COMUNICACIONES COMUNICACIONES INDUSINDUSTRIALESTRIALES
FABIANA FERREIRA
Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de ElectrónicaFacultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
CURSOCURSO
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Índice del cursoUtilización de redes de comunicación en
automatización industrial
Conclusiones
Conceptos básicos de comunicación de datos aplicables a comunicaciones industriales
Buses de campo
Utilización de Ethernet TCP-IP como red industrial
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Ing Fabiana Ferreira
• Ingeniera Electricista - Universidad de Buenos Aires . • Actualmente:
� Profesora y Investigadora en el área de Automatización Industrial, Dto de Electrónica, Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires.
� Profesora de la carrera de Especialización en Automatización Industrial , Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires.
� Profesora Pro-Titular en Universidad Católica Argentina.
� Codirectora Proyecto de investigación UBACYT I003
• Anteriores� Responsable del área de automatización y del área de formación profesional en
importante empresa del rubro � Docente de la carrera de Técnico superior en Electrónica , Instituto de Tecnología
ORT� Ha presentado diversos trabajos científicos en congresos y publicaciones
nacionales e internacionales.
Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de ElectrónicaFacultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
UTILIZACION DE REDES DE UTILIZACION DE REDES DE COMUNICACIÓN EN COMUNICACIÓN EN AUTOMATIZACION AUTOMATIZACION
INDUSTRIALINDUSTRIAL
Fabiana Ferreira
Laboratorio de Electrónica IndustrialFacultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
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Componentes de sistemas de automatización industrial
Tratamiento dela información
Comunicación
Sensores o Captadores
Actuadores
Programación
Otros procesosHMIReglaje Dispositivos
de campo
Máquina , instalación o proceso
Pre-Actuadores
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Equipos que integran un sistema de control industrial
• - Dispositivos de campo: sensores, actuadores y elementos HMI (Interfase Hombre Máquina).
- - Controladores: DCS, controladores multilazo, controles numéricos, PLC, etc.
- - Estaciones de supervisión : generalmente PC´s corriendo software SCADA HMI.
Los controladores :-reciben las señales provenientes de los transmisores, -las procesan ejecutando una lógica, programa o algoritmo de control -envían las ordenes a los actuadores.Los supervisores permiten:
- observar el estado de todo el sistema, - comandarlo,- realizar acciones correctivas, - almacenar y procesar información - comunicarse con otros sistemas de la empresa
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� Un proceso se realiza en dos estaciones separadas 500 m
Necesidades de comunicación Un proceso se realiza en dos
estaciones separadas 500 m
Para completar un lazo, se requiere un dato de un sensor distante.
Una estación de supervisión debe cambiar parámetros del proceso
Los actuadores y sensores están distribuidos en centenas de metros.
• Comunicación entre controladores
• Comunicación entre dispositivos de campo y controladores
• Comunicación entre dispositivos de campo y controladores + control distribuido
• Comunicación entre controladores y supervisión
Un sistema de mantenimiento requiere datos de tiempos de operación de una válvula
Se requiere usar una terminal de dialogo o un variador de velocidad
• Comunicación entre sistema de automatización y otros sistemas de la empresa
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Lazo de control y comunicaciones
CONTROL ACTUADOR PROCESO
MEDICION
SP e
m
VC
A/D
D/A
Algoritmo de control
CONTROLADOR DIGITAL
Alg. deControl
Alg. decontrol
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Evolución de arquitecturas
• Sistemas de control cableados
• Sistemas de control cableados con red de supervisión
• Sistemas de control en red (NCS)
• Sistemas de control fieldbus (FCS)
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Sistemas de control cableados • Dispositivos de campo cableados en forma individual a
las interfases de entrada – salida de los controladores• Comunicación con estaciones de supervisión a través de
interfases serie punto a punto o protocolos propietarios
r e d e s p r o p i e t a r i a s o s e r i e C o n t r o l a d o r
T AA TTAT
C o n t r o l a d o r
S u p e r v i s o r
C a b l e a d o i n d i v i d u a l
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Sistemas de control cableados con red de supervisión
• dispositivos de campo cableados en forma individual • Red propietaria o semi abierta entre controladores y
supervisores
R e d p r o p i e t a r i a
C o n t r o l a d o r
T AA TTA T
C o n t r o l a d o r
S u p e r v i s o r
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Sistema de control en red (Network Control System) NCS
• dispositivos de campo cableados a través de un bus de campo
• Bus de campo , red semi abierta o abierta entre controladores y supervisores
Bus de campo
Red desupervisión
Controlador
T AA TTAT
Controlador
Supervisor
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Sistema de control fieldbus(Fieldbus Control System) FCS
• La única red es el bus de campo • Se elimina el controlador• Requiere de dispositivos de campo inteligentes (smart
devices)
Bus de campo
T AA TTAT
Supervisor
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Integración de sistemas
Redes industriales
campo celda Superv. Fábrica Negoc. Comp.
