Topologies de Xarxa, Medis i Protocols de Comunicació

Topologia de les Xarxes

Estrella (Ethernet)

• Configuració punt a punt radial amb doble enllaç a un node central.
• Node central:
  1. Concentrador (HUB), un repetidor multiport que treballa a la capa física, reenviant els bits rebuts per un port a tots els altres ports.
  2. Commutador (Switch), un dispositiu d'interconnexió multiport que treballa a la capa d'enllaç. És capaç d'identificar quin node està connectat a cada port (la seva adreça) i, en conseqüència, pot retransmetre la dada rebuda a través d'un port únicament al port on està connectat el node destinatari.
• Transmissió half-duplex (amb concentrador, mentre s'envien missatges no se'n poden rebre) o full-duplex (amb commutador, es poden rebre i enviar missatges simultàniament).
• Els nous nodes s'afegeixen connectant-se a un port lliure del node central, sense necessitat d'aturar la xarxa.
• Encara que s'espatlli un node o es trenqui un enllaç, la xarxa continua operativa.
• Si s'espatlla el node central, la xarxa deixa de ser operativa.

Bus

• Configuració multipunt en línia. Quan un node envia un missatge, aquest es transmet en les dues direccions oposades del bus, arribant a tots els nodes. Les resistències terminals absorbeixen el senyal quan arriba als extrems del bus, evitant el fenomen de rebots o reflexions.
• Transmissió half-duplex (només un missatge pot estar enviant-se amb èxit pel medi).
• Calen resistències terminals de línia, que han de coincidir amb la impedància característica de la línia de transmissió (el medi). Si no, el senyal es reflecteix, sobreposant-se al senyal original i distorsionant-lo.
• Els nous nodes s'afegeixen inserint-los (cal aturar la xarxa) i es fa mitjançant un connector tipus T.
• Encara que s'espatlli un node, la xarxa continua operativa.
• Si es trenca un enllaç, la xarxa deixa de ser operativa.

Anella

• Configuració en cadena, circular.
• Transmissió símplex (les trames sempre circulen en el mateix sentit).
• Cada node es connecta a la xarxa mitjançant un dispositiu especial que: regenera el senyal (transmissió robusta), és capaç d'inspeccionar els camps de la trama (adreces) i modificar-los si convé (confirmació).
• Els nous nodes s'afegeixen inserint-los: cal aturar la xarxa.
• Si s'espatlla el dispositiu o es trenca un enllaç, la xarxa deixa de ser operativa.

Estàndards Ethernet

10Base2

1. 10 Mbps, segment de 185 m, fins a 4 repetidors i 30 nodes per segment (màxim).
2. Cable coaxial de Ø 5 mm.
3. Topologia de bus.
4. Resistències terminals de 50 Ω.
5. Codificació Manchester.

10BaseT

1. 10 Mbps i segment de 100 m.
2. Parell trenat UTP.
3. Topologia d'estrella.
4. Codificació Manchester.

Xarxes Industrials

Arquitectura CIM

1. A la base (nivell de procés) tenim tots els dispositius que interaccionen amb la planta (sensors, actuadors, robots).
2. A continuació hi ha el nivell de cel·la, constituït pels elements de control (controladors digitals, PLCs, controladors de robot).
3. Per sobre hi ha el nivell de planta amb els sistemes de supervisió (SCADA).
4. Finalment, el nivell empresa agrupa els ordinadors del departament d'enginyeria. Tots els dispositius es comuniquen mitjançant un conjunt de xarxes interconnectades.

Per tant, seran xarxes diferents, però interconnectades, per permetre la transferència de dades entre les diferents xarxes.

• Integra totes les tasques d'una fàbrica:
  • Interacció amb el procés
  • Control
  • Supervisió
  • Planificació de la producció
  • Gestió d'estocs
  • Màrqueting
  • Disseny de producte
  • Control de qualitat
• L'objectiu de l'organització jerarquitzada és permetre la coordinació i comunicació de tots els dispositius i nodes de la planta, per millorar el rendiment del procés de fabricació.

Aspectes dels Protocols de Comunicacions

Característiques del Medi

• Quan un senyal es propaga per un medi de transmissió, les components freqüencials s'atenuen.
• Amplada de banda del medi de transmissió: rang de freqüències en què l'atenuació és uniforme.
• Convé que l'amplada de banda del senyal sigui inferior a l'amplada de banda del medi.
• La velocitat de transmissió màxima assolible en un medi és inversament proporcional a la seva longitud.
• L'atenuació limita la longitud màxima del medi. Per assolir distàncies més grans cal utilitzar repetidors.

Medis de Transmissió

• Medi guiat: l'ona electromagnètica es propaga confinada a un medi sòlid. Exemples: parell trenat, cable coaxial i fibra òptica.
• Medi no guiat (sense fils): L'ona no està confinada. Exemples: atmosfera, espai.

Parell Trenat

És el medi guiat més econòmic i popular.

Característiques físiques:

• Dos conductors trenats, per reduir els efectes de les pertorbacions electromagnètiques.
• Feixos de parells trenats embotits en un embolcall protector (Unshielded Twisted Pair, UTP), opcionalment apantallat també amb una malla metàl·lica (Shielded Twisted Pair, STP) per reduir els efectes de les pertorbacions electromagnètiques.
• Categories 1-8: com més alta la categoria, millor protecció contra pertorbacions electromagnètiques (augmenta el nombre de trenes per unitat de longitud) i major velocitat de transmissió de bits.

Característiques de transmissió digital:

• Pocs MHz i Mbps.
• Repetidors cada 2 o 3 km.

