apuntes sobre comunicaciones industriales

Curso 2º DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD/ELECTRÓNICA

C.I.F.P de Avilés

COMUNICACIONES INDUSTRIALES

Teoría

SCADA

Maquetado © Julián Antón Pérez (septiembre de 2014) Familia Profesional ELECTRICIDAD/ELECTRÓNICA

Versión del documento : v2.0

Documentos Alumnos

0.1 PRÓLOGO

El documento describe la parte teórica correspondiente, introduciendo al alumno en los conceptos fundamentales en cuanto a las comunicaciones industriales aplicables en los modernos sistemas de automatización, ejemplificándose en cada caso con el estudio de algunos de los estándares existentes.

AUTOM ATIZACIÓN INDUSTRIALS 

Apuntes alumnos

El presente documento se elabora en el contexto de las clases impartidas en el Módulo Profesional de COMUNICACIONES INDUSTRIALES.

© Julián A.

2/2

Documentos Alumnos

0.1

PRÓLOGO ........................................................................ 2

0.2

ÍNDICE. ......................................................................... 3

CAPÍTULO 1 1.1

- PRINCIPIOS DE COMUNICACIÓN ...........................12

INTRODUCCIÓN ............................................................... 13 1.1.1

1.1.2

SISTEMAS DE CONTROL EN UNA COMUNICACIÓN INDUSTRIAL ............... 17 1.1.1.1

CENTRALIZADO ......................................................................................................................17

1.1.1.2

DISTRIBUIDO..........................................................................................................................18

EL MODELO DE INTERCONEXIÓN DE SISTEMAS ABIERTOS – ISO/OSI: . 19 1.1.2.1


Apuntes alumnos

0.2 ÍNDICE.

1.1.3

© Julián A.

1.1.2.1.1

CAPA FÍSICA.................................................................................................................... 22

1.1.2.1.2

CAPA DE ENLACE DE DATOS...................................................................................... 22

1.1.2.1.3

CAPA DE RED. .................................................................................................................. 23

1.1.2.1.4

CAPA DE TRANSPORTE................................................................................................. 23

1.1.2.1.5

CAPA DE SESIÓN........................................................................................................... 23

1.1.2.1.6

CAPA DE PRESENTACIÓN............................................................................................ 23

1.1.2.1.7

CAPA DE APLICACIÓN. ................................................................................................. 23

SUPERVISIÓN, CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS: SCADA & HMI ......26 1.1.3.1

FUNCIONES ............................................................................................................................. 28

1.1.3.2

REQUISITOS .......................................................................................................................... 29

1.1.3.3

ESTRUCTURA Y COMPONENTES DE UN SCADA ...................................................... 29

1.1.3.4

1.1.4

FUNCIONES DE CADA CAPA DEL MODELO OSI:...................................................... 22

1.1.3.3.1

CONFIGURACIÓN:......................................................................................................... 29

1.1.3.3.2

INTERFAZ GRÁFICA: ................................................................................................... 29

1.1.3.3.3

MÓDULO DE PROCESO:................................................................................................ 30

1.1.3.3.4

GESTIÓN Y ARCHIVO DE DATOS: ........................................................................... 30

1.1.3.3.5

COMUNICACIONES:..................................................................................................... 30

SOFTWARE SCADA .............................................................................................................. 30

OPC (OLE FOR PROCESS CONTROL)...........................................................................30 1.1.4.1

LA PREHISTORIA – WINDOWS 3.0 .............................................................................. 32

1.1.4.2

OLE 2.0 Y WINSEM............................................................................................................... 33

1.1.4.3

LOS PRINCIPIOS DE OPC ................................................................................................. 33

1.1.4.4

OPC LA VERSIÓN 1.0 ............................................................................................................ 34

1.1.4.5

FUNDACIÓN OPC................................................................................................................... 34

1.1.4.6

UN ÁMBITO MÁS AMPLIO PARA OPC........................................................................... 34

1.1.4.7

PRUEBA DE CONFORMIDAD.............................................................................................. 34

1.1.4.8

PROPÓSITO ............................................................................................................................. 35

1.1.4.9

ARQUITECTURA OPC CLIENTE/SERVIDOR ............................................................... 36

1.1.4.10

BASES DE OPC – OBJETOS E INTERFACES ............................................................. 37

3/3

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.1.5

1.1.6

1.1.4.11

ACCESO A DATOS OPC ...................................................................................................... 37

1.1.4.12

APLICACIONES OPC ........................................................................................................... 37

1.1.4.13

ARQUITECTURA GENERAL Y COMPONENTES ........................................................ 38

1.1.4.14

SERVIDORES LOCALES Y REMOTOS .......................................................................... 38

ENTORNO CIM (COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING) ......................39 1.1.5.1

BUS DE CAMPO........................................................................................................................ 39

1.1.5.2

NIVEL DE CAMPO Y PROCESO.......................................................................................... 40

1.1.5.3

NIVEL DE CONTROL............................................................................................................. 40

1.1.5.4

RED DE FACTORÍA ................................................................................................................ 40

1.1.5.5

RED DE PLANTA ..................................................................................................................... 40

1.1.5.6

RED DE CÉLULA ...................................................................................................................... 40

REDES INDUSTRIALES. HISTORIA Y NIVELES ...................................................43 1.1.6.1

RED INDUSTRIAL .................................................................................................................. 43

1.1.6.2

UN POCO DE HISTORIA..................................................................................................... 43

1.1.6.3

NORMALIZACIÓN ................................................................................................................ 44

1.1.6.4

NORMAS IEC FIELDBUS .................................................................................................... 44

1.1.6.5

ORGANIZACIONES INVOLUCRADAS EN ELABORAR NORMAS PARA REDES

INDUSTRIALES ...................................................................................................................................... 45 1.1.6.6

1.2

NIVELES DE LAS REDES INDUSTRIALES .................................................................. 46

CONCEPTOS GENERALES SOBRE COMUNICACIONES INDUSTRIALES. 47 1.2.1

COMPONENTES DE LA COMUNICACIÓN.................................................................47

1.2.2

CONSIDERACIONES INICIALES: ..............................................................................48

1.2.3

CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN: ................................................................................50

1.2.4

VELOCIDAD CON LA QUE SE ENVÍA LA INFORMACIÓN .................................. 51

1.2.5

PARTICULARIDADES DE LA COMUNICACIÓN ......................................................54

1.2.6

UNA APROXIMACIÓN CON APLICACIÓN INDUSTRIAL...................................57

1.2.7

FUNCIONES DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL................58

1.2.8

TIPOS DE TRANSMISIONES SERIE .........................................................................59 1.2.8.1

TRANSMISIÓN SERIE ASÍNCRONA:........................................................................... 60

1.2.8.2

TRANSMISIÓN SERIE SÍNCRONA: ............................................................................. 62 No retorno a cero (NRZ, “Nonreturn to Zero”)............................................................................ 65

© Julián A.

1.2.8.2.1

No retorno a cero, invertido (NRZI, “Nonreturn to Zero, invert on ones”). ...... 66

1.2.8.2.2

Bifase ................................................................................................................................ 66

1.2.8.3

USB ............................................................................................................................................. 67

1.2.8.4

SINCRONISMOS. ................................................................................................................. 68 1.2.8.4.1

SINCRONISMO DE BIT............................................................................................... 69

1.2.8.4.2

SINCRONISMO DE CARÁCTER ................................................................................. 69

1.2.8.4.3

SINCRONISMO DE BLOQUE..................................................................................... 69

4/4

Documentos Alumnos

1.2.9

¿BANDA BASE O BANDA ANCHA? .............................................................................70

Apuntes alumnos

1.2.9.1


1.2.9.2

DECIBELIOS .............................................................................................................................71 1.2.9.1.1

Introducción ...................................................................................................................... 71

1.2.9.1.2

Definición de dB .............................................................................................................. 72

1.2.9.1.3

¿Qué significa dBm? ....................................................................................................... 73

1.2.9.1.4

Diferencia entre los decibelios de tensión y de potencia....................................... 73

1.2.9.1.5

Niveles de referencia..................................................................................................... 74

1.2.9.1.6

Atenuación y ganancia .................................................................................................... 76

1.2.9.1.7

Ejemplos de uso ............................................................................................................... 78

1.2.9.1.8

Relación señal a ruido (S/N) ......................................................................................... 78

1.2.9.1.9

Tablas de conversión entre dB y valores lineales ..................................................... 79

1.2.9.1.10

Nivel de Presión Sonora ............................................................................................... 79

1.2.9.1.11

Precisión, posiciones decimales ................................................................................... 83

ANCHO DE BANDA ............................................................................................................... 83 1.2.9.2.1

Problemas de transmisión .............................................................................................. 84

1.2.9.2.2

Ancho de banda de una señal........................................................................................ 85

1.2.9.2.3

Ancho de banda del medio físico. ................................................................................ 87

1.2.10 INTERFERENCIAS Y RUIDO ELECTROMAGNÉTICO: ...........................................97 1.2.10.1

PARÁMETROS DE UNA LÍNEA ELÉCTRICA DE COBRE ......................................... 99 1.2.10.1.1

1.2.11

© Julián A.

TIPOS DE CABLES DE COMUNICACIONES:........................................................100

1.2.10.2

PARÁMETROS DE LA FIBRA ÓPTICA........................................................................ 102

1.2.10.3

COMUNICACIÓN BALANCEADA VS COMUNICACIÓN NO BALANCEADA 106

1.2.10.4

BLINDAJE Y APANTALLADO ....................................................................................... 108

CÓDIGOS DE DETECCIÓN Y/O CORRECCIÓN DE ERRORES ............................ 109 1.2.11.1

MÉTODO DE PARIDAD SIMPLE .....................................................................................110

1.2.11.2

CÓDIGOS DE HAMMING. .................................................................................................111 1.2.11.2.1

MÍNIMA DISTANCIA DEL CÓDIGO. ..................................................................... 113

1.2.11.2.2

EJEMPLO HAMMMING (DISTANCIA 3). ............................................................. 114

1.2.11.2.3

OTROS EJEMPLOS HAMMING: .............................................................................. 116

1.2.11.3

MÉTODO DE PARIDAD LONGITUDINAL Y VERTICAL: (LRC) Y (VRC):.........118

1.2.11.4

MÉTODO DE SUMA DE COMPROBACIÓN - CHECKSUM..................................... 120

1.2.11.5

MÉTODO DE COMPROBACIÓN DE REDUNDANCIA CÍCLICA - CRC: ..............121

1.2.11.6

ESTRATEGIAS ANTE LA PRESENCIA DE ERRORES............................................ 129 1.2.11.6.1

LOS SISTEMAS DE CORRECCIÓN HACIA ADELANTE.....................................130

1.2.11.6.2

LOS SISTEMAS DE CORRECCIÓN HACIA A ATRÁS........................................130

1.2.11.7

RECUPERACIÓN ANTE FALLOS ................................................................................... 132

1.2.11.8

UTILIZACIÓN DE LOS MÉTODOS DE DETECCIÓN DE ERRORES ................ 133 1.2.11.8.1

RS232..............................................................................................................................133

1.2.11.8.2

AS-INTERFACE ...........................................................................................................133

1.2.11.8.3

PROFIBUS .....................................................................................................................133

1.2.11.8.4

MODBUS ........................................................................................................................135

5/5

Documentos Alumnos 1.2.11.8.5

1.3

COMUNICACIONES – ESTÁNDARES DE CAPA FÍSICA. ................. 139 1.3.1

NORMAS DE INTERFAZ DE LA CAPA FÍSICA ...................................................... 139

Apuntes alumnos

1.3.1.1


1.3.2

NORMALIZACIÓN ............................................................................................................... 139 1.3.1.1.1

MECÁNICAS ....................................................................................................................139

1.3.1.1.2

ELÉCTRICAS ...................................................................................................................139

1.3.1.1.3

FUNCIONALES...............................................................................................................140

ESTANDAR EIA - RS232.............................................................................................. 140 1.3.2.1

INTRODUCCIÓN: RS232/EIA 232 ............................................................................... 140

1.3.2.2

ESPECIFICACIONES MECÁNICAS - EL CONECTOR RS232 .............................. 142

1.3.2.3

ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS .............................................................................. 142

1.3.2.4

ESPECIFICACIONES FUNCIONALES ......................................................................... 143 1.3.2.4.1

1.3.2.5

1.3.2.6

SEÑALES DE DATOS DEL CANAL PRINCIPAL: ....................................................144

CONTROL DE FLUJO. ........................................................................................................ 144 1.3.2.5.1

CONTROL DE FLUJO HARDWARE ...........................................................................144

1.3.2.5.2

CONTROL DE FLUJO SOFTWARE ...........................................................................148

TIPO DE CABLES Y CONEXIONADO RS232 ............................................................ 149 1.3.2.6.1

CABLE DTE (PC) CON DCE (módem):.........................................................................149

1.3.2.6.2

CABLE NULL MODEM (PC-PC) SIN CONTROL DE FLUJO HARDWARE: ........150

1.3.2.6.3

CABLE NULL MÓDEM (PC-PC) CON CONTROL DE FLUJO HARDWARE:........150

1.3.2.6.4

CABLE NULL MÓDEM (PC-PC) MIXTO 1: ................................................................ 151

1.3.2.6.5

CABLE NULL MÓDEM (PC-PC) MIXTO 2:................................................................152

1.3.2.6.6

CABLE LOOPBACK.........................................................................................................152

1.3.3

ESTANDARES EIA RS 449, RS 422 Y RS 485 (ISO 8482) ................................ 153

1.3.4

ESTANDÁR EIA RS - 422 ............................................................................................ 154

1.3.5

ESTÁNDAR EIA RS 485 ............................................................................................... 156 1.3.5.1

CONSIDERACIONES DE VELOCIDAD EN RS 485. ................................................. 157

1.3.5.2

CONEXIONADO DE REDES EN RS 485..................................................................... 158 1.3.5.2.1

CONEXIÓN A 2 HILOS. ..............................................................................................158

1.3.5.2.2

CONEXIÓN A 4 HILOS. .............................................................................................159

1.3.5.3

CONTROL TRIESTADO EN DRIVER RS-485 ............................................................ 160

1.3.5.4

TERMINADORES ................................................................................................................. 162

1.3.5.5

RESISTENCIAS DE POLARIZACIÓN (BIAS)........................................................... 163

1.3.5.6

EJEMPLO CONEXIONADO S7-200 Y MICROMASTER - RS-485...................... 164

1.3.5.7

EJEMPLOS RS-485: RED MULTIPUNTO: ................................................................... 166 1.3.5.7.1

1.3.6

EQUIPOS DE REFRIGERACIÓN EN SUPERFICIE COMERCIAL: ......................167

CONVERSIÓN ENTRE NORMAS FÍSICAS. ............................................................ 169 1.3.6.1

CONVERSOR RS-232 / RS-485 (PC / PLC S7-200) .................................................. 169 1.3.6.1.1

1.3.6.2 © Julián A.