Automatización. Informática.
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Red industrialRed de tiempo real utilizada en un sistema de producción para conectar
distintos procesos de aplicación con el propósito de asegurar la explotación de la instalación (comando, supervisión, mantenimiento y gestión)
Sistema de comunicación que provee servicios bajo restricciones temporalesy está constituido por protocolos capaces de gestionar estas restricciones� Garantiza que las restricciones de tiempo serán respetadas con cierta probabilidad
Adaptados al usuarioPredeterminadoServicios
AleatorioDeterminísticoTráfico
PersonasProcesosUsuario
Red de empresaRed Industrial
generalesSegún aplicaciónMétodo de comunicación
No críticoCríticoTiempo de respuestaTodos los usuariosPredeterminadaSimultaneidad
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Clasificación de redes
Red de celda o red intermediaria:� Conecta entre sí los equipos de comando
y control pertenecientes a un islote de producción
� Equipos conectados: controladores
Red de sala de comando� Transmite al operador los datos
necesarios para conducir el proceso y al proceso los cambios de consigna, parámetros, etc. emitidos por el operador
� Equipos conectados: PLC, DCS , Robots, CN con sistemas de supervisión
Red de fábrica:� Interconecta todos los sectores y
servicios de una fabrica: líneas de producción, almacén , control de calidad,servicio generales, ingeniería
� Equipos conectados: computadoras
Red de larga distancia� Conecta puntos de producción con
sistemas de supervisión y control� Núcleo de sistemas SCADA� Equipos conectados: RTU´s, PC´s,
Computadoras
Bus de campo o Fieldbus:� Red local industrial que conecta dispositivos de campo con equipos que
soportan procesos de aplicación con necesidad de acceder a estos dispositivos� Equipos conectados:
� Dispositivos de campo: captadores, actuadores, Elementos HMI � Equipos que soportan procesos de aplicación: controladores (PLC, CPU de
DCS, CN, Robot), Computadoras, Sistemas HMI
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Clasificación por dominio de aplicación
Procesos continuos
Gestión de edificios (domótica)
Industrias manufactureras
Sistemas embarcados
Transporte de energía y fluidos
Sistemas de comunicación
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Redes industriales
ASi CANbus
DeviceNetFIPIOP-Net
LonWorksInterBus-SBAC-net
WorldFIPPROFIBUS
FOUNDATION FieldbusControl – Net
Swift-NetHART
ModbusEthernetBluethoot
ZigbeeIEEE 802.11Power Line
Communication(PLC)
CONCEPTOS BASICOS DE CONCEPTOS BASICOS DE COMUNICACIONES COMUNICACIONES
INDUSINDUSTRIALESTRIALES
Fabiana Ferreira
Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de ElectrónicaFacultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
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Transmisión analógica vs. transmisión digital
Transmisión Analógica. � Evita costos de conversión AD - DA� Sistemas operando con standards conocidos y fácilmente
implementados� Ancho de banda
Transmisión Digital. � Se pueden transmitir por el mismo medio físico mayor cantidad de
informaciones� Detección y corrección de errores� Menor propensión a distorsiones e interferencias� Datos digitales pueden ser regenerados� Multipunto/direccionamiento� Seguridad (encriptación)
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Fuentes de atenuación y distorsión
• Atenuación
• Ancho de banda limitado
• Distorsión de retardo
• Ruido
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Ancho de banda• Mide la capacidad del canal de comunicación• Analógico: diferencia entre las frecuencias más altas y
mas bajas que puede llevar un canal� Ej: lineas de voz transmiten entre 300 y 3300Hz. Ancho de banda
es 3000Hz• Digital : bits por segundo: bps
� Redes industriales desde 9600 a 10 M
• Velocidad de transmisión de bits ≠ tasa de señalización• Tasa de señalización
� Numero de veces que cambia de estado una señal en un segundo � Se mide en baudios
• Diferencia depende del tipo de señalización
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Sincrónico vs. asincrónico
• Como se identifica el fin de un carácter y el inicio de otro ?
