1
Entidad de nivel
N+1
SERVICIOS
PETICIÓN DE
SERVICIO
Interfaz
Protocolo entre entidades pares
Entidad de nivel
N
Entidad de nivel
N
OSI – Comunicación entre Niveles (II)
IDENTIFICADOR DE
CONEXIÓN N
SAP N
ENTIDAD
N+1
NIVEL
N+1
INTERFAZ
NIVEL
N
DIRECCIÓN
SAP N
ENTIDAD
N
ENTIDAD
N
CONCEPTO DE SAP (Service Access Point)
OSI – Unidades de Datos (I)
Proceso que envía
SESIÓN
Proceso que recibe
AH DATOS
APLICACIÓN
APDU
PRESENTACIÓN
Protocolo de aplicación
APLICACIÓN
PRESENTACIÓN
DATOS
Protocolo de presentación
PH
Protocolo de sesión
SH
PPDU
SESIÓN
Prot de transporte
TRANSPORTE
RED
ENLACE
TH
RED
TPDU
LH
FÍSICO
TRANSPORTE
SPDU
Prot de red
NH
ENLACE
NPDU
BITS
FÍSICO
Trayectoria real que siguen los datos
OSI – Unidades de Datos (II)
N+1
Service Data
Unit
Protocol Data Unit
SDU
PCI
PDU
N
Protocol Control
Information
Interface Control
Information
ICI
Interface Data Unit
IDU
N-1
SDU
ICI
OSI – Unidades de Datos (III)
Fragmentación
PCI
Agrupación
SDU
PDU
PDU
SDU
SDU
PCI
SDU
PCI
SDU
PDU
N+1
N
SDU
OSI – Primitivas (I)
ƒ
ƒ
Un servicio se especifica de manera formal con un conjunto de PRIMITIVAS
(operaciones) disponibles para que un usuario u otra entidad acceda al servicio.
Las primitivas indican al servicio que debe efectuar una acción o que notifique
la acción que haya tomado la entidad par.
NIVEL
N+2
ORIGEN
DESTINO
NIVEL
N+1
NIVEL
N
NIVEL
N-1
PETICIÓN
CONFIRMACIÓN
RESPUESTA
INDICACIÓN
OSI – Primitivas (II)
NIVEL N+1
Niveles 1...N cooperando
cada uno con su par
Usuario de
servicios A
PROVEEDOR DE
SERVICIOS
NIVEL N+1
Usuario de
servicios B
INDICACIÓN
PETICIÓN
CONFIRMACIÓN
RESPUESTA
No hay relación
directa en el tiempo
OSI – Tipos de Servicios (I)
Tipos de Servicios
¾ Existen 2 clasificaciones:
9 Según las primitivas
ƒ Confirmados:
• Confirmado por el usuario
• Confirmado por el proveedor
ƒ No confirmados:
• Iniciado por el usuario
• Iniciado por el proveedor
9 Según los niveles
ƒ Orientados a la conexión
ƒ No orientados a la conexión
OSI – Tipos de Servicios (II)
Proveedor de
Servicios
Usuario A
Usuario B
Petición
Indicación
Usuario A
Proveedor de
Servicios
Usuario B
Petición
Indicación
Tiempo
Respuesta
Confirmación
Tiempo
Confirmación
SERVICIO CONFIRMADO POR EL
USUARIO
Proveedor de
Servicios
Usuario A
Usuario
B
SERVICIO CONFIRMADO POR EL
PROVEEDOR
Usuario A
Proveedor de
Servicios
Usuario
B
Petición
Indicación
Tiempo
SERVICIO NO CONFIRMADO
INICIADO POR EL USUARIO
Indicación
Tiempo
Indicación
SERVICIO NO CONFIRMADO
INICIADO POR EL PROVEEDOR
OSI – Tipos de Servicios (III)
Usuario A
Proveedor de
Servicios
Usuario B
Usuario A
Proveedor de
Servicios
Usuario B
CONNECT.ind
CONNECT.req
DATA.req
Tiempo
Tiempo
DATA.ind
CONNECT.conf
CONNECT.resp
ESTABLECIMIENTO
CONFIRMADO
Usuario A
Proveedor de
Servicios
TRANSFERENCIA DE DATOS
NO CONFIRMADA
Usuario B
DISCONNECT.ind
DISCONNECT.req
Tiempo
LIBERACIÓN NO CONFIRMADA
EJEMPLO DE
SERVICIO
ORIENTADO A
LA CONEXIÓN
OSI – Tipos de Servicios (IV)
Usuario A
UNIDATA.req
Proveedor de
Servicios
Usuario B
Tiempo
UNIDATA.ind
EJEMPLO DE
SERVICIO NO
ORIENTADO A
LA CONEXIÓN
TRANSFERENCIA DE DATOS
NO CONFIRMADA
Estructura Jerárquica de la Comunicaciones Industriales
Integración de dispositivos de control
Nivel de
corporación
Gestión y diseño
Host y estación de trabajo
Nivel de
planta
Nivel de
proceso
Nivel de
célula
CN
API
Célula A, B, C..