ETHERNET ....................................................................................................................136

ESQUEMA DE UN ADAPTADOR RS-232/PPI ALTERNATIVO...........................172

CONVERSORES GENÉRICOS RS-232 / RS-485....................................................... 173

6/6

Documentos Alumnos

1.3.7

1.4

CIRCUITOS INTEGRADOS PARA CONVERSIÓN. .................................................. 174 1.3.6.3.1

EL CIRCUITO INTEGRADO MAX232. .....................................................................175

1.3.6.3.2

EL CIRCUITO INTEGRADO SN75176A. .................................................................175

1.3.6.3.3

EL CIRCUITO INTEGRADO MAX3162....................................................................175

COMPARACIÓN ENTRE NORMAS. ............................................................................ 177

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN ....................................... 180 1.4.1

INTRODUCCIÓN. ........................................................................................................... 180

1.4.2

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN. DEFINICIÓN Y EJEMPLOS .................. 180

1.4.3

PROTOCOLOS DE CONTROL DEL ENLACE DE DATOS ....................................... 183 1.4.3.1


Apuntes alumnos

1.3.6.3

1.4.4

SINCRONIZACIÓN DE TRAMA Y TRANSPARENCIA............................................ 183 1.4.3.1.1

MÉTODO DE PRINCIPIO Y FIN.................................................................................184

1.4.3.1.2

MÉTODO DE PRINCIPIO Y CUENTA .......................................................................184

PROTOCOLOS PARA COORDINACIÓN DE LA COMUNICACIÓN..................... 184 1.4.4.1

MÉTODOS CENTRALIZADOS......................................................................................... 185 1.4.4.1.1

1.4.4.2

MÉTODOS DISTRIBUIDOS............................................................................................ 185 1.4.4.2.1

1.4.4.3

1.4.5

MÉTODO DE SONDEO (POLLING)............................................................................185

PASO DE TESTIGO (TOKEN).....................................................................................186

MÉTODOS DE CONTIENDA............................................................................................ 189 1.4.4.3.1

CSMA/CD vs CSMA/CA................................................................................................189

1.4.4.3.2

ALOHA PURO.................................................................................................................194

1.4.4.3.3

ALOHA RANURADO (SLOTTER ALOHA) ...............................................................194

PROTOCOLOS SOPORTADOS POR EL PLC S7-200:.............................................. 194 1.4.5.1

PROTOCOLO PPI................................................................................................................... 195

1.4.5.2

PROTOCOLO MPI................................................................................................................. 196

1.4.5.3

PROTOCOLO PROFIBUS ................................................................................................... 196

1.4.5.4

PROTOCOLO USS ................................................................................................................ 198 1.4.5.4.1

Las características principales del protocolo USS son:.........................................199

1.4.5.4.2

Especificación del protocolo........................................................................................199

1.4.5.4.3

Configurar un accionamiento MicroMaster 4 para ser utilizado en RS-485

(ejemplificado para el protocolo USS) ......................................................................................... 200

1.4.6

© Julián A.

1.4.5.5

PROTOCOLOS DEFINIDOS POR EL USUARIO (FREEPORT) ..............................202

1.4.5.6

ESTÁNDAR IEEE 802.3 (ETHERNET)..........................................................................202

EL PROTOCOLO MODBUS ........................................................................................... 203 1.4.6.1

DIRECCIONAMIENTO MODBUS ...................................................................................203

1.4.6.2

DIRECCIONAMIENTO MODBUS S7-200 ..................................................................204

1.4.6.3

FUNCIONES MODBUS ......................................................................................................205

1.4.6.4

SINCRONIZACIÓN Y ESTRATEGIAS DE INTERROGACIÓN (POLLING) ....205

1.4.6.5

EJEMPLOS .............................................................................................................................206 1.4.6.5.1

READ COIL STATUS (FUNCTION CODE FC = 01)............................................... 206

1.4.6.5.2

READ INPUT STATE (FC = 02)................................................................................. 207

7/7


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

1.4.6.6

1.4.6.7

CAPÍTULO 2 2.1

1.4.6.5.3

LEER REGISTROS DE MEMORIA (FC = 03) .......................................................... 208

1.4.6.5.4

LEER REGISTROS DE ENTRADAS ANALÓGICAS (FC = 04)............................ 209

1.4.6.5.5

FUERZA SINGLE COIL (FC = 05)..............................................................................210

1.4.6.5.6

PREDETERMINAR REGISTRO ÚNICO (FC = 06) ..................................................210

1.4.6.5.7

FORZAR BOBINAS MÚLTIPLES (FC = 15) .............................................................210

1.4.6.5.8

PREDEFINIDOS DE MÚLTIPLES REGISTROS (FC = 16).................................... 211

MODBUS ASCII VS MODBUS RTU .............................................................................. 212 1.4.6.6.1

DELIMITACIÓN MENSAJE.......................................................................................212

1.4.6.6.2

BYTE TAMAÑO .............................................................................................................212

1.4.6.6.3

DIVIDIR BYTES DE DATOS......................................................................................212

1.4.6.6.4

ERROR DE SUMA DE COMPROBACIÓN – CÁLCULO DEL LRC ...........................213

1.4.6.6.5

ASCII vs RTU EJEMPLO:............................................................................................213

MODBUS TCP / IP ............................................................................................................... 214 1.4.6.7.1

TCP / IP............................................................................................................................214

1.4.6.7.2

MODBS RTU SOBRE TCP ............................................................................................214

1.4.6.7.3

ADU y PDU......................................................................................................................214

1.4.6.7.4

MBAP HEADER...............................................................................................................215

1.4.6.7.5

RESUMEN .......................................................................................................................215

– REDES DE ÁREA LOCAL (L.A.N) ............................ 217

INTRODUCCIÓN ............................................................. 218 2.1.1

CONSIDERACIONES INICIALES ............................................................................. 218

2.1.2

TOPOLOGÍAS .................................................................................................................. 219

2.1.3

TOPOLOGÍA EN BUS Y EN ÁRBOL............................................................................ 219

2.1.4

TOPOLOGÍA EN ESTRELLA......................................................................................... 221

2.1.5

TOPOLOGÍA EN ANILLO ............................................................................................ 222

2.1.6

OTRAS TOPOLOGÍAS. TOPOLOGÍA FÍSICA Y TOPOLOGÍA LÓGICA.......... 224

2.1.7

ESTÁNDARES EN REDES DE ÁREA LOCAL ........................................................... 226

2.2

CABLES Y CABLEADO ESTRUCTURADO ................................... 228

2.3

FIBRA ÓPTICA............................................................... 229 2.3.1

2.4

TIPOS DE CONECTORES PARA FIBRAS ÓPTICAS ............................................. 233

TÉCNICAS DE ACCESO AL MEDIO EN REDES LAN...................... 235 2.4.1

CENTRALIZADO: SONDEO ........................................................................................ 235

2.4.2

DISTRIBUIDO: COLISIONES................................................................................... 236

2.4.3

2.4.2.1

DETECCIÓN POR COLISIÓN..........................................................................................236

2.4.2.2

ALOHA PURO........................................................................................................................239

2.4.2.3

ALOHA RASURADO (SLOTTER ALOHA) ...................................................................239

DISTRIBUIDO: PASO DE TESTIGO........................................................................ 239 2.4.3.1

© Julián A.

TESTIGO EN ANILLO (TOKEN RING) ........................................................................240

8/8

Documentos Alumnos

2.4.3.2

2.5

ESTÁNDAR ETHERNET: IEEE 802.3 ...................................... 242 2.5.1

ACCESO AL MEDIO MAC. TRAMA EHTERNET ..................................................... 244 2.5.1.1

2.5.2

Apuntes alumnos

TESTIGO EN BUS (TOKEN BUS).................................................................................. 241

DIRECCIONES MAC (DIRECCIONES FÍSICAS) .................................................. 247 2.5.2.1

2.5.3

FORMATO DE LA TRAMA DE ETHERNET ..................................................................246

INFLUENCIA DEL MEDIO DE TRANSMISIÓN: 10BASE Y 100BASE .............248

PROTOCOLOS MÁS COMUNES EN LAS REDES LAN ......................................... 257 2.5.3.1

NETBEUI ................................................................................................................................258

2.5.3.2

IPX/SPX .................................................................................................................................259

2.5.3.3

TCP/IP .....................................................................................................................................260


2.5.3.3.1

Características de TCP/IP.......................................................................................... 260

2.5.3.4

DESCOMPOSICIÓN EN NIVELES DE TCP/IP..........................................................260

2.5.3.5

DIRECCIONES IP ............................................................................................................... 261

2.5.3.6

FORMATO DEL DATAGRAMA IP (CAPA INTERNET DEL MODELO TCP/IP): 264

2.5.3.7

FORMATO DEL SEGMENTO TCP (CAPA TRANSPORTE DEL MODELO TCP/IP): 266

2.5.4

DIRECCIONAMIENTO IP V4 . CLASES DE RED ................................................... 268 2.5.4.1

LAS DIRECCIONES DE CLASE A...................................................................................269

2.5.4.2

LAS DIRECCIONES DE CLASE B ..................................................................................269

2.5.4.3

LAS DIRECCIONES DE CLASE C ..................................................................................270

2.5.4.4

LAS DIRECCIONES DE CLASE D Y CLASE E............................................................270

2.5.4.5

DIRECCIONES DE RED RESERVADAS........................................................................ 271 2.5.4.5.1

2.5.4.6

Direcciones reservada para redes privadas.............................................................271

MÁSCARAS DE SUBRED - HACIENDO SUBREDES DE UNA RED

CUALQUIERA. ........................................................................................................................................272 2.5.4.7

© Julián A.

EJEMPLOS RESUELTOS: .................................................................................................275 2.5.4.7.1

Ejemplo 1: Diseño de subredes de clase B............................................................... 275

2.5.4.7.2

Ejemplo 2: Diseño de subredes de clase C.............................................................. 275

2.5.4.7.3

Ejemplo 3: Diseño de subredes de clase B. ............................................................ 276

2.5.4.7.4

Ejemplo 4 ....................................................................................................................... 276

2.5.4.7.5

Ejemplo 5. Problemas con subredes y visibilidad de recursos compartidos entre

equipos.

277

2.5.4.7.6

Ejemplo6: Ejemplos de preguntas tipo Test al respecto ..................................... 277

2.5.4.8

ASIGNACIÓN DE DIRECCIONES IP ..........................................................................278

2.5.4.9

PUERTAS DE ENLACE PREDETERMINADAS............................................................279

2.5.4.10

SERVIDORES DNS ...........................................................................................................280

2.5.4.11

ÓRDEN PING .......................................................................................................................282

9/9

Documentos Alumnos

2.5.4.12

UTILIZACIÓN DE PING PARA DIAGNOSTICAR ERRORES EN UNA RED

Apuntes alumnos

AISLADA 283 2.5.4.13

UTILIZACIÓN DE PING PARA DIAGNOSTICAR ERRORES EN UNA RED DE

REDES

283

2.5.4.14

ORDEN TRACERT ..............................................................................................................284

2.5.4.15

MENSAJES ICMP DE TIEMPO EXCEDIDO .............................................................285

2.5.4.16

RELACIÓN ENTRE DIRECCIONES IP Y DIRECCIONES FÍSICAS (MAC)...286

2.5.4.17

PROBLEMAS CON EL NÚMERO DE DIRECCIONES IP DISPONIBLES. IPV6 286


2.5.4.18

INTRANET ..........................................................................................................................287

2.5.5

4.7.- INTERCONEXIÓN DE REDES .......................................................................... 287

2.5.6

4.7.1.- CONCENTRADORES O HUB ........................................................................... 289 2.5.6.1

2.5.7

SWITCH..................................................................................................................................290 2.5.6.1.1

Interconexión de conmutadores y puentes.............................................................. 290

2.5.6.1.2

Introducción al funcionamiento de los conmutadores........................................... 290

BUCLES DE RED E INUNDACIONES DE TRÁFICO .............................................. 291 2.5.7.1

ATENDIENDO AL MÉTODO DE DIRECCIONAMIENTO DE LAS TRAMAS

UTILIZADAS.......................................................................................................................................... 291 2.5.7.1.1

Store-and-Forward........................................................................................................291

2.5.7.1.2

Cut-Through ...................................................................................................................291

2.5.7.1.3

Adaptative Cut-Through ..............................................................................................291

2.5.7.2

SWITCH - PROTOCOLO DE SPANNING TREE (ÁRBOL DE EXTENSIÓN). ..293

2.5.7.3

DIFERENCIAS ENTRE UN HUB Y UN SWITCH......................................................293

2.5.7.4

DETALLES DEL SWITCH 24 PORT FAST ETHERNET DEL AULA C204:........294

2.5.7.5

ROUTERS O ENCAMINADORES ...................................................................................294 2.5.7.5.1

Características del protocolo de enrutamiento por vector – distancia............. 297

2.5.7.5.2

Características del protocolo de enrutamiento de estado del enlace............... 297

2.5.7.5.3

Protocolo RIP (Routing Information Protocol)....................................................... 298

2.5.7.6

EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO DE ROUTERS ..................................................298

2.5.7.7

EJERCICIO ENRUTAMIENTO IP ................................................................................. 301

2.5.7.8

EJEMPLO ENRUTAMIENTO IP (PACKET TRACER 4) ............................................305

2.5.8

APERTURA DE PUERTOS EN UN ROUTER NAT .....................................................311

2.5.9

PUENTES O BRIDGES ................................................................................................... 312

2.5.10 GATEWAY ......................................................................................................................... 314 2.5.11 REDES VIRTUALES - VLANS ...................................................................................... 315

© Julián A.