� Sincronizar emisor y receptor (comunicación sincrónica)�Debe haber un reloj común para emisor y receptor�Se debe sincronizar exactamente en que momento se emiten y
reciben los datos � Insertar dentro de la corriente de bits , bits que indiquen inicio y
fin de un carácter (comunicación asincrónica)�Se puede emitir en cualquier momento�El receptor está siempre listo
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Esquema de la comunicación
� Dos o más entidades que deseen comunicarse (emisor – receptor)
� Compartir un canal� Compartir un código
• Compartir un canal � Medio Físico
�Cable, fibra optica, radio, satélite, etc
�Medios de conexión� niveles de señal en ese canal � parámetros del canal (velocidad)� Forma de compartir el canal � Topología
• Compartir un código� Representación de info
especificas a la utilización � Encriptación � Sintaxis
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Modelo OSI (OpenOpen SystemSystem InterconnectionInterconnection )
ISO 7498 ,1984Es un modelo para las normas de interconexión y cooperación de sistemas
abiertos .Sistema abierto• comunicación entre
equipos de tipos y/o constructores diferentes
• Reglas de comunicación son públicas
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
Física
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
FísicaMedio Físico
AP AP
• Cada capa corresponde a un tipo de problema
• Dos Tipos de capas :� Capas 1 a 4: Transporte
de la información� Capas 5 a 7 : Servicios
de acceso
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Capa Física (PhL)• Asegura la transmisión de bits y la interfase entre el soporte de transmisión y el DTE• Especifica las reglas de funcionamiento y procedimiento del circuito de datos (mecánicas , eléctricas ,
ópticas)• Ej: RS232/ RS485 /X21
Capas inferiores
Capa Enlace de Datos (DLL)• Soluciona (detecta y corrige) los errores de transmisión generados en el circuito de datos.• Establece conexiones lógicas entre entidades que desean intercambiar datos
Capa de Red (NL)• Asegura la búsqueda de un camino y el encaminamiento de los datos entre las estaciones terminales
de una red mallada.• Control de la subred y ruteo de mensajes.• Ej. : X25/IP
Capa de Transporte (TL)• Garantiza el despacho ordenado de mensajes (sin errores ni duplicación)
� Corta mensajes muy largos� Junta los mensajes fragmentados
• ISO define 5 clases de protocolos de transporte
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Capas superiores
Capa Presentación• Enmascara ( para entidades AP) las particularidades debidas a código , sintaxis, o
representación de informaciones.• Permite traducir los datos de la AP a un formato y sintaxis standard.
Capa Sesión (SL)• Sincroniza y organiza el diálogo entre abonados.• Realiza la delimitación, reagrupamiento, y sincronización de datos intercambiados
entre entidades “presentación”.• Permite a la capa presentación suspender y retomar intercambios a partir de “puntos de
retoma”
Capa Aplicación (AL)• Ofrece al usuario los medios que le permiten acceder al entorno OSI • Ofrece servicios de interés general a todo tipo de AP.• Arquitectura definida en ISO 9545 • Diferentes entidades según campo de aplicación (gestión, industrial, documentos, etc.)