Nivel de
campo
M
sensor
actuador
regulador
Planificación y
control de producción
Estación de trabajo
Control del proceso
Estación de trabajo,
PC industrial
Fabricación
API’s, CN’s, Robots,
PC industrial
Sensores, actuadores,
pequeños sistemas
Pequeños autómatas
de control
Estructura Jerárquica de la Comunicaciones Industriales II
Nivel
Nivel
Planta
Planta
Nivel
Nivel
Planta
Planta
Tiempo
Tiempo de
de
Ciclo
Ciclo de
de Bus
Bus
<<1000
1000 ms
ms
Tiempo
Tiempo de
de
Ciclo
Ciclo de
de Bus
Bus
<<1000
ms
1000 ms
Nivel
Nivel
Proceso
Proceso
Nivel
Nivel
Célula
Célula
Tiempo
Tiempo de
de
Ciclo
Ciclo de
de Bus
Bus
<<100
100 ms
ms
Tiempo
Tiempo de
de
Ciclo
Ciclo de
de Bus
Bus
<<100
100 ms
ms
Nivel
Nivel
Dispositivo
Dispositivo
Nivel
Nivel
Campo
Campo
Tiempo
Tiempo de
de
Ciclo
Ciclo de
de Bus
Bus
<<10
ms
10 ms
Tiempo
Tiempo de
de
Ciclo
Ciclo de
de Bus
Bus
<<10
10 ms
ms
Arquitectura MAP (I)
Ö Nace en la General Motors
Ö Objetivo: comunicar equipos de diferentes fabricantes
Ö Consistente con el modelo de referencia OSI de ISO
Ö Estandarizada para IEEE 802.3 y para IEEE 802.4
Ö Servicios MMS
Ö Definida en ISO 9506 parte I y II
Arquitectura MAP (II)
Aplicaciones de usuario
7b
MMS
FTAM
DS
APLICACION
ISO 8650/2 ACSE
7a
PRESENTACION
ISO 8823
SESION
ISO 8327
TRANSPORTE
ISO 8073, clase 4
RED
ISO 8473
2b
ENLACE
2a
FISICO
ISO 8802.2, LLC
ISO 8802.3
CSMA/CD
ISO 8802.4
Token-Bus
Alternativas de Integración Industrial
Ö Buses de actuadores – sensores:
9 Se han presentado múltiples iniciativas
8 Interbus de Phoenix Contact
8 AS-i (Actuador-Sensor Interface)
8 DeviceNet (Controller Area Network CAN)
Ö Buses de campo:
9 Se han presentado múltiples iniciativas
8 Bitbus de Intel
8 PROFIBUS de origen alemán
8 ControlNet (Controller Area Network CAN)
Requisitos para Redes de Planta
Ö Diseñada para transmitir grandes cantidades de datos
Ö Posibilidad de conectar gran número de estaciones
Ö Gran extensión de la red
Ö Se aceptan mayores costes de conexión
Ö Exigencias de tiempo real más reducidas
Requisitos para el Bus de Campo
ÖCaracterísticas de un Bus de Campo
9 Diseñado para transmitir pequeñas cantidades de datos
9 Cubrir necesidades de tiempo real
9 Tener gran compatibilidad electromagnética
9 Número reducido de estaciones
9 Fácil configuración
9 Protocolos simples y limitados
9 Bajos costes de conexión
9 Pseudoconsistente con el modelo OSI de ISO
ÖVentajas que Aporta
9 Reducir coste de cableado de la instalación
9 Facilita la ampliación o reducción de elementos
9 Permite integrar los dispositivos menos inteligentes
Requisitos para el Bus de Sensores/Actuadores
•
Tiempo de ciclo breve y constante
•
Alta fiabilidad de la transmisión con datos de
Maestro
pequeño tamaño y alta eficacia del protocolo
•
Transmisión simultanea de datos de E/S y
mensajes sin influencia mutua
•
Manejo sencillo
.