2.5.11.1

SEGMENTACIÓN. .............................................................................................................. 316

2.5.11.2

TIPOS DE VLAN ................................................................................................................. 316 2.5.11.2.1

VLAN Por puerto ..........................................................................................................316

2.5.11.2.2

VLAN Por dirección MAC ...........................................................................................317

10/10


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos 2.5.11.2.3

VLAN Por protocolo.....................................................................................................317

2.5.11.2.4

VLAN Por direcciones IP............................................................................................318

2.5.11.2.5

VLAN Por nombre de usuario ....................................................................................318

2.5.11.3

4.7.7 - TÚNELES ................................................................................................................ 318

2.5.11.4

UTILIDADES E INFORMACIÓN ÚTIL RELATIVA A LOS SERVICIOS DE

INTERNET ............................................................................................................................................... 319

2.6

2.5.11.4.1

INFORMACIÓN RELATIVA A UN DOMINIO DE INTERNET.........................319

2.5.11.4.2

INFORMACIÓN RELATIVA AL SERVICIO DE INTERNET CONTRATADO 321

INSTALACIÓN DE UNA LAN (RED DE ÁREA LOCAL).................... 325 2.6.1

REALIZACIÓN DE UN LATIGUILLO PARA REDES ETHERNET....................... 328

2.6.2

CABLES DE DATOS Y CABLES DE FUERZA: .......................................................... 329

2.6.3

CABLE RECTO (PARALELO)......................................................................................... 330

2.6.4

CONFIGURACIÓN DE EQUIPOS EN RED - WINDOWS XP .............................. 333

2.6.5

2.6.4.1

EQUIPOS CON WINDOWS XP, CONFIGURACIÓN ESTÁTICA........................333

2.6.4.2

EQUIPOS CON WINDOWS XP, CONFIGURACIÓN DINÁMICA......................336

COMPARTIR RECURSOS ENTRE EQUIPOS DE LA RED. .................................... 336 2.6.5.1

COMPARTIR CARPETAS....................................................................................................337

2.6.5.2

COMPARTIR IMPRESORAS.............................................................................................338

2.7

REGLAS DE INSTALACION DE CABLEADO CATEGORIA 5E Y 6........ 340

2.8

INTRODUCCIÓN A INDUSTRIAL ETHENRET ............................ 341 2.8.1

PROFINET: ...................................................................................................................... 345

2.9

ANEXO: RS232 – DETALLE MARCACIÓN-LLAMADA-LIBERACIÓN. ... 351

2.10

TABLA DE ILUSTRACIONES ............................................... 354

2.11

LISTADO DE TABLAS ....................................................... 359

© Julián A.

11/11


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

CAPÍTULO 1 - PRINCIPIOS DE COMUNICACIÓN

© Julián A.

12/12

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.1 INTRODUCCIÓN La automatización de los procesos de producción industriales posibilita la mejora en el rendimiento productivo de la misma, reduciendo costes y mejorando la calidad final del producto. La automatización industrial actual ya no se basa en la mera inclusión de autómatas programables (PLC’s) para el control individual de cada una de las tareas en las que se divide la línea de producción de una fábrica, sino que en la actualidad, las comunicaciones industriales posibilitan al interconexión de cada uno de estos PLC’s individuales a un sistema maestro de control (PLC maestro), y a su vez a un sistema superior de supervisión (PC’s de supervisión), con los que los distintos departamentos (Ingeniería de Producción, planificación, dirección/gerencia, etc.) pueden conocer de primera mano y en tiempo real el estado del proceso productivo, posibilitándose la modificación de parámetros (ritmos de funcionamiento), arranque y parada de partes del proceso, o toma de datos sobre el estado del mismo.

Ejemplo bus AS-i. Cilindos, finales de carrera, sensores, etc, cableados con sólo 2 hilos (cable amarillo) a un PLC central.

Figura 1-1 : Sección de botellas vacías de Bier Schneider, Dortmund, calbleado mediante bus ASi

Ya no se trata por tanto de tener cada proceso gobernado de forma aislada y cerrada, sino que mediante la inclusión de buses de sensores/actuadores (que permiten llevar mediante un solo bus todo el cableado de entradas y salidas de cada PLC, en lugar de hacerlo mediante el tradicional mazo de cables, como es el caso del bus AS-Interface), o mediante buses de campo o buses de controladores (que permiten la interconexión de cada uno de estos PLC’s individuales entre sí, y estos a su vez a un hipotético PLC central- como es el caso de PROFIBUS o más recientemente Ethernet Industrial ), podemos tener un gobierno global del proceso productivo.

© Julián A.

13/13


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-2 : Mazo de cables vs Bus de sensores/actuadores

Asimismo, un PC (o una red de equipos informáticos) conectado a dicho bus de campo, o bus de controladores; o bien conectado al hipotético PLC maestro (si lo hubiere), posibilita las tareas de Supervisión (Visualización), Control y adquisición de datos (SCADA) del total del proceso productivo en tiempo real.

Figura 1-3 : Esquema general automatización

Con todo esto, situamos a las comunicaciones industriales en un lugar destacado, dentro del proceso de producción, y con ello, se hace cada vez más necesario formar a trabajadores cualificados en este tipo de tecnologías. Con este texto pretendemos dar una visión general de los mecanismos que tienen lugar en cada parte del proceso descrito, así como formar en el uso y funcionamiento de algunos de los sistemas de interconexión de equipos industriales más utilizados en la actualidad. Asimismo, veremos como la solución tradicional de automatización de un proceso mediante un PLC cuyas entradas y salidas se cableaban mediante un “mazo de clables”, van siendo progresivamente sustituidas por redes de sensores actuadores en las que se sablean todas las entradas y salidas que debe manejar un PLC mediante un simple par de cables (tal y como sucede con el bus de actuadores / sensores denominado Bus AS-Interface o bus Asi)

© Julián A.

14/14

Documentos Alumnos

M1

M2

M3

C1 C2

C3

Maestro


Apuntes alumnos

C4

Con AS-Interface

Con mazo de cables

Figura 1-4 : Mazo de cables vs AS-Interface

Con dicho bus (AS-Interface en este ejemplo), los distintos sensores pueden comunicarse con el controlador principal de forma que informen del estado de sus entradas/salidas, así como del valor de las posibles variables analógicas. El controlador principal elaborará les señales de control en función de la información recabada, y enviará las órdenes oportunas de nuevo a los actuadotes para que refresquen su estado. Existen buses multimaestro y buses monomaestro, en función del número de “maestros” (controladores principales) existentes en el bus. En una solución monomaestro por ejemplo, existirá un único controlador principal (maestro), siendo el resto de participantes “escalvos” del mismo. Ëstos dispositivos “esclavos” se comunican con el controlador principal (maestro), cuando éste lo solicita. La petición que realiza el controlador principlal (maestro) posibilita que los esclavos puedan “acceder al medio” de comunicación. Una de las forma de hacerlo (una de las técnicas de acceso al medio habituales) se denomina pooling, que consiste en la realización de consultas sucesivas por el propio maestro, que va “preguntando” a cada uno de los esclavos de forma secuencial (cíclica) por el estado de sus entradas/salidas. De todo ello hablaremos más adelante en este mismo texto.

La estructura de red puede elegirse libremente...

Estrella

Linea

Rama

Arbol

Controlador

Controlador

Controlador

Controlador

estro Maestro

aestro Maestro

aestro Maestro

aestro Maestro Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo Esclavo

Figura 1-5 : Topologías AS-Interface © Julián A.

15/15

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Asimismo, en este texto vamos a estudiar las distintas formas que existen hoy día para llevar a cavo este tipo de automatización distribuida (buses de actuadores sensores, buses de campo, redes informáticas y software SCADA, y concetos asociados).

¡Error!

Figura 1-6 : Diferencias: Bus sensor actuador / Bus de campo

La justificación final de todo esto es permitir entre otros beneficios una mayor capacidad de producción. Por ejemplo, incorporando un sistema de comunicaciones integrado, una empresa puede obtener obtener una serie de beneficios, como pueden ser:      

© Julián A.

La reducción de costes de producción. La mejora de la calidad. La mejora de la productividad. La reducción del almacenaje. La mejora de la efectividad de sus sistemas. La reducción de los costes de mantenimiento.

16/16

Documentos Alumnos

Para conseguir estos objetivos los sistemas de comunicaciones industriales permiten hoy día:


Apuntes alumnos

 Comunicaciones que enlacen la planta de producción con la de gestión e ingeniería de la empresa, donde se controla y supervisa el proceso de producción.  La integración de las bases de datos de la empresa (producción, pedidos, alma-cén, etc.).  La posibilidad de compartir e integar: o Software: De GESTIÓN: Textos, hojas de cálculo, bases de datos y en general sistemas ERP (por sus siglas en inglés, Enterprise Resource Planning), que son las siglas con las que se denominan los sistemas de información gerenciales que integran y manejan muchos de los negocios asociados con las operaciones de producción y de los aspectos de distribución de una compañía en la producción de bienes o servicios.etc De DISEÑO: CAD/CAE. De PRODUCCIÓN: programación de PLC’s, robots, CNC, etc. o Hardware: Tanto de oficina (impresoras, digitalizadotas, etc), como de producción (PLC’s, robots etc). Al implantar un sistema de comunicaciones se pueden conseguir ventajas como:  Tras una orden de fabricación, todos los elementos de un sistema, proceso o planta reciben de forma simultánea la información.  Permitir centralizar las señales de alarma de cada componente del proceso.  Permitir el control de la producción, ya que todos los equipos de la planta pueden enviar información a otro sistema que almacenará y procesará dicha información. Hoy en día, existen multitud de configuraciones de empresas (empresas con un único edificio, con varios edificios anexos o con varios edificios repartidos en diferentes poblaciones, países o continentes). Es por esta razón por la que podemos encontrar sistemas:  SIMPLES: Comunicación dentro de una misma planta, a través de cableado eléctrico.  COMPLEJOS: Comunicación entre diferentes plantas, a través de líneas telefónicas o satélites. 1.1.1 SISTEMAS DE CONTROL EN UNA COMUNICACIÓN INDUSTRIAL Dependiendo de la complejidad del sistema o de los componentes que intervienen en la red de comunicación, podemos clasificar el tipo de control en:  SISTEMA CENTRALIZADO. Es cuando el control se realiza sobre un solo sistema, mediante un único controlador que no debe en general coordinarse con ningún otro.  SISTEMA DISTRIBUIDO. Cuando el control se realiza sobre varios sistemas, a través de diferentes controladores que se coordinan entre sí y por tanto se comunican el estado de ejecución en el que se encuentren utilizando conexiones mediante buses oo redes industriales. Las principales características de estos dos sistemas son: 1.1.1.1 CENTRALIZADO  Sólo hay un único controlador, por lo que es en general fácil de mantener.  Es efectivo mientras el sistema no sea excesivamente grande ni complejo.  Al existir un único controlador, no existen problemas de compatibilidad.  Si el controlador falla, todo se detiene. © Julián A.

17/17


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-7: Sistema de control centralizado

1.1.1.2 DISTRIBUIDO  Para sistemas grandes o complejos.  La responsabilidad es repartida entre diferentes controladores.  Todos los controladores deben de comunicarse a través de una red.  Su capacidad tiende a ser superior a un sistema centralizado.  Se caracteriza por ser un sistema más flexible que el centralizado.  Se pueden hacer ampliaciones con otros controladores. Cuando éstos están programados y con un funcionamiento correcto, entonces se integra en la red de comunicaciones de los demás controladores.  Se puede partir de un sistema básico e ir ampliando a medida que el sistema lo exija, añadiendo módulos u otros controladores.  Permite la integración de dispositivos de diferentes fabricantes comunicables entre sí.

Figura 1-8 : Sistema de control distribuido © Julián A.

18/18

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.1.2 EL MODELO DE INTERCONEXIÓN DE SISTEMAS ABIERTOS – ISO/OSI: Es habitual comenzar el estudio de los sistemas de comunicación actuales mediante la introducción del estandar de interconexión de sistemas abiertos (Open Systems Interconnection OSI). El modelo OSI está basado en la propuesta desarrollada por la International Organization for Standardization (ISO), y constituye un primer paso hacia la normalización internacional tanto de la forma de realizar las comunicaciones entre equipos, como en la estandarización de protocolos de comunicación. Aunque éste no es el modelo adoptado globalmente en Internet (cuyo dominio lo tiene el modelo TCP/IP) su interés es grande dado que constituye un marco de referencia fundamental para los diseñadores de equipos.

Figura 1-9 : Esquema de comunicación entre 2 computadoras a través de una red

Es innumerable la cantidad de formas diferentes de concebir una red de datos, así como de establecer un diálogo entre procesadores de comunicación (tarjetas de comunicación). Unido ello al interés de interconectar entre sí equipos de diferentes fabricantes provocó la necesidad de definir el intercambio de información entre los componentes de un sistema informático con el objeto de establecer un conjunto de normas que les permitiesen cooperar. Esto motivo la creación de un conjunto de normas que deberían cumplir todos aquellos equipos que pretendieran comunicarse con otros de forma abierta. Veamos el funcionamiento de la arquitectura OSI. Supongamos que trabajamos en una empresa que consta de dos edificios. Supongamos que cada edificio de la empresa consta de siete plantas, y supongamos también que queremos enviar un mensaje desde la séptima planta de un edificio a la séptima planta del otro edificio.

© Julián A.

19/19


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-10 : Arquitectura OSI.

El paquete a enviar parte de la PLANTA 7- EDIFICIO A y tiene que llegar a la PLANTA 7EDIFICO B, y en su camino el paquete tiene que pasar por todas las plantas (hacia abajo para salir del edificio A, y hacia arriba para llegar luego a la planta 7 del edificio B). En su proceso de envío (bajada del paquete desde la planta 7 del edifico A), el paquete viaja de arriba hacia abajo de planta en planta. Supongamos que al bajar de una planta a la siguiente el paquete original se introduce dentro de otro paquete, al que se le “añaden” otros datos por parte de cada planta (asimilémoslo como “sellos” o “firmas” realizadas por los responsables de cada una de las plantas que verifican y registran el paso del paquete en su camino). Ëste proceso se denomina “encapsulación”, de forma que al final el paquete llega a la planta siguiente con información “extra” propia de la planta anterior. Al llegar a la última planta, el paquete original viene contenido dentro de otros 6 paquetes (uno por cada planta por las que ha pasado), de forma que finalmente puede ser transportado por el “cartero” que transporta el paquete a su destino (el edificio B). En su proceso de refección (subida del paquete desde la planta 1 a la 7 del edificio B), el paquete viaja hacia arriba de planta en planta en proceso inverso al descrito. Al subir de una planta a la siguiente, los responsables de planta del edificio B “desencapsulan” (desempaquetan) progresivamente el paquete, y verifican los datos de registro incluidos por los responsables de planta homólogos del edificio emisor, eliminando por tanto la información “extra” que únicamente sirve para verificación interna dentro de cada planta intermedia. El paquete original finalmente llega a la planta 7 del edificio B tras pasar todas las pruebas realizadas por las plantas anteriores. De esta forma, como vemos, al paquete original se le han ido agregando informaciones en su emisión, y se le han ido eliminando dichas informaciones en su recepción. En todo el proceso, cada planta desconoce, y ni siquiersa sabe interpretar la información que va o viene de plantas anteriores o posteriores a la suya (ya que no llega a verificar más que el paquete que le © Julián A.