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Arquitectura IEEE 802
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
MAC - LLC
Física
Capa Superior
LLC
MAC
PHY
Cable de Conexión
ConectoresMEDIO
• Adaptación del modelo OSI para LAN´s.
• Divide capas 1,2 y 3 en:� Dos subcapas� Una capa
• Da el conjunto de normas para las 3 capas
PHY (PhysicalSignalling Layer)
• Asegura:� Emisión /recepción de
bits� Codificación de
señales binarias� Reconocimiento de
préambulos y delimitadores de trama
• Utiliza un “physical medium attachment” para acceder al medio
Medium Access Control (MAC)
• Reglamenta el acceso al soporte de comunicación:� Acceso Aleatorio
(CSMA...)� Por Consulta (Token)� Por tiempo (TDMA)
Logical Link Control (LLC)• Ofrece servicios al usuario:
� Emisión y recepción de tramas� Establecimiento y cierre de
conexiones lógicas� Detección de errores de secuencia de
tramas� Control de flujo
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Arquitectura OSI para redes industriales
MAC - LLC
Física
Aplicación• Arquitecturas reducidas del modelo OSI : se
“cortocircuitan” capas� Capa física:imprescindible� Capa DLL: imprescindible ( MAC)� Capa red: sólo si hay sub- redes� Capa transporte: si hay capa red� Capa sesión: sólo para gran cant. de Info� Capa presentación: se reemplaza por la
configuración� Capa aplicación: siempre es necesaria
• Redes industriales : Sólo capas 1,2 y 7
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Protocolo
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
Física
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
FísicaMedio Físico
AP AP
Protocolo ( de nivel N)• Conjunto de reglas de codificación, cooperación e intercambio entre dos o más entidades del nivel N
para suministrar los servicios N
Protocolo n 7
Protocolo n 6
Protocolo n 5
Protocolo n 4
Protocolo n 3
Protocolo n 2
Protocolo n 1
PERFILEs un conjunto preseleccionado de
servicios y protocolos organizados en capas según
modelo OSIDos equipos son comunicables
si tienen igual perfil:� todas sus capas ofrecen los
mismos servicios y protocolos
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Preámbulo
Delimitador de comienzo de tramaDirección de destino
Dirección de origen
Datos
Relleno
Longitud/tipo
Secuencia de control de trama
7 octetos
2 octetos
1 octeto
6 octetos
6 octetos
4 octetos
46-1500 octetos
Formato de una trama 802.3
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Tramas, paquetes y mensajes
Unidad de datos de protocolo- PDU(N)• Bloque de informaciones intercambiadas
entre entre dos o más unidades de nivel N• PDU niveles 1 y 2 tramas• PDU nivel 3 paquetes• PDU nivel >4 Mensajes
Las tramas en redes industriales son mucho menores que en redes LAN de datos
Ejemplo: CAN: 44 a 111 bitsFoundation Fieldbus: 11 a 278 bytesEthernet: 66 a 1520 bytes
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Rendimiento
• La cantidad máxima real de bits que se puede transmitir por segundo es menor que la velocidad � Depende por ejemplo de :
�Capacidad de procesamiento del nodo�Sobrecarga del sistema� trafico en la red
• Velocidad de datos (utiles) es distinta a la velocidad de transmisión de bits � A los datos se le agrega información formando una trama
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Tipos de comunicación
• Las redes en tiempo real requieren los tres modos
• Se aplican a todas las capas del modelo
Punto a punto:• sólo dos
entidades • Primario/secundari
o,• Emisor/ receptor,• Pozo / fuente,• Cliente/servidor.
Multipunto• Más de dos
entidades involucradas
Difusión• Todas las
entidades conectadas están involucradas
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Modelos de Cooperación
Cliente-servidor
Productor-consumidor
• Forma en que dos o más entidades del mismo nivel deciden realizar los intercambios
• Se aplican a todas las capas del modelo
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Cliente - servidor• El cliente emite una demanda de servicio al servidor (requisitoria- REQ)• El servidor trata la demanda y envía una respuesta al cliente (respuesta)
• Ej: el cliente le pide al servidor que envíe el valor de una variable
Cliente
Cliente
Serv.