.
.
Buses de Campo (I)
Ö Los buses de campo conectan actuadores, controladores,
sensores y dispositivos similares en el nivel inferior de la
estructura jerárquica de la automatización industrial.
Ö Una arquitectura de bus de campo es un sistema abierto de
tiempo real. Pero no necesariamente ha de conformarse con el
modelo OSI de 7 capas, pues es más importante que la
conexión sea de bajo coste y alta fiabilidad frente a las
posibilidades de interconexión a redes generales.
BUS DE CAMPO
CONTROLADOR
Válvula Presión Temperatura
Flujo
Buses de Campo (II)
Ö Objetivo: Reducción y simplificación del cableado a costa de
reducir la disponibilidad de la información (codificación digital
muestreada en el tiempo y discretizada en su valor).
9 La información se multiplexa temporalmente
8 Canal bidireccional
8 Se requiere un procedimiento de acceso de la información al canal
8 Se requiere un método de identificación de la información transmitida
mensaje 1 mensaje 2
mensaje 3
Controlador
Transmisor
Actuador
Buses de Campo (III)
Ö Valor añadido: Aprovecha la tecnología para otras funcionalidades
9 Carga y descarga de programas
9 Seleccionar y controlar la ejecución de programas
9 Indicación continuada de operatividad y estado
9 Transmisión de información adicional a la de control
(Válvula: nº ciclos/día, temperatura carcasa, max/min/med, etc)
9 Identificación de dispositivo
9 Otras funcionalidades
Controlador
COMM
COMM
A/D D/A
uC+conv
Estructura de Capas del Bus de Campo (I)
Ö La configuración más ampliamente consensuada es la de tres capas,
correspondientes a las capas física, enlace de datos y aplicación. También
usualmente se considera la capa de usuario.
Capa de Usuario
Capa de Aplicación
Capa de Enlace
Capa Física
Bloques funcionales
Modelos abstractos
Perfiles de dispositivos
Capa de Usuario
Servicios de aplicación
Servicios de mensajería
Capa de Aplicación
Establecer y liberar el enlace lógico
XXXX
Control de errores y flujo en el
enlace
Capa de Enlace
Sincronización de la transmisión
Capa Física
Control de acceso al medio
Velocidad de transferencia
Topología y distancias máximas
Codificación y transmisión de datos
Carac. electr. mecán. funcionales.
Estructura de Capas del Bus de Campo (II)
Modelo OSI
Modelo Fieldbus
USUARIO
USUARIO
APLICACIÓN
Especificación de
Mensaje de FB
USUARIO
PRESENTACIÓN
SESIÓN
Subnivel de
Acceso FB
TRANSPORTE
Stack de
Comunicaciones
RED
ENLACE
ENLACE
FÍSICO
FÍSICO
FÍSICO