20/20

Documentos Alumnos

corresponde, y no los que vengan encapsulados dentro), pasando la información final contenida a las plantas siguientes. Cada una de las capas realiza un cometido, y por tanto emite o recibe datos según un orden y un significado concreto (es decir, utiliza un protocolo concreto).


Apuntes alumnos

Pero, ¿qué función tienen cada una de las 7 plantas anteriores en este ejemplo?. De eso es precisamente de lo que habla el estandar de interconexión de sistemas abiertos (OSI). Cada una de las planta tiene una labor específica y muy concreta que realizar, de forma que si todos los fabricantes diseñan sus sistemas mediante esta estructura de funciones (o capas) de 7 niveles, dentro de las cuales cada capa realiza funciones identicas, el proceso de comunicación será finalmente copatible y estandar. Así por ejemplo, alguna de las plantas (o capas) se encarga en la emisión (la capa 1 denominada capa “física” y que corresponde con la capa inferior “a nivel del suelo”). Otras (como por ejemplo la capa 3 o capa denominada “capa de Red”), se encargan de “fragmentar” el paquete que le llega de una capa anterior, en paquetes más pequeños de tamaño manejable que enumera para facilitar que su capa “homologa” no se equivoque en la reconstrucción, de forma que todos los paquetes enviados tengan finalmente el mismo tamaño, independientemente del tamaño de paquete original. Como se ha indicado, esta misma planta sería la encargada, en la recepción, de reensamblar los paquetes en su orden adecuado, incluso solicitar aquellos que falten o que detecte que no han llegado. Asimismo, alguna de las plantas en la encargada, en la emisión, de añadir a cada paquete cierta información que luego en recepción pueda servir para detectar si se producen errores de comunicación.

Figura 1-11 : Encapsulamiento de datos I

La necesidad de fragmentar los paquetes viene como consecuencia de tener que atravesar los mismos por redes de distintos tipos. Así, en un caso ideal, un datagrama podría caber en una sola trama de red, pero no existe una longitud máxima de datagrama que se ajuste a todas las redes, por lo que en la mayoría de los casos se debe dividir el datagrama en tramas físicas. A la longitud máxima de transferencia de datos por trama de una red física se le conoce como UNIDAD DE TRANSFERENCIA MÁXIMA (MTU). Cuando un datagrama se envía por una red con MTU menor que su longitud, entonces el datagrama se divide en partes llamadas fragmentos. A este proceso se le denomina fragmentación. Para el caso de IP, el máximo valor de la MTU es 65.536 bytes. Sin embargo, ése es un valor máximo teórico, pues, en la práctica, la entidad IP determinará el máximo tamaño de los datagramas IP en función de la tecnología de red por la que vaya a ser enviado el datagrama. Por defecto, el tamaño de © Julián A.

21/21

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

datagrama IP es de 576 bytes. Sólo pueden enviarse datagramas más grandes si se tiene conocimiento fehaciente de que la red destinataria del datagrama puede aceptar ese tamaño. En la práctica, dado que la mayoría de máquinas están conectadas a redes Ethernet o derivados, el tamaño de datagrama que se envía es con frecuencia de 1500 bytes. Los datagramas pueden pasar por varios tipos de redes con diferentes tamaños aceptables antes de llegar a su destino. Por tanto, para que un datagrama llegue sin fragmentación al destino, ha de ser menor o igual que el menor MTU de todos los de las redes por las que pase.

Figura 1-12 : Encapsulamiento de datos II

1.1.2.1 FUNCIONES DE CADA CAPA DEL MODELO OSI: A modo de resumen hace un listado de algunas de las funciones que realizan las distintas capas del modelo OSI.

1.1.2.1.1

CAPA FÍSICA.

 Especifica conexión mecánica.  Transmisión de flujo de bits a través del medio. No existe estructura alguna (no se distinguen partes de un paquete sino que se transmiten bits sin necesidad de conocerse significado alguno)  Maneja voltajes (o corrientes), y pulsos eléctricos.  Especifica cables, conectores y componentes de interfaz con el medio de transmisión.  Para su envío puede utilizar codificación digital (lo más común), o modulación digital bajo portadora analógica (líneas de telecomunicaciones) según proceda

1.1.2.1.2

CAPA DE ENLACE DE DATOS.

 Estructura el flujo de bits bajo un formato predefinido llamado trama.  Para formar una trama, el nivel de enlace agrega una secuencia especial de bits al principio y al final del flujo inicial de bits.  Transfiere tramas de una forma confiable libre de errores (utiliza reconocimientos y retransmisión de tramas).  Provee control de flujo. © Julián A.

22/22

Documentos Alumnos

 Utiliza la técnica de "piggybacking" (es una técnica de transmisión de datos bidireccional. Con esta técnica, en vez de enviar ACK en un paquete individual, éste es incluido dentro del próximo paquete a enviar)


Apuntes alumnos

1.1.2.1.3

CAPA DE RED.

 Divide los mensajes de la capa de transporte en paquetes y los ensambla al final.  Utiliza el nivel de enlace para el envío de paquetes: un paquete es encapsulado en una trama.  Enrutamiento de paquetes (elección de la ruta óptica)  Envía los paquetes de nodo a nodo usando ya sea un circuito virtual o como datagramas.  Control de Congestión.

1.1.2.1.4

CAPA DE TRANSPORTE.

 Establece conexiones que virtualmente pueden suponerse que son punto a punto sin errores para el envío de mensajes.  Permite multiplexar una conexión punto a punto entre diferentes procesos del usuario (puntos extremos de una conexión).  Provee la función de difusión de mensajes (broadcast) a múltiples destinos.  Control de Flujo.

1.1.2.1.5

CAPA DE SESIÓN.

 Permite a usuarios en diferentes máquinas establecer una sesión.  Una sesión puede ser usada para efectuar un login a un sistema de tiempo compartido remoto, para transferir un archivo entre 2 máquinas, etc.  Controla el diálogo (quién habla, cuándo, cuánto tiempo, half duplex o full duplex).  Función de sincronización.

1.1.2.1.6

CAPA DE PRESENTACIÓN.

 Establece una sintaxis y semántica de la información transmitida.  Se define la estructura de los datos a transmitir (v.g. define los campos de un registro: nombre, dirección, teléfono, etc).  Define el código a usar para representar una cadena de caracteres (ASCII, EBCDIC, etc).  Compresión de datos.  Criptografía.

1.1.2.1.7     

CAPA DE APLICACIÓN. Transferencia de archivos (ftp). Login remoto (rlogin, telnet). Correo electrónico (mail). Acceso a bases de datos Etc.

Como ya se ha indicado, el modelo OSI tiene su aplicación general en cualquier sistema de comunicación (sea éste industrial, doméstico, empresarial, etc), si bien la necesidad de incluir las funciones de todas las capas anteriormente citadas sería únicamente necesario en sistemas de comunicación complejos (donde son necesarias todas las funciones que realizan las 7 capas). Ësto sólo es necesario en redes realmente complejas (muchas redes de muchos equipos interconectadas en áreas © Julián A.

23/23

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

muy extensas y con gran diversidad de tipologías). Sin embargo, en la actualidad la mayoría de estándares de comunicación no necesitan incluir las funciones de las 7 capas, síno que dado que algunos sistemas se diseñan para incluir pocos equipos en un área nada extensa, es posible hacerlos funcionar incluyendo las funciones de apenas dos capas, sin llegar a ser necesaria la inclusión del resto. Por ejemplo, en la arquitectura actual que se utiliza en Internet (denominada TCP/IP) sólo han sido incluidas 4 de las 7 capas que indica el estándar (algunas con funciones dobles). El modelo OSI es realmente un modelo de referencia (un marco teórico), que no se aplica realmente en la práctica, ya que en general en las distintas redes actuales creadas, no es nunca necesario implementar las siete capas o niveles.

Modelo OSI 7 - Aplicación 6 - Presentación 5 - Sesión 4 - Transporte 3 - Red

Modelo TCP/IP FTP, TFTP, HTTP, SMTP, DNS, TELNET, SNMP TCP (Internet) IP (Internet)

2 - Enlace de datos Ethernet (red) 1 - Física

Figura 1-13: Arquitectura TCP/IP

Como se puede ver en la siguiente comparativa, de los 7 niveles o capas que presenta el modelo OSI, el estándar que ha posibilitado la evolución de Internet solventa los problemas de comunicación en 4 capas o niveles (más la capa física de emisión final de datos), algunas de las cuales agrupan hasta 3 capas del modelo de referencia OSI.

© Julián A.

24/24


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-14 : Comparativa modelo OSI vs TCP/IP

No obstante, en la figura observamos que ambos presentan muchas similitudes, pero también algunas diferencias. Similitudes :  Ambos se dividen en capas.  Ambos tienen capas de aplicación, aunque incluyen servicios muy distintos.  Ambos tienen capas de transporte y de red similares.  Se supone que la tecnología es de conmutación por paquetes (no de conmutación por circuito). Diferencias :  TCP/IP combina las funciones de la capa de aplicación, presentación y de sesión en la capa de aplicación.  TCP/IP combina las capas de enlace de datos y la capa física del modelo OSI en una sola capa.  TCP/IP parece ser más simple porque tiene menos capas. Por seguir con ejemplo similares, otro estandar de comunicaciones ampliamente utilizado a nivel industrial hoy día, denominado PROFIBUS (PROcess FIeld BUS), en sus tres versiones posibles (PROFIBUS DP, PROFIBUS FMS o PROFIBUS PA) posee la siguiente arquitectura de capas: © Julián A.

25/25


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-15 : Protocolos PROFIBUS en función del tipo de versión (PA,FMS)

Como se ve, PROFIBUS posee una capa física (que puede ser RS-285 o fibra óptica FO), una capa de enlace (que se denomina específicamente FDL o Fieldbus Data Link), y luego ya la capa de aplicación con sus funciones disponibles (no siendo necesario incluir en general ni capa de red, ni ninguna otra de las capas de la 3 a la 6 de las indicadas en el modelo ISO-OSI). 1.1.3 SUPERVISIÓN, CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS: SCADA & HMI Continuando con el estudio previo de algunos de los conceptos manejados en los sistemas de comunicación actual, y antes de abordar con detalle el funcionamiento de los micmos, le toca el turno en este caso a los sistemas SCADA. SCADA viene de las siglas de "Supervisory Control And Data Acquisition", es decir: adquisición de datos y supervisión de control. Se trata de una aplicación software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores de control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros supervisores dentro de la empresa: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc. El acrónimo HMI (Human Machine Interface) se usa para referirse las pantallas de visualización y control que permiten la interacción entre humanos y máquinas. Las pantallas HMI son equipos autónomos (no son representaciones en pantallas de equipos informático), que se colocan generalmente al lado del controlador del que queremos “visualizar” el estado (a pie de máquina).

© Julián A.

26/26


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-16 : Sistemas de supervisión

Los sistemas SCADA permiten finalmente tener una “visión y un control remotos” de lo que sucede realmente en la parte operativa del proceso controlado, conectándose de forma indirecta al controlador principal (SCADA) o bien conectándose de forma local (a pié de planta) al controlador que gobierna una parte del proceso de producción (HMI). Las soluciones actuales relativas a la supervisión de procesos abarca no sólo procesos industriales, sino también supervisión remota de instalaciones tanto industriales como domésticas (domótica e inmótica - automatización integral de inmuebles).

Figura 1-17 : Supervisión de procesos

Tanto a través de las pantallas HMI como mediante software SCADA podemos no sólo visualizar en tiempo más o menos real (retrasos típicos de unos pocos segundos) el estado de proceso de producción de la planta, sino que en función del perfil de usuario al te tengamos acceso (mediante el correspondiente logueo), ejecutar paradas, rearmes después de una emergencia, reconfiguraciones en ritmos de producción, etc).

© Julián A.

27/27


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-18 : Tendencias en los sistemas de supervisión

1.1.3.1 Funciones Un SCADA debe cumplir tres funciones principales:  Adquisición de datos para recoger, procesar y almacenar la información recibida.  Supervisión, para observar desde el monitor la evolución de las variables del proceso.  Control para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.), bien directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas.

Figura 1-19 : Funciones de los sistemas SCADA / HMI

Además de lo anterior, los sistemas SCADA cumplen también con otras funciones avanzadas:  Transmisión reinformación, haciendo de pasarela entre los niveles superiores e inferiores de la pirámide CIM  Almacenamiento de información con capacidad de gestión de una base de datos relativa a variables del proceso.  Explotación de datos de forma estadístico, que facilita la interpretación y posterior oma de decisiones tanto a niveles de gestión estadística, financiera, etc. © Julián A.

28/28

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.1.3.2 Requisitos Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada:  Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa.  Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión).  Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario. 1.1.3.3 Estructura y componentes de un SCADA Cabe distinguir dos posibilidades. Por un lado el desarrollo a medida de un software completamente orientado a una determinada aplicación y por otra parte el uso de paquetes software que permiten la configuración completa de aplicaciones de control y supervisión. Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición, supervisión y control son los siguientes:

1.1.3.3.1

CONFIGURACIÓN:

Permite al usuario definir el entorno de trabajo de su aplicación, según la disposición de pantallas requerida y los niveles de acceso para los distintos usuarios.

1.1.3.3.2

INTERFAZ GRÁFICA:

Proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete.

Figura 1-20 : Interface gráfica

Hoy en día todos los paquetes SCADA así co mo los paneles HMI poseen opciones de configuración de acciones mediante lenguajes de macros, BASIC o C para abrir completamente el campo de posibilidades a la hora de representar los estados del proceso controlado.