Cable Coaxial

Més car i menys popular.

Característiques físiques:

• Una ànima de coure concèntrica amb material dielèctric aïllant i un conductor extern en forma de malla metàl·lica per reduir els efectes de les pertorbacions electromagnètiques. Tot plegat, de Ø 1 o 2 cm. Permet obtenir millors prestacions en amplada de banda del medi i màxima velocitat de transmissió de bits assolible.

Característiques de transmissió digital:

• Centenars de MHz i Mbps.
• Repetidors de 1 a 9 km (les distàncies màximes assolibles entre repetidors ho són per a les velocitats de transmissió especificades; això vol dir que si treballem amb pocs Mbps, les distàncies màximes assolibles serien molt superiors a les definides per al cable de parell trenat).

Fibra Òptica

És el medi de transmissió més car i, per tant, menys popular.

Característiques físiques:

• Un nucli concèntric amb un revestiment, ambdós de cristall o plàstic de característiques òptiques diferents. Cada fibra: Ø 2/125 μm i pes reduït. S'acostumen a agrupar en feixos.
• Immunitat a les pertorbacions electromagnètiques.

Característiques de transmissió digital:

• Emissió de llum mitjançant díode o làser.
• Propagació multimodal (si la propagació es fa mitjançant molts raigs provinents d'una mateixa font) i monomodal (si només es permet la propagació mitjançant un sol raig; aquesta s'aconsegueix reduint el diàmetre de la fibra fins a ser de l'ordre de la longitud d'ona). La qualitat de la transmissió és molt millor en fibres monomodals, ja que hi ha menys dispersió.
• Pocs GHz i Gbps.
• Repetidors cada 10 km.

Transmissió Asíncrona

Sincronisme i Delimitació de Bits:

• Les trames es distribueixen en caràcters, que s'envien individualment.
• El sincronisme es produeix de forma puntual en una transició 1 (repòs) → 0 a l'inici de cada caràcter. D'aquesta manera, el sincronisme de bit es produeix cada vegada que s'inicia un caràcter. El receptor, coneixent la velocitat de transmissió de bits, és capaç de llegir diversos bits consecutius utilitzant el seu propi rellotge.
• El nombre de bits que componen el caràcter està limitat per evitar la pèrdua de sincronisme.

Sincronisme i Delimitació de Trames:

• Una trama està composta de diversos caràcters, que es transmeten de forma independent, un a un, amb un format conegut per emissor i receptor (NO compta els delimitadors).
• Si el contingut de la trama és text (caràcters imprimibles), la trama es delimita amb els caràcters de control (no imprimibles) STX (02h) i ETX (03h).
• Si el contingut de la trama són dades binàries, els delimitadors STX i ETX es precedeixen amb el caràcter de control (no imprimible) DLE (10h). Si aquest apareix en el contingut de la trama, es duplica.

Transmissió Síncrona

Sincronisme i Delimitació de Bits:

• El sincronisme es produeix de forma regular en totes les transicions de la trama, gràcies a un DPLL (Digital Phase Locked Loop), un dispositiu que ajusta el rellotge del receptor cada vegada que detecta una transició de bit, en funció de si la transició s'ha avançat o retardat respecte al moment en què s'esperava que es produís.
• En el procés de codificació s'assegurarà que el senyal presenti transicions amb suficient regularitat (exemples: Manchester, farciment de bits...).
• El DPLL opera de forma progressiva: requereix un nombre determinat de transicions abans de garantir la sincronia plena. Una trama s'acostuma a iniciar amb un bloc de bits de sincronització, que serveixen per assolir la plena sincronia.

Sincronisme i Delimitació de Trames:

• La trama es delimita amb uns patrons binaris, no caràcters. El bloc de sincronització és per garantir el sincronisme de bit.

Control de l'Accés al Medi

A partir d'aquí, els aspectes de comunicació s'emmarquen en la capa d'enllaç de dades.

El control de l'accés al medi és un mecanisme necessari per repartir eficientment la capacitat del medi entre un conjunt de nodes que el comparteixen.

• Reserva estàtica: la capacitat del medi es reparteix en canals i cada node té un canal assignat permanentment. Si no s'utilitza, es perd (el canal no el pot aprofitar cap altre node).
• Reserva dinàmica: l'assignació s'adapta en tot moment a les necessitats.
  • Centralitzat: un node especial s'encarrega de l'assignació. És senzill, però poc robust i poc eficient.
  • Distribuït: assignació mitjançant la col·laboració de tots.
  • Rotació circular: assignació seqüencial. Adequat per a transmissions freqüents.
  • Competició: assignació en base a la resolució d'una pugna. Adequat per a transmissions esporàdiques.

Pas de Testimoni

Un conjunt de nodes es van passant de forma rotativa una trama especial (el testimoni, el qual serveix per autoritzar el node que el rep a accedir al medi si ho desitja). Cada node sap quin és el següent node a qui passar el testimoni.

Mecanisme de rotació circular (els nodes van tenint accés al medi de forma rotativa a mesura que van rebent el testimoni), distribuït (tots els nodes contribueixen a passar el testimoni) i reserva dinàmica (si un node no té res a enviar, passa el testimoni al següent node, donant-li la possibilitat de fer-ho).

Quan un node rep el testimoni, si vol pot accedir al medi transmetent trames pròpies fins a assolir un llindar màxim (en bits transmesos o en temps).

Tant si ha enviat trames pròpies com si no en volia enviar, a continuació passa el testimoni al següent node de la llista.

És possible en les topologies d'anella, bus i estrella.