Serv.
Enviar dato A
A= 25
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Cliente - servidor
Pros• Es un modelo general• Implementa gran cantidad
de servicios• Permite mecanismos de
control del intercambio (ACK)
Contras• El tiempo de respuesta no está
predefinido• No simultaneidad:
� Si un servidor recibe dos pedidos de dos clientes distintos los trata en secuencia
� Si un cliente debe demandar a dos servidores lo hace en secuencia.
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Productor- consumidor
• Modelo multipunto• El productor de un dato lo envía a todos los
consumidores• Iniciativa de emisión: productor• Iniciativa de producción : puede ser debida a un cliente
entre los consumidores • El dato contiene un identificador
Lectura de velocidad en un lazo cerrado con variador
PLC
MonitoreoRPM Variador
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Productor- consumidor
Pros• No requiere indicación de fuente o
destino• Permite la gestión del tiempo• Mecanismo de eliminación de valores
viejos al llegar los nuevos• Coherencia temporal
Contras• Solo incluye servicio de
difusión • El dato se emite aunque no se
necesite• No incluye mecanismos de
control
Productor-Distribuidor- Consumidor (PDC)• Tres tipos de procesos ( independientes o coordinados):
� Productor: produce localmente el valor del objeto� Consumidor: recopia el valor original en un valor local� Distribuidor: desencadena la transferencia y la recepción
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Comparación CS y PDC
Cliente- servidor� Implementa diversos servicios
� Bipunto
� No simultaneidad
� Variación de los datos
� Se intercambia sólo lo que es necesario
PDC� Sólo está definido para datos
� Multipunto
� Simultaneidad� Uniformidad de los datos� Se pueden intercambiar datos
no necesarios
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Intercambio de datos
• Cíclico• Datos se difunden en el bus
según un tiempo configurado (periódico)
• puede ser usado en productor/consumidor
• Mecanismos de scheduling
Por requisitoria • Acíclico• Tipo cliente- servidor
Dirigido a eventos• Los datos se emiten cuando
hay cambio de estado.• Necesita chequeo de la de
presencia de los dispositivos
cada 1000 mscada 250 ms
I/O 1 I/O 2 I/O 3cada 25 ms
Arbitrador
CPU
I/O 1 I/O 2 I/O 3
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Control de errores
• Dos mecanismos de control de errores en el receptor� Para decidir (con cierta probabilidad) si la info recibida tiene
errores� Para pedir repetición de la info si hay errores
• Estrategias de control de errores � Hacia delante
�Cada carácter o trama contiene información adicional que permite detectar errores y en que punto ocurrieron
� Retrospectivo �Solo se sabe si hay errores pero no dónde �Hay que pedir retransmisión para corregir o desechar toda la
trama
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Caracterización de los errores
• Tasa de errores =BER� Probabilidad de que un solo bit esté alterado� Ej : BER = 0,001: 1 bit cada mil está alterado
• Tipos de errores� Bits aislados� ráfagas
• Mecanismos de detección � Paridad (detecta 1 bit erróneo en un carácter pero no dice donde
está )� Suma de Bloque (BCC): para una trama – Puede detectar donde
está el error� Redundancia ciclica (CRC): para una cadena de bits detecta
ráfagas de errores
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Capa física en redes industriales• Cada protocolo define su :
� Soporte físico: � Cable blindado (doble o simple par), cable especial, fibra óptica, wireless� Muchas redes permiten varios medios físicos distintos
� Conexiones � Especialmente diseñadas para soportar ambientes industriales� Que permitan conexión y desconexión de dispositivos con la red operando� Posibilidades de extensión de la distancia� Terminadores para evitar reflexiones de la señal
� Velocidad de transmisión:� Inversamente proporcional a la distancia� Se aceptan varias velocidades aunque todos los dispositivos conectados a una misma