© Julián A.

29/29

Documentos Alumnos

1.1.3.3.3

MÓDULO DE PROCESO:


Apuntes alumnos

Ejecuta las acciones de mando pre-programadas a partir de los valores actuales de variables leídas. La programación se realiza por medio de bloques de programa en lenguaje de alto nivel (como C, Basic, etc.).

1.1.3.3.4

GESTIÓN Y ARCHIVO DE DATOS:

Se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.

1.1.3.3.5

COMUNICACIONES:

Se encarga de la transferencia de información entre la planta y la arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre ésta y el resto de elementos informáticos de gestión. En los sistemas SCADA la tendencia actual es utilizar sistemas de comunicación basados en tecnologías OPC, mientras que los paneles HMI disponen en general de interface ethernet en sustitución de los interfaces generalmente propietarios con los que contaban anteriormente. 1.1.3.4 Software SCADA Algunos de los paquetes SCADA más implantados en el mercado son:         

CIRNET, de CIRCUTOR S.A. SCADA InTouch, de LOGITEK. WinCC, de Siemens. Coros LS-B/Win, de Siemens. SYSMAC SCS, de Omron. FIXDMACS, de Omron-Intellution. RS-VIEW32 de Rockwell GENESIS32 de Iconics INTOUCH de

1.1.4 OPC (OLE FOR PROCESS CONTROL) Otro de los conceptos que hemos decidio incluir en este instante, de forma previa a abordar con detalle el funcionamiento de los sistemas de comunicación, tiene que ver con el estandar OPC. Como hemos visto, los sistemas SCADA se basan en el uso de una aplicación informática que posiblite el control y supervisión remota del proceso de producción (por ejemplo desde organos de genrencia, o ingeniería de producción centralizados). El problema reside en que tradicionalmente el software SCADA’s se basaban en un diseño realizado de forma muy concreta y específica en función de cada fabricante en cada caso (instalación de drivers específicos para cada modelo utilizado), sin apenas compatibilidad con sistemas de otros fabricantes.

© Julián A.

30/30


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-21 : Comunicación SCADA – PLC

Sin embargo, hoy en día la estandarización en las comunicaciones es una de las exigencias cada vez mayores entre los usuarios, lo que provoca la necesidad de inclusión de técnicas de compatibilidad entre fabricantes. Así nación OPC, un sistema válido para cualquier configuración independiente del fabricante y/o modelo elegido. El OPC (OLE for Process Control) es un estándar de comunicación en el campo del control y supervisión de procesos industriales (aunque basado en tecnologías de Microsoft como OLE), que ofrece un interface común para comunicación, y que permite que componentes software individuales interaccionen y compartan datos. La comunicación OPC se realiza a través de una arquitectura ClienteServidor.

PLC’s ESCLAVOS

Figura 1-22 : OPC – Clientes y servidores

El servidor OPC es la fuente de datos, como un dispositivo hardware a nivel de planta, generalmente un equipo informático o PC, y en general se comunicará: © Julián A.

31/31

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

 Por un lado con el resto de clientes OPC, que en general serán PC’s de supervisión que ejecutarán aplicaciones SCADA con las que visualizar y controlar el estado del proceso. Dichas aplicaciones SCADA tomarán datos del servidor OPC que tendrá almacenada una imagen del estado de las variables del PLC (únicamente las variables seleccionadas).  Por otro lado con el PLC maestro de un sistema de automatización global con distribución de tareas entre distintos PLC’s esclavos del anterior. Dicho PLC maestro tiene a su vez almacenado el estado de las variables de los PLC’s esclavos (únicamente las variables seleccionadas). De forma que finalmente cualquier PC cliente puede acceder a cualquier dado de cualquier PLC esclavo. A la hora de instalar el servidor OPC en el PC correspondiente, es habitual además que dicho software ofrezca además colecciones de drivers para conectar el servidor OPC con casi cualquier equipo de automatización de un gran catálogo de fabricantes. Además de esto, cualquier aplicación basada en OPC puede acceder a dicho servidor para leer/escribir cualquier variable almacenada en el servidor. La comunicación mediante estándar OPC ofrece una solución abierta y flexible al clásico problema de los drivers propietarios. Hoy en día prácticamente todos los mayores fabricantes de sistemas de control, instrumentación y de procesos han incluido OPC en sus productos.

Figura 1-23 : OPC – Características

Como se ha indicado, OPC corresponde a un conjunto de especificaciones basadas en los estándares de Microsoft (COM, DCOM, OLE Automation y Active X) que cubren los requerimientos de comunicación industrial entre aplicaciones y dispositivos, especialmente en lo que se refiere al tiempo real. Con respecto al desarrollo histórico de este tipo de protocolo se debe señalar que inicio hacia 1990 con la aparición de Windows 3,0. En 1992 surge el sistema OLE 2,0 y luego WinSEM. Posteriormente, en 1995 se formulan los principios básicos de OPC, en 1996 surge la versión 1.0, y se crea la Fundación de OPC. Después en el 2001 se realizan las pruebas de conformidad del protocolo. Si el lector desea repasar aspectos relaccionados con las diversas etapas de desarrollo que ha experimentado el sistema OPC, o su propósito general, puede consultar los siguientes apartados. 1.1.4.1 LA PREHISTORIA – WINDOWS 3.0 Con la introducción de Windows 3.0 en 1990 se hizo posible OPC, sobre una plataforma barata, © Julián A.

32/32

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

para ejecutar aplicaciones múltiples simultáneamente. Aún mejor, Windows proporcionó un mecanismo estándar para aquellas aplicaciones que intercambian datos en tiempo de ejecución. Este mecanismo era el Intercambio de datos Dinámico, o DDE, y no mucho antes, los usuarios vieron los beneficios de tener sus procesos o datos de planta dentro de aplicaciones de propósito general como Microsoft Excel. Pronto sin embargo, las limitaciones de DDE se hicieron claras. No era muy robusto, no había ningún apoyo para DDE a través de una red, y, el peor de todos, su ancho de banda era muy limitado. Se intentó rectificar estos defectos mediante tentativas, produciendo el mayor impacto el Wonderware’s InTouchTM SCADA software, que introdujo un medio de conectar a una red el tráfico DDE (NetDDETM, que era posteriormente ocupado por Microsoft), y también aumentó el ancho de banda eficaz de DDE empaquetando objetos de datos múltiples en cada paquete o mensaje (FastDDETM). La desventaja principal de este esquema, y otros como AdvanceDDETM del Software de Rockwell, consistía en que estaban sujetos a derechos privados, requiriendo pagos a sus inventores, y así nunca se lograría un verdadero estándar de industria. 1.1.4.2 OLE 2.0 Y WINSEM Cuando OLE 2.0 se lanzó en 1992, era evidente que tarde o temprano reemplazaría los usos de DDE, porque era más flexible, más robusto, y usaba mecanismos más eficientes de transporte. Alrededor del mismo tiempo, un grupo que se llama WinSEM (Windows en Ciencia,Ingeniería y Fabricación) comenzó a reunirse en la oficina central Redmond de Microsoft. Los miembros de este grupo eran en gran parte de las áreas de control industrial y la adquisición de datos, con Microsoft actuando como catalizador. Por 1994, había un interés firme, enfocado por WinSEM, en el uso de técnicas OLE para transmitir datos de proceso entre aplicaciones (casi) en tiempo real. En particular, un número de vendedores SCADA vio la posibilidad de estandarizar el interfaz entre el núcleo SCADA y los drivers de dispositivo que eran en realidad responsables de adquirir los datos. Potencialmente, esto podía beneficiar a vendedores SCADA y fabricantes de equipo: elvendedor SCADA no tendría que invertir en la escritura de drivers, mientras el fabricante de equipo tiene que proporcionar sólo un driver que trabajase con todo el software de Windows. La oferta más interesante fue propuesta por US Data en marzo de 1995. Comparado con la especificación OPC, este documento ahora parece muy simple. Sin embargo, se establecen la mayor parte de los conceptos clave de OPC. Después de la publicación de este prometedor documento, progresó hacia un estándarmuy lento. Esto era el punto de vista de los implicados en WinSEM (incluyendo Microsoft). Esto supone el origen de OPC Task Force. 1.1.4.3 LOS PRINCIPIOS DE OPC OPC Task Force publica en 1995 ISA Show en Nueva Orleans con una nueva versión. Sus miembros eran Fisher-Rosemount (ahora Emerson Process Managment), Intellution, Intuitive Technology, OPTO 22, y Rockwell Software. Microsoft actúa como apoyo.

© Julián A.

33/33

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

La primera versión preliminar de la especificación OPC fue lanzada en diciembre 1995, y era presentado a WinSEM en Redmond en enero 1996. A pesar del resentimiento de que un grupo de élite asumiera el esfuerzo de estandarización, en conjunto la respuesta era favorable y muy constructiva. Una segunda especificación se publica en marzo 1996, y seminarios 'JumpStart' se realizan en Dallas, Texas (abril 1996), Londres, Inglaterra (julio 1996), y Japón (agosto 1996) para ofrecer una introducción a los interesados en el estándar propuesto. En cada ocasión la respuesta era positiva. 1.1.4.4 OPC LA VERSIÓN 1.0 La versión 1.0 de la especificación OPC fue lanzada el 29 de agosto 1996. Una versión1.0A corregida de la Especificación de Acceso de Datos OPC aparece en 1997. 1.1.4.5 FUNDACIÓN OPC Buscando la opinión en la industria, se tomó la decisión de que la especificación OPCdebía ser manejada por una organización independiente, no lucrativa llamada la Fundación OPC. La Fundación OPC se presentó en ISA Show en1996 en Chicago, con demostraciones de servidor OPC de varias empresas en la cabina Microsoft, y realizando la primera reunión de la Asamblea general de miembros. Posteriormente demostraciones de colaboración se han mostrado en ferias de muestras principales en el mundo entero. Algunos productos comerciales que usan OPC comenzaron a aparecer a finales de 1996. A mediados de 1998, se confirma como el estándar de industria. 1.1.4.6 UN ÁMBITO MÁS AMPLIO PARA OPC OPC Data Access 2.0 se publica a finales de 1998 y contiene documentos de especificación separados para clientes e interfaces de automatización. La especificación de cliente incluyó un mecanismo más robusto. Los interfaces de automatización, mientras tanto, fueron rediseñados para mejorar su uso, y aprovechar mejor la tecnología. También a finales de 1998, el alcance de OPC fue ampliado con la publicación de las alarmas y la especificación de interfaz de cliente de Acontecimientos, la versión 1.0. En el año 2000 se publican nuevas especificaciones de interfaz de cliente que cubren el acceso de Datos Históricos, Batch y la Seguridad. 1.1.4.7 PRUEBA DE CONFORMIDAD En el año 2001 surge la versión OPC Foundations Compliance Testing y el programa de certificación para servidores de Acceso de Datos OPC; que pronto serán ampliados para cubrir servidores de acontecimientos y Alarmas. En el 2001 también se publicó la especificación de interfaz de automatización para el acceso de Datos Histórico, y la versión 2.0 de especificación de interfaz Batch custom. Poco más se consiguió durante el 2001. La especificación de OPC es una especificación técnica no-propietaria que define un sistema de interfaces estándares basados sobre la tecnología de OLE/COM.

© Julián A.

34/34

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.1.4.8 PROPÓSITO Las aplicaciones software (ejecutándose en un PC), necesitan una manera común de acceder a los datos de cualquier fuente, como un dispositivo o una base de datos. Antes de existir la tecnología OPC, al solución siempre pasaba por disponer soluciones especificas diseñadas al efecto por los propios fabricantes, que en general hacían complejo abordar cualquier cambio en la instalación (mejora, actualización de versión, etc). Siempre estando sujeto a los requerimientos concretos del fabricante.

Figura 1-24 : OPC – antes de su aparición

Con la aparición del estándar OPC:  Los fabricantes de hardware sólo tienen que hacer un conjunto de componentes de programa para que los clientes los utilicen en sus aplicaciones.  Los fabricantes de software no tienen que adaptar los drivers ante cambios de hardware. La tecnología OPC posibilita la interconexión de sistemas, y software de terceros que sean compatibles con dicha tecnología de comunicación (dejando de estar por tanto sujeto a las indicaciones y a su vez limitaciones de un fabricante concreto).

© Julián A.

35/35


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-25 : OPC – tras su aparición

Con OPC, la integración de sistemas en un entorno heterogéneo se tornará una tarea simple.

Figura 1-26 : OPC – integración de sistemas

1.1.4.9 ARQUITECTURA OPC CLIENTE/SERVIDOR Como ya se ha comentado, como la mayoría de soluciones informáticas, la tecnología OPC se basa en la interconexión de dos aplicaciones informáticas. Una en el lado del cliente y otra que hace de servidor de datos. En las aplicaciones industriales el cliente suele ser un programa (software) SCADA que se conecta con un servidor (otro software) que se instala en un equipo donde residirán los datos leídos desde el controlador o PLC central (donde estén las bases de datos de los PLC’s del proceso).

© Julián A.

36/36

Documentos Alumnos

1.1.4.10 BASES DE OPC – OBJETOS E INTERFACES


Apuntes alumnos

Un cliente OPC se puede conectar a servidores OPC proporcionados por más de un "proveedor".

Figura 1-27 : OPC – conexionado del mismo cliente a distintos servidores

1.1.4.11 ACCESO A DATOS OPC

Figura 1-28 : OPC – acceso a datos

El acceso a los datos del servidor OPC se compone de varios elementos:  El o o  El o o  El o

servidor (server) Mantiene información sobre el servidor Sirve como container para objetos del grupo OPC grupo (group) Mantiene información sobre sí mismo Provee mecanismos para contener/organizar lógicamente ítems elemento (ítem o tag) Representan conexiones a fuentes de datos dentro de un servidor

1.1.4.12 APLICACIONES OPC  Diseñado principalmente para acceder a datos de un servidor en red.  Distintas aplicaciones: nivel más bajo pueden coger datos de aparatos físicos y llevarlo a SCADA o DCS, o de un servidor SCADA o DCS a una aplicación.

© Julián A.

37/37


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-29 : Aplicaciones OPC

1.1.4.13 ARQUITECTURA GENERAL Y COMPONENTES Dos tipos de interfaces  Interfaces Custom (obligatorio, C/C++)  Interfaces de Automatización (opcional, VB)

Figura 1-30 : Arquitectura general y componente OPC

La arquitectura OPC es un modelo Cliente-Servidor donde el Servidor OPC proporciona una interfaz al objeto OPC y lo controla. Una aplicación cliente OPC se comunica a un servidor OPC a través de un cliente OPC específico por medio de una interfaz de automatización. El servidor OPC lleva a cabo la interfaz cliente, y opcionalmente lleva a cabo la interfaz de automatización 1.1.4.14 SERVIDORES LOCALES Y REMOTOS Dos alternativas:  Los clientes se deben conectar siempre a un servidor local que hará uso de un esquema de red existente.  El cliente se puede conectar al servidor local/remoto que desee (mediante la especificación denominada DCOM. Una aplicación cliente OPC, puede conectarse por medio de una red, a varios servidores OPC proporcionados por uno o más fabricantes. De esta forma no existe restricción por cuanto a tener un Software Cliente para un Software Servidor, lo que es un problema de interoperabilidad que hoy en día se aprecia con sistemas del tipo propietario. Sistemas de control y supervisón como lo son SCADA o DCS pueden comunicarse con un Servidor OPC y proveer a este, información de los dispositivos de campo asociados. De esta forma, aplicaciones cliente OPC de otros fabricantes tendrán acceso a estos datos por medio del servidor. © Julián A.

38/38

Documentos Alumnos

1.1.5 ENTORNO CIM (COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING)


Apuntes alumnos

Asimismo, antes de abordar en detalle el funcionamiento de los sistemas de comunicación industriales, vamos a introducir a continuación lo que se entiende por niveles o pirámide CIM. La fabricación integrada por ordenador es el pilar de las plantas de producción. Por este sistema se entiende que se van a generar los diseños, órdenes de compra, gestiones de calidad, control total de los procesos de fabricación y otras que se van incorporando a medida que los avances tecnológicos van haciéndose realidad. Los niveles de complejidad tanto en la parte de automatización como en el ínterconexionado de redes actualmente, permite su análisis por jerarquías tal y como puede observarse en la

Figura 1-31 : Jerarquías de redes de comunicación

Figura 1-31 : Jerarquías de redes de comunicación

La integración de las mencionadas “islas automatizadas”, suele hacerse dividiendo las tareas entre “grupos” de procesadores jerárquicamente anidados. Lo que da como resultado una estructura de las redes industriales, en la que se distinguen los siguientes niveles: 1.1.5.1 BUS DE CAMPO Este es el nivel más próximo al proceso y se encarga de la integración de pequeños automatismos (autómatas compactos, multiplexores de E/S, controladores PID, equipos de medida, etc.) En las “islas”, que controlan distintas parcelas de un procedimiento. Generalmente, en el nivel más alto de estas redes se encuentra uno o varios autómatas modulares de gama alta, que pueden actuar como maestro de la red o en estructuras de maestro flotante. El conjunto constituye lo que se suele llamar una “célula de fabricación”.

© Julián A.

39/39

Documentos Alumnos

Apuntes alumnos

No debe confundirse el bus de campo con uniones punto a punto entre dos autómatas de la misma marca o del mismo fabricante. Muchas de estas agrupaciones carecen de protocolo y se basan en compartir ciertas áreas de memoria.


El bus de campo constituye el nivel más simple y próximo al proceso dentro de la estructura de comunicaciones industriales. Está basado en procesadores simples y utiliza un protocolo mínimo para gestionar el enlace entre ellos. Las señales de las distintas entradas/salidas que gestionan estos procesadores simples pueden a su vez ser trasportadas o bién por mazos de cables o más modernamente por buses de sensores y actuadores.

Este nivel integra pequeños automatismos (PLC compactos, PID, multiplexores de entrada y salida. En los niveles más altos podemos encontrar uno o varios autómatas modulares actuando como maestros de la red o maestros flotantes. Aquí resulta habitual emplear buses de campo.

La característica básica para que una red de comunicación se denomine bus de campo es que permita intercambiar órdenes y datos entre productos de uno o distintos fabricantes a través de un protocolo reconocido por cada uno de los nodos. 1.1.5.2 NIVEL DE CAMPO Y PROCESO

1.1.5.3 NIVEL DE CONTROL Este nivel enlaza las células de fabricación o zonas de trabajo. A este nivel se sitúan los autómatas de gama alta y los computadores dedicados al diseño, control de calidad, programación, etc.… En este nivel se suelen emplear las redes tipo LAN (MAP o ETHERNET) 1.1.5.4 RED DE FACTORÍA Para redes de oficina, contabilidad y administración, ventas, gestión de pedidos, almacén, etc.… El volumen de información intercambiada es muy alto, y los tiempos de respuesta no son críticos. 1.1.5.5 RED DE PLANTA Para intercambiar módulos y células de fabricación entre sí y con departamentos como diseño o planificación. Suele emplearse para el enlace entre las funciones de ingeniería y planificación con las de control de producción en planta y secuenciamiento de operaciones. Como ejemplo se tiene la transmisión a un sistema de control numérico del programa de mecanizado elaborado en el departamento de diseño CAD/CAM. Estas redes deben manejar mensajes, de cualquier tamaño, gestionar eficazmente errores de transmisión (detectar y corregir), cubrir áreas extensas (puede llegar a varios kilómetros), gestionar mensajes con prioridades (gestión de emergencias frente a transferencia de ficheros CAD/CAM), y disponer de amplio ancho de banda para admitir datos de otras subredes como puede ser voz, video, etc.… 1.1.5.6 RED DE CÉLULA Para interconectar dispositivos de fabricación que operan en modo secuencial como robots, máquinas de control numérico (CNC), autómatas programables (PLC), vehículos de guiado automático (AGV). Las características deseables en estas redes son: Gestionar mensajes cortos eficientemente, capacidad de manejar tráfico d eventos discretos, mecanismos de control de error (detectar y © Julián A.

40/40

Documentos Alumnos

corregir), posibilidad de transmitir mensajes prioritarios, bajo costo en la instalación y de conexión por nodo, recuperación rápida ante eventos anormales en la red y alta fiabilidad.


Apuntes alumnos

En este nivel podemos ubicar las redes MAP (MANUFACTURING AUTOMATION PROTOCOL) como ejemplo representativo.

(SISTEMA DE COMUNICACIÓN DISTRIBUIDADISTRIBUIDA)

Figura 1-32 : Arquitectura de un Sistema de Control Distribuido

La jerarquía de redes comentada en los párrafos anteriores (con la nomenclatura indicada en lo relativo a las distintas capas o niveles de dicha jerarquía), no está estandarizada y no siempre aparece reflejada de la misma forma. En cualquier caso, siempre en los niveles inferiores se encuentran los sensores y actuadotes conectados a controladores de baja capacidad (PLC’s), con los buses de entradas y salidas (como por ejemplo AS-Interface), mientras que en los niveles altos se encuentran los ordenadores de producción/planificación, SCADAS’s y ERP’s (sistemas de planificación de recursos empresariales, por sus siglas en inglés, Enterprise Resource Planning). Los ERP’s Son paquetes informáticos (software) que integran y manejan muchos de los negocios asociados con las operaciones de producción y de los aspectos de distribución de una compañía en la producción de bienes o servicios. En muchas ocasiones este sistema de control distribuido se representa mediante una pirámide de Fabricación Integrada por Computador (pirámide CIM – Computer Integrated Manufacturing).

© Julián A.

41/41

Documentos Alumnos

IBM


TIEMPO DE TRANSMISIÓN

Mbyte / m.

Desde las oficinas ...

HOST

CANTIDAD DE DATOS

Apuntes alumnos

Mbyte / h.

RED ETHERNET

CON TCP/IP

PUENTE

HEWLETT PACKARD

byte / s. GATEWAY

CISCO S YSTEMS

byte / ms. FIELDBUS, PROFIBUS, BITBUS,... d i g i

t a l

d i g i

t a l d i g i

PLC

PLC

t a l

d i g i

t a l

PLC

PLC

bits / µs.

Asi, CAN, InterBUS,... IO Mod em Bank

CANTIDAD DE NODOS

IO Mod em Bank

IO Mod em Bank

… hasta la producción

Figura 1-33 : Distintos ejemplos de niveles en pirámides CIM

En los niveles inferiores se encuentran los sensores y actuadotes interconectados a PLC’s modestos de control mediante buses de entradas y salidas. En los niveles intermedios se encuentran PLC’s de mayor capacidad (maestros), interconectados con los PLC’s de gobierno mediante buses de campo. En los niveles superiores se encuentran los sistemas SCADA y los ERP’s que se ejecutan en equipos informáticos y que toman datos de los niveles inferiores a través de servidores (generalmente OPC) interconectándose con los buses de campo mediante pasarelas ethernet. Indicar que la Planificación de Recursos Empresariales (ERP) es un término derivado de la Planificación de Recursos de Manufactura (MRPII) y seguido de la Planificación de Requerimientos de Material (MRP); sin embargo los ERP han evolucionado hacia modelos de suscripción por el uso del servicio (SaaS, cloud computing) lo que se denomina Sistema Integral de Operación Empresarial (EOS) por sus siglas en inglés Enterprise Operating System. Los sistemas ERP típicamente manejan la producción, logística, distribución, inventario, envíos, facturas y contabilidad de la compañía de forma modular. Sin embargo, la Planificación de Recursos Empresariales o el software ERP puede intervenir en el control de muchas actividades de negocios como ventas, entregas, pagos, producción, administración de inventarios, calidad de administración y la administración de recursos humanos. Los requerimientos de velocidad en los distintos buses que se integran en los niveles de la pirámide CIM, así como el volumen de información que deben manejar (datos) queda reflejada en el siguiente figura: Donde puede verse que el tamaño de la información que manejan los niveles superiores (bases de datos, gráficos estadísticas, etc.) es muy superior al tipo de datos que se manejan en niveles inferiores (sensores y actuadores que en el caso de sistemas digitales son apenas unos cientos de bit’s). Asimismo, la necesidad de refresco de información (tener presentes los valores de la información © Julián A.

42/42


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

sin demora), son críticos (no debe haber apenas demora) en los niveles bajos, dado que si un bit que corresponde con una seta de emergencia no hace actuar la protección correspondiente (el actuador que toque debe parar) de forma casi instantánea, pudiera haber problemas en la instalación, mientras que esa misma seta de emergencia puede verse reflejada en el SCADA de la ingeniería de producción (nieles superiores) tranquilamente varios segundos después de haberse producido físicamente, sin que ello afecte excesivamente a la gestión empresarial del proceso. 1.1.6 REDES INDUSTRIALES. HISTORIA Y NIVELES Por último, y como complemento antes de abordar en detalle el funcionamiento de los sistemas de comunicación industriales, se hace a continuación un repaso en la evolución de algunas de las más importantes redes industriales existentes, y su proceso de normalización. 1.1.6.1 RED INDUSTRIAL Red de tiempo real utilizada en un sistema de producción para conectar distintos proceso de aplicación con el propósito de asegurar la explotación de la instalación (Comando, supervisión, mantenimiento y gestión). De otra parte también se denomina así a un sistema de comunicación que provee servicios bajo restricciones temporales y esta constituido por protocolos capaces de gestionar estas restricciones. Garantiza entonces que las restricciones de tiempo serán respetadas con cierta probabilidad. Las redes de comunicación convencional y las industriales presentan algunas particularidades que pueden observarse a continuación.

Figura 1-34 : Cuadro comparativo red industrial vs. Red de empresa o convencional

1.1.6.2 UN POCO DE HISTORIA Las redes de comunicaciones industriales deben su origen a la fundación FieldBus (Redes de campo). La fundación FielBus, desarrollo un nuevo protocolo de comunicación, para la medición y control de procesos donde todos los instrumentos puedan comunicarse en una misma plataforma. FielBus permite disponer de una nueva tecnología para una nueva generación de sistemas de control y automatización, físicamente más simple, donde toda la rutina de control regulatorio y control lógico, es efectuado por dispositivos de campos, posibilitando además una arquitectura abierta donde cualquier fabricante de equipos de instrumentación pueda integrarse a la red de campo existen en una fabrica o empresa (Marcos Peluso, 1994). La gran mayoría de los fabricantes de instrumentos han anunciado la posibilidad de desarrollar productos basados en las especificaciones de la fundación FielBus (Henry Caro, 1997).

© Julián A.

43/43


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

En este momento existen los desarrollos liderados por organizaciones que agrupan a ciertos fabricantes, que en algunos casos tuvieron como punto de partida estándares establecidos en algunos países. Entre estos tenemos a Profibus, WorldFip y Lon Works que poseen como principal ventaja su amplia base instalada. Este trabajo estudiara el estándar Profibus, ya que esta siendo usado en el proyecto "Minera Loma de Níquel" desarrollado conjuntamente las empresas MINORCA y TECNOCOSULT. A finales de loa años 70 se establecen las primeras redes industriales propietarias. Dichas redes establecían enlaces entre controladores como los PLC algunas de las primeras fueron las de tipo MODBUS-MODICON, DCS y WPDF (WESTINGHOUSE). Con el fin de resolver algunos problemas de heterogeneidad surgen las redes LAC, FACTOR y MAP. Ya a finales de los 80 surgen las redes de PLC propiamente dichas como las TELWAY – UNITELWAY (TELEMECANIQUE), DATA HIGHWAY (ALLEN BRADLEY), SINEC (SIEMENS) y TIWAY (TEXAS). En 1982 se crea un grupo de trabajo en Francia para obtener un bus industrial único, el cual fue resumido en la especificación FIP (Factory Instrumentation Protocol). En 1983 se da inicio al P-NET en Dinamarca, y en 1984 surge la especificación CAN (Controller Area Network) de Bosch. Ya en 1985 se forma el grupo PROFIBUS en Alemania. La situación en 1990 evoluciona en el surgimiento de diversos protocolos no compatibles entre sí, muchos de ellos basados en productos existentes o prototipos: MIL1553B, Hart (Rousemount), BITBUS (Intel), que posteriormente fueron complementados con propuestas completas como FIP, PROFIBUS. 1.1.6.3 NORMALIZACIÓN El afán por lograr uniformidad en los criterios de diferentes fabricantes ha permitido que se emitan algunas normativas internacionales. Por ejemplo en 1985 se formaron los comités ISA SP50, IEC TC65/SC65C, cuyo objetivo principal era crear un único estándar FIELDBUS. De igual forma surgieron algunas normas nacionales europeas: En 1990- DS21906 (Dinamarca): PNet. 1990- DIN 19425-1 a 3 en Alemania: PROFIBUS. 1991- AFNOR en Francia y la FIP BS en Gran Bretaña: FOUNDATION. Aparece luego en 1996 la norma EN 50170 compuesta por un conjunto de perfiles sin compatibilidad entre sí: o Parte 1: P-Net o Parte 2: PROFIBUS o Parte 3: FIP o Parte 4: FOUNDATION (BS). Rechazada en 1997.  Posteriormente surge la Norma EN 50254 denominada “High Efficiency Communications Subsystems for small Data packets” que incluye: ASI, INTERBUS, PROFIBUS DP, DWF (DEVICE WORLD FIP).    