red deben estar a igual velocidad� De 10 kbps a 10 Mbps
� Señalización : � Como se traduce un 0 o 1 del código a niveles de tensión o corriente
� Topología: � distancia, cantidad de nodos, distribución
� Seguridad intrínseca� Alimentación
� Llevar alimentación y potencia por la red� Conexión de fuentes
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Topologías Típicas
Esclavo
Estrella Linea Rama o Bus Arbol
Esclavo
Esclavo
Maestro
Controlador
Maestro Maestro
Controlador
MaestroMaestro
Controlador
MaestroMaestro
Controlador
Maestro
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
EsclavoEsclavo
EsclavoEsclavo
Esclavo Esclavo
Esclavo
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Mecanismos de Acesso al Medio(MAC)
Determinísticos• Se sabe exactamente
cuando le toca acceder a cada estación� pasaje de token� TDMA (Time Division
Multiple Access)
Ventaja:� se conocen los
tiempos de respuesta
De Acceso aleatorio• Cada estación accede
al medio cuando necesita transmitir� CSMA (Carrier Sense
Multiple Acces)
Ventaja:• Velocidad de respuesta
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CSMACarrier Sense Multiple Access
• Cada estación intenta acceder al medio cuando lo requiere� Si hay otra estación que intenta transmitir : Colision.� La reacción ante colisiones (contención) define distintos tipos de CSMA
• CSMA-CD (Collision Detection)� Cuando hay colisión:
� Los dos nodos dejan de transmitir
� Envian señal perturbadora� Esperan un periodo aleatorio� Intentan retransmitir
� Ej: Ethernet- IEEE 802.3
ST2 ST3 ST4
ST1
• CSMA-CA (Collision Avoidance)� El nodo revisa si el canal está ocupado antes de transmitir� Problema : cuando no se pueden escuchar entre sí todos los nodos
� Se agregan bloques especiales � Ej: IEEE 802.11
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Pasaje de Token• Solo la estación con el
token envia mensajes (tmax)• no periódico• Problemas:
� pérdida de token� mensajes urgentes
• Ej: IEEE 802.4 (bus) e IEEE 802.5 (ring)
ST2 ST4
ST1T
TT
• TDMA (Time Division MultipleAcces)• token Passing implícito• Basado en un ciclo repetitivo y
fijo� NUT ( Network Update Time)
• Cada nodo accede al medio en orden secuencial definido por su MAC ID
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Subcapa LLC
• Formación de bloques� Subdividir una corriente de bits� Inserción de campos
� Inicio y fin de trama
• Control de Flujo� Proceso que controla la tasa a que
los datos son intercambiados� En el caso de nodos emisor y
destino con diferente carga o de diferente velocidad• Control de errores
� Corrección de error por retransmisión
� Corrección de error autónoma
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Control de flujo
Funciones• Organiza y selecciona los
caminos para no saturar el sistema
• Limita la cantidad de información en la red (velocidad de informaciones transmitidas)
• Prevé los recursos necesarios en el receptor ( tamaño buffer de recepción)
Aplicación a RLI• No tiene sentido pues hay un solo
camino
• Si el tráfico está identificado no tiene sentido porque el dato i+1 reemplaza al i
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Conexión
• Conexión= canal lógico de nivel N por el que pasan los PDU (N)� Puede haber conexión en cada nivel del OSI ( N-Connection)� El establecimiento de la conexión se negocia entre las dos N-entidades � Los servicios pueden ser con o sin conexión.
� Permite a dos entidades comunicantes saber que están presentes y en relación antes de comenzar a intercambiar datos.
� Permite negociar ciertos parámetros (ej. Tamaño máx de datos)� Asegura el control de flujo
• Fases de una conexión� Establecimiento de la conexión: Transmisión de un PDU de
apertura/Recepción de la respuesta/Negociación de parámetrosSi una de las entidades no se puede comunicar la conexión fracasa
� Transferencia de datos� Fin de la conexión