1.1.6.4 NORMAS IEC FIELDBUS La norma vigente es la IEC TC65/SC65C/WG6, la cual fue estructurándose de manera gradual a partir de otras como la norma IEC 1158-2 que dicta especificaciones sobre la capa física, y que fue © Julián A.

44/44

Documentos Alumnos

formulada en 1993. Posteriormente surge la normativa IEC 61158-1 DRAFT de DLL (FIP) que fue reachacada en diciembre de 1996.


Apuntes alumnos

Sin embargo su reforma en marzo de 1998 es aprobada y surge el estándar DRAFT DLL similar a ISA TR50.02 en sus partes 3 y 4. Ya entre 1999 y 2000 se terminan de aprobar las partes restantes de dicho estándar. A manera de reseña adicional se esbozan algunas otras normas referentes a la tecnología de FIELDBUS, quizás la de mayor relevancia en el ámbito de redes industriales:       

IEC 61158-1, Introduction IEC 61158-2, Physical Layer- Specification and Service definition IEC 61158-3, Data Link Service Definition IEC 61158-4, Data Link Protocol Specification IEC 61158-5, Application Layer protocol Specification IEC 61784, Profile Sets for Continuous and discrete manufacturing Tipos Norma IEC: o 1- FOUNDATION FieldBus o 2-ControlNet (Control Net, Ethernet/IP) o 3- Profibus (DP y FMS) o 4- P-NET (multipoint, point to point) o 5- FOUNDATION FieldBus HSE o 6- Swift Net (openAL, real Time AL) o 7- WorldFip (MPSy MCS, subsetMMS, part of MPS) o 8- Interbus (generic, extended, reduced 6/2)

1.1.6.5 ORGANIZACIONES INVOLUCRADAS EN ELABORAR NORMAS PARA REDES INDUSTRIALES Aunque se debe señalar que la diversidad de criterios entre los fabricantes de equipos ha causado algunos inconvenientes para la estandarización la perspectiva a un fututo inmediato señala hacia la creación de protocolos más abiertos en cuanto a compatibilidad de actuadores se refiere. A continuación veamos algunas de las organizaciones y consorcios que en la actualidad se encuentran en el proceso de desarrollo de estándares y normas para redes industriales:                 © Julián A.

PTO: Profibus Trade Organisation ODVA: Open Device Net Vendor Association World FIP. ASi CAN bus Device Net FIPIO P-Net Lon Works Interbus-S BAC-net WorldFip PROFIBUS FOUNDATION FieldBus Control – Net Swift-Net

45/45

Documentos Alumnos

 HART  Modbus

Apuntes alumnos

Industrias manufactureras, procesos continuos, Gestión de edificios (Domótica), Sistemas embebidos, transporte de energía y fluidos, sistemas de comunicaciones.


Los niveles de aplicación de las redes industriales y en ese sentido sus estándares de protocolos abarcan diversos campos de aplicación tales como:

En la actualidad se habla de complejos automatizados o “Islas automatizadas”, consistentes en una serie de equipos aislados entre sí y dedicados cada uno al control de una máquina o bien un grupo de las mismas mediante autómatas, variadores de velocidad, herramientas de control numérico, computadores de diseño y gestión y otros dispositivos más.

1.1.6.6 NIVELES DE LAS REDES INDUSTRIALES La automatización de las industrias ha sido un proceso de implantación gradual y escalonada aprovechando en cada momento los últimos desarrollos de las nuevas tecnologías, tanto en la fabricación de nuevos dispositivos electrónicos o de HARDWARE, así como la elaboración de nuevos y más robustos programas de control o SOFTWARE.

Los niveles de complejidad actuales de las redes permiten su análisis por jerarquías tal y como ya se comentó en el apartado 1.1.5 Entorno CIM (ComputEr Integrated Manufacturing)

© Julián A.

46/46

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.2 CONCEPTOS GENERALES INDUSTRIALES.

SOBRE

COMUNICACIONES

Abordamos a continuación de forma detallada el funcionamiento de los sistemas de comunicación actuales. Antes de ello, hay que comenzar diciendo que, para que exista, la comunicación requiere de los siguientes elementos genéricos:  Emisor, también fuente generadora del mensaje  Medio de transmisión, por el que se emite el mensaje  Receptor, recibe la información  Protocolo (significado de dicha información).

Emisor

Tarjeta o módulo de comunicación


Receptor r

Medio de transmisión

Figura 1-35 : Elementos de una comunicación

1.2.1 COMPONENTES DE LA COMUNICACIÓN El emisor es el que elabora previamente el mensaje. La comunicación debe realizarse con información rigurosa y preparada para el fin que se busca. Es más, se deben conocer las posibilidades de entendimiento del mensaje por parte del receptor. Esto origina que se introduzcan distintas formas de codificación de la información. Existe, por tanto, un formato para el mensaje. Emisor

Tarjeta o módulo de comunicación Medio de transmisión

Figura 1-36 : Emisor

El medio de transmisión exige que tanto emisor como receptor adapten la “forma física” del mensaje. Es muy probable que nos vengan a la mente las líneas telefónicas constituidas por cables y/o enlaces mediante antenas de radiofrecuencia. Además se hace indispensable una adaptación del mensaje al medio de transmisión por parte del emisor. Cuando hablamos por teléfono, nuestra voz se convierte en una señal eléctrica que varía en amplitud y en frecuencia. Para utilizar los medios tecnológicos actuales, la misma voz se convierte en impulsos eléctricos que implementan los valores binarios uno y cero. En el receptor se recogen los mensajes que llegan por el medio de transmisión. Si el formato del mensaje es reconocible, se extrae del mismo la información que se elaboró en el emisor y se procesa. Si no es un mensaje con el formato adecuado, se puede descartar o solicitar un reenvío al emisor.

© Julián A.

47/47

Documentos Alumnos


Receptor r

Figura 1-37 : Receptor

Tanto el emisor como el receptor invierten sus funciones cuando el tipo de comunicación así lo requiere. De este modo, el emisor debe ser capaz de recibir la conformidad de los envíos de mensajes y de asegurar que la comunicación con el receptor se está llevando a cabo. Así, tanto emisor como receptor emiten y reciben mensajes, es decir, envían y reciben mensajes en los formatos que se hayan establecido. El protocolo define el significado que tiene dicha información. Podemos recibir información, como por ejemplo un texto, pero si desconocemos el idioma con el que ha sido escrito dicho texto, dicha información será inútil. El protocolo define las reglas de significado y semánticas que permiten a las estaciones entenderse. Supongamos que tenemos una estación (por ejemplo un PLC emisor) y queremos comunicar información hacia otra estación (por ejemplo un PLC receptor). La forma más simple de hacerlo es unir dichos equipos mediante 2 cables (uno de datos, por los que viajará información digital, y el otro masa).

Receptor Tarjeta de comunicaciones

Emisor Tarjeta de comunicaciones


Apuntes alumnos


Figura 1-38 : Esquema general

Para realizar con éxito la comunicación tendremos que ir sorteando una serie de problemas que vamos a continuación a enumerar, y que posteriormente (en capítulos posteriores) iremos desglosando: 1.2.2 CONSIDERACIONES INICIALES: La información a enviar entre los equipos participantes siempre será información codificada en formato digital (ceros y unos). Sea cual sea el tipo de información a enviar, finalmente ésta será codificada (de forma más o menos estándar, abierta o conocida) a formato digital. Si la codificación adoptada se realiza mediante un estándar conocido y público, cualquier equipo podrá interpretar dicha información y por tanto podrá formar parte de dicha comunicación. En ese caso se dice que el sistema (o el protocolo) de comunicación es “abierto”. Si el formado de codificación es propietario de empresa o multinacional (y por tanto sujeto a patente), y además no está publicado dicho formato, se dice que el sistema (o protocolo) de comunicación es “cerrado”. Que el protocolo esté sujeto a patente, y por tanto sea propiedad de empresa o multinacional, indica el sistema (o protocolo) de comunicación es propietario, pero téngase presente que existen protocolos propietarios publicados, © Julián A.

48/48

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

de forma que si bien existe patente para su uso, los detalles técnicos de su utilización son conocidos y por tanto no puede en dichos casos denominarse sistema (o protocolo) de comunicación “cerrado”. Una vez la información ha sido codificada, el envío de información se realiza de forma general mediante señales eléctricas. Si la comunicación se lleva a cobo mediante medios cableados, las señales eléctricas serán en general en “bucle de tensión” o en “bucle de corriente”. Un señal en “bucle de tensión” utiliza niveles de tensión determinados para enviar los “0” o los “1” que deseemos transmitir. Por ejemplo:  Formato TTL (+5V = 1;0V=0)  Formato RS232 (+12V = 0;-12V=1)  Formato RS485 (+5V=0;-5V=1) Por otro lado, una señal en “bucle de corriente” utiliza niveles de corriente determinados para enviar los “0” o los “1” que deseemos transmitir. Por ejemplo:  4-20 mA  0-20 mA  10–50 mA (menos común) Cuando la información se envía en “bucle de tensión”, las tarjetas de comunicación de los equipos emisores intentan mantener los niveles de tensión que correspondan en la línea (a su salida), pero debido a la existencia de perturbaciones y teniendo en cuenta que los hilos de comunicación son “reales”, dichos niveles de tensión se verán en general afectados en su recorriendo, pudiendo ser los niveles de tensión recibidos distintos a los transmitidos, y por tanto ser susceptibles de interpretación errónea por parte del receptor. Si embargo, cuando la información se envía en “bucle de corriente”, las tarjetas de comunicación de los equipos emisores intentan mantener los niveles de corriente que correspondan en la línea (a su salida), y dado que aunque existan perturbaciones y teniendo en cuenta que los hilos de comunicación son “reales”, la corriente sólo encontrará un único camino para llegar a su destino, los niveles de corriente apenas se verán afectados en todo su recorriendo, por lo que las comunicaciones en “bucle de corriente” con mucho menos susceptible de recibir interferencias, o dicho de otra forma, este tipo de comunicación es más “inmune” a las interferencias”. Debe indicarse que las comunicaciones en bucle de corriente precisan en general tarjetas comunicación caras que no siempre justifican la inversión, por ello la forma más común de realizar comunicaciones es en “bucle de tensión” (mucho más económico) dejándose el sistema de “bucle corriente” para casos concretos de equipos de instrumentación electrónica, donde la precisión de mediciones debe estar garantizada

de las de las

Por otro lado, un sistema en el que el “salto” existente entre el “0” y el “1” lógico es elevado [por ejemplo en RS-232(+12V = 0;-12V=1) el salto existente entre el “0” y el “1” es de 24V] hace que la transición de un ”0” a un “1” lógico y viceversa se vea afectada por conmutaciones de circuitos electrónicos que “tardan” en estabilizar sus salidas. Por tanto, un formato con demasiado “salto” entre los niveles del “1” y del “0” lógicos necesita tiempo para estabilizar la señal, y por tanto no podrá ser tan rápido como un formato con ”salto” reducido. Sin embargo, un escaso nivel en el “salto” entre niveles lógicos puede dificultar la tarea de distinción de los niveles por parte del receptor, lo que equivaldría a tener una gran tasa de errores. Como siempre un compromiso entre ambas situaciones lleva a las distintas normas a optimizar su elección.

© Julián A.

49/49

Documentos Alumnos

Figura 1-39 : Conmutaciones

A la hora de esquematizar el procedo de conexionado de equipos (emisor y receptor), también pudiéramos haber elegido la conexión de los equipos mediante varios hilos.




Apuntes alumnos

Conmutaciones

Figura 1-40 : Conexión en paralelo

Esto se convierte en una comunicación en paralelo, mientras que en el caso anterior la comunicación se hace en serie, ya que para enviar por ejemplo 3 bits, en el caso anterior deberíamos mandar primero uno, luego otro, luego otro dejando un tiempo por en medio, mientras que en este caso podríamos enviar los 3 bits simultáneamente. No obstante, también en este caso (el de conexión en paralelo) tendríamos que elegir entre uno de los muchos formatos de envió de información existentes (ECP,EPP,SPP, por nombrar algunos de los existentes en las comunicaciones de datos mediante puerto paralelo existentes en la actualidad para los PC’s de sobremesa). 1.2.3 CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN: La transmisión de datos siempre se basa en la existencia de una línea que une al transmisor con el receptor. Dicha línea podrá ser de un simple cable, hasta medios de transmisión públicos o circuitos de punto a punto. Antiguamente todos los equipos de transmisión eran analógicos. Lo que caracteriza a este medio de transmisión es su capacidad de transmitir frecuencias, por ejemplo la línea telefónica es capaz de trasmitir cualquier frecuencia entre 300 y 3400 Hz. A partir de los 3400Hz los pares telefónicos © Julián A.

50/50


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

presentan dificultados de transmisión (atenuaciones) significativas en función de la longitud del par telefónico. Para medir la capacidad de transmisión de un medio analógico se utiliza como unidad el ancho de banda, que es la diferencia entre la frecuencia mayor y menor que puede ser transmitida por un medio de comunicación con atenuaciones menores del 50% de la señal (o 3dB’s). En el caso de la línea telefónica, el ancho de banda es de: 3400-300= 3100 Hz aproximadamente (como indicábamos, depende de la longitud de la línea). En la actualidad, aunque todavía existen medios de transmisión analógicos, los nuevos sistemas son medios digitales, que se caracterizan por recibir directamente información digital binaria en un extremo y retransmitirla al otro extremo. El clásico ejemplo es el de la fibra óptica, sin embargo debemos considerar también la transmisión digital vía radio, cable o satélite. La capacidad de un medio digital se mide en bits por segundo, en el caso de la fibra óptica maneja capacidades de entre 140 Mbps hasta 2,5 Tb/s y superiores. Para analizar la relación entre un medio de transmisión analógico y otro digital en Hz y en Bps, existe la Ley de Shannon en donde la capacidad máxima de bps es igual al ancho de banda en Hz multiplicado por el logaritmo cuadrado de 1 más la relación de la potencia con la señal y la potencia del ruido de la línea utilizada. En el caso de una línea telefónica, si suponemos una relación señal ruido de 1000, el mayor número de bps que podemos transmitir es de 31.000 y de ello que la compra de módem de 57.000 o hasta incluso de 33.400 sea infructuoso, pues es a la máxima transmisión a la que se puede aspirar en el mejor de los casos es de 31.000, siendo el común 24.000. El máximo provecho que en la actualidad, en nuestro país, se le puede dar a este tipo de módem es el de compensación de demora del lugar de transmisión y bajada satelital al proveedor nacional, para el caso de estar bajando información de dos o más fuentes. 1.2.4 VELOCIDAD CON LA QUE SE ENVÍA LA INFORMACIÓN La velocidad de transmisión de datos es expresada en bits por segundo o baudios. El baudio es un concepto más general que bit por segundo. El primero queda definido como el número de estados de la señal por segundo, si sólo existe dos estados (que pueden ser representados por un bit, que identifica dos unidades de información) entonces baudio es equivalente a bit por segundo. Baudio y bit por segundo se diferencian cuando es necesario más de un bit para representar más de dos estados de la señal. La velocidad de transmisión queda limitada por el ancho de banda, potencia de señal y ruido en el conductor de señal. La velocidad de transmisión queda básicamente establecida por el reloj. Su misión es examinar o muestrear continuamente la línea para detectar la presencia o ausencia de los niveles de señal ya predefinidos. El reloj sincroniza además todos los componentes internos. Para el envío de información debemos fijar una velocidad de envío, o sea, la cantidad de bits por segundo que vamos a enviar (bits por segundo = bps). Debemos preguntarnos que nos limita dicha velocidad (o sea, ¿por qué no podremos enviar la información a una velocidad muy elevada?, ¿qué limita dicha decisión?) Las limitaciones vienen por dos motivos fundamentales:  Limitaciones de velocidad de los propios equipos emisor/receptor (tarjetas electrónicas y velocidades de procesamiento).  Limitaciones debidas a los propios cables conductores, y las existencia de interferencias electromagnéticas en el ambiente. Respecto a la primera de las limitaciones poco podemos decir, simplemente, los equipos trabajan a © Julián A.

51/51

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

una velocidad de procesamiento interna que limita el la velocidad a la que podemos enviar/recibir los datos. En todo caso, las velocidades de procesamiento actuales de los equipos son hoy en día tan elevadas que no suponen límite para la comunicación de información. La velocidad de comunicación se mide en Bits por segundo (bps). Esta media (y sus múltiplos) indica la cantidad de “1” y “0” que se transmiten en un segundo. No obstante existe una medida (utilizada sobre todo en comunicación de datos digitales utilizando líneas analógicas, como la línea telefónica) que es el baudio. Los baudios miden el número de cambios por segundo que sufre la señal transmitida en cada segundo. La medida surge al intentar aprovechar al máximo la línea analógica para la comunicación de datos digitales, de forma que se envíen no ya “bits”, sino valores analógicos que tienes sentido como “condiciones discretas” de la línea y que en cada instante deben interpretarse como combinaciones de “bits”. En este último caso hay que indicar que cada condición discreta que alcanza la línea en cada momento (cada estado) puede ser sinónimo de 2, 4, 8, etc bits enviados, por lo que en estos casos, baudio y bps no coinciden. Evidentemente, si el número de condiciones discretas de la línea son 2 , baudio y b.p.s. coincide, Para ilustrar mejor esto, puede verse en la

Figura 1-41 : Línea con 4 estados discretos, donde se refleja el funcionamiento de una línea de transmisión en la que existen 4 posibles condiciones discretas, lo que significa que pueden distinguirse entre una de cuatro posibilidades. Ello supone a su vez que: 4 estados discretos  2n bits diferenciados en cada instante, (siendo n el número n el número de bits)  4=22, por tanto 2 bits distinguidos en cada instante. Por tanto, en cada segundo tenemos se transmiten finalmente 2 bits. El ritmo al que cambia el estado de la línea es de 1 cambio por segundo, también denominado: 1 baudio, sin embargo si miramos los b.p.s que se transmiten, tenemos 2 bps. De forma que para este caso: 1baudio = 2 bps Estados discretos de la línea 4V 11 3V 10 2V 01 1V 00

0

1

2

3

4

5

6

t (seg)

Figura 1-41 : Línea con 4 estados discretos

Al final, después de 6 segundos, la información transmitida es la siguiente (agrupado en bloques de dos bits que representan segundos): (MsB) 00 10 01 01 11 00 (LsB) Sin embargo, en la

© Julián A.

52/52

Documentos Alumnos

Figura 1-42 : Línea con 2 estados discretos, como en la línea existen 2 posibles condiciones discretas, significa que pueden discernirse entre una de dos posibilidades, lo que supone:

Por tanto, en cada segundo tenemos se transmite 1 bit. El ritmo al que cambia el estado de la línea es de 1 cambio por segundo, también denominado: 1 baudio, y si miramos los b.p.s que se transmiten, tenemos 1 bps. De forma que para este caso: 1baudio = 1 bps. Estados discretos de la línea

MsB

4V 11

LsB


Apuntes alumnos

2 estados discretos = 2n (siendo n el número n el numero de bits)  2=21

1V 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 t (seg)

Figura 1-42 : Línea con 2 estados discretos

Al final, después de 12 segundos, la información transmitida es la siguiente (agrupado en bloques de un bit que representan segundos): (MsB) 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0

0 (LsB)

Que finalmente se corresponde con la misma información, pero en el doble de tiempo. Lógicamente el caso de 4 estados discretos de la línea presenta ventajas en cuanto a velocidad final, sin embargo, distinguir entre estados de 1V de diferencia entre ellos puede resultar menos sencillo que discernir entre estados que distan 3V de diferencia (un nivel de ruido determinado en la línea afectará más en general al caso primero que al segundo). En las comunicaciones realizadas por los equipos informáticos en la década de los 80, determinados equipos MODEM (MOduladores-DEMmaduladores), se comunicaban mediante señales moduladas con un formato similar al indicado en la

Figura 1-43 : Baudios de equipos MODEM. En dicha figura puede observarse que si bien las señales transmitidas no son de tipo “impulso” (o nivel de tensión), sino señales senoidales cuya frecuencia amplitud puede variar (moduladas en amplitud), es posible tener en cada momento en la línea una de cuatro condiciones discretas (cuatro posibles, lo que provoca (de forma similar a lo explicado con anterioridad), que en cada momento se estén transmitiendo 2 bits de información.

© Julián A.

53/53


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-43 : Baudios de equipos MODEM

No obstante lo indicado en los párrafos anteriores, las velocidades de comunicación conseguidas en la actualidad en líneas de sólo dos estados estables son suficientemente elevadas con el estado de la técnica actual, lo que hace totalmente innecesario el uso de líneas con más de dos estados discretos. Éste es el motivo por el que las mediciones en baudios están en general ya desactualizadas. 1.2.5 PARTICULARIDADES DE LA COMUNICACIÓN Para los casos en los que la cantidad y el tamaño de los mensajes son elevados, lo ideal es disponer de un camino para los mensajes que se emiten y otro para los que se reciben, a través de un mismo medio de transmisión, en cada extremo de la comunicación. Cuando se dedica un medio para cada sentido de la información, se beneficia la "claridad" con la que se establecen las comunicaciones. No obstante, si los mensajes son de tamaño pequeño, puede que estemos utilizando un medio sobredimensionado, y es preferible aplicar diferentes técnicas de turnos de parada o espera para mantener el flujo de la comunicación. Para los casos en los que la cantidad y el tamaño de los mensajes son elevados, lo ideal es disponer de un camino para los mensajes que se emiten y otro para los que se reciben, a través de un mismo medio de transmisión, en cada extremo de la comunicación. Cuando se dedica un medio para cada sentido de la información, se beneficia la "claridad" con la que se establecen las comunicaciones. No obstante, si los mensajes son de tamaño pequeño, puede que estemos utilizando un medio sobredimensionado, y es preferible aplicar diferentes técnicas de turnos de parada o espera para mantener el flujo de la comunicación.

Emisor



Receptor r


© Julián A.

54/54

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Figura 1-44 : Transmisión y recepción simultáneas

La siguiente es una de las primeras novedades que podemos reseñar y es posible que el lector ya se haya preguntado: en una comunicación, ¿sólo existen emisor y receptor?. Emisor y receptor sólo son los papeles que desempeñan los participantes en un instante dado. Se puede establecer una comunicación entre, por ejemplo, un emisor y varios receptores. En este caso se trata de una comunicación que implica distintos destinatarios para un mismo mensaje. Además, estos últimos, junto al emisor del mensaje, están conectados a un mismo medio o línea transmisión. Algunos pueden recibir y participar activamente. Otros sólo están a la escucha y no participarán en la comunicación a no ser que se les interpele o indique con una señal. Así es como se desarrollan las comunicaciones hoy en día. Véanse los sistemas radiodifusión y las conversaciones entre radioaficionados. Emisor



Receptor 1


Receptor 2

Receptor 3

Figura 1-45 : Un emisor y varios receptores

En los sistemas de comunicación actuales los elementos que se conectan, emisores y receptores, se denominan estaciones o unidades. Las estaciones son las creadoras o receptoras de los mensajes mientas que un medio de transmisión es el sistema que se adopta para el intercambio de información. Otra característica que podemos observar es la siguiente: se busca conseguir comunicar con varios receptores y, al mismo tiempo, utilizar un único medio de transmisión de nuestra parte, pero manteniendo la impresión de estar comunicando con cada uno de ellos individualmente. Las tecnologías tienen sus límites. Mientras la cantidad de información que viaja no sea excesiva, los sistemas pueden apreciar una dedicación individual del medio. Pero todos hemos oído hablar de la saturación de las líneas telefónicas. Cuando crece la cantidad de información, los receptores buscarán en qué ocupar el tiempo que el transmisor está dedicando a los otros participantes. La distribución geográfica de dispositivos terminales y la distancia entre cada dispositivo y el dispositivo al que se transmite son parámetros importantes que deben ser considerados cuando se desarrolla la configuración de una red. Los dos tipos de conexiones utilizados en redes son punto a punto y multipunto. Las líneas de conexión que solo conectan dos puntos son punto a punto. Cuando dos o más localidades terminales comparten porciones de una línea común, la línea es multipunto. Aunque no es © Julián A.

55/55

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

posible que dos dispositivos en una de estas líneas transmita al mismo tiempo, dos o más dispositivos pueden recibir un mensaje al mismo tiempo. En algunos sistemas una dirección de difusión (broadcast) permite a todos los dispositivos conectados a la misma línea multipunto recibir un mensaje al mismo tiempo. Cuando se emplean líneas multipunto, se pueden reducir los costos globales puesto que porciones comunes de la línea son compartidos para uso de todos los dispositivos conectados a la línea. Para prevenir que los datos transmitidos de un dispositivo interfieran con los datos transmitidos por otro, se debe establecer una disciplina o control sobre el enlace. Cuando se diseña un red local de datos se pueden mezclar tanto líneas punto a punto como multipunto, y la transmisión se puede efectuar en modo simplex, half-duplex o full-duplex. Emisor



Receptor r


A)

SIMPLEX

Emisor




B)

SEMI-DUPLEX

Emisor

C)

Receptor r


Tarjeta o módulo de comunicación Medio de transmisión

Receptor r

FULL-DUPLEX

Figura 1-46 : Enlaces a) simplex, b) semiduplex, c) duplex

De esta forma, repartimos los tiempos de espera, ¿dejaríamos esperando a los demás, mientras finalizamos la conversación con uno de ellos? Esto podría originar inanición de la comunicación con ciertos receptores. Además, se entiende que el emisor está actuando como elemento activo. Toma la decisión de solicitar (enviando y ordenando la devolución) mensajes a los receptores. Estos mensajes requieren respuesta. Cuando establezcamos una comunicación de este tipo, diremos que el emisor actúa como maestro o principal, y los receptores como secundarios o esclavos. Desde el punto de vista del emisor, es en este tipo de comunicación en donde se aprovecha bien el medio de transmisión. Cada receptor está atendido por un medio que deriva de una misma rama, común a todos los receptores. Una de las características de las telecomunicaciones actuales permite este hecho. Sean los múltiples canales de telefonía, televisión, etc., que pueden obtenerse o servirse desde un mismo medio de difusión: central telefónica y emisora de televisión por cable. Adelantando © Julián A.

56/56

Documentos Alumnos

contenidos podemos hablar de diferentes canales o bandas de frecuencias por un mismo cable, que permiten la transmisión simultánea de conversaciones, datos, etc.


Apuntes alumnos

Obviamente, el aprovechamiento del medio y tipo de transmisión es uno de los objetivos de cada enlace o tipo de red de comunicación que encontramos en el mercado. 1.2.6 UNA APROXIMACIÓN CON APLICACIÓN INDUSTRIAL En un sistema de comunicaciones industriales, los mensajes se pueden enviar desde ordenadores a autómatas programables. También entre instrumentos de precisión, autómata programable, controladores de temperatura (PID) y conjuntos de válvulas motorizadas, etc. Las tecnologías de comunicación industrial, actualmente disponibles, permiten realizar la automatización de los procesos industriales de una forma fiable, con una mínima tasa de errores, con gran disponibilidad de opciones de explotación de datos, en condiciones de seguridad de las personas y las cosas, e integrando una elevada variedad de dispositivos. Podemos, por ejemplo, ser los responsables de automatizar un sistema transportador de cajas y, entre otras tareas a resolver, sincronizar la velocidad de varias cintas de transporte. Si optamos por un equipo que resuelva aisladamente esta aplicación, seguramente habremos ahorrado dinero y energía, a corto plazo. Sin embargo, si nuestro cliente desea integrarlo en un sistema de control de la producción de toda una planta, deberemos incorporar los componentes que permitan la transmisión de mensajes entre los componentes accionadores (convertidor de frecuencia y motor) y los sistemas de control. La decisión de incrementar o disminuir la velocidad del transporte depende en gran medida del jefe de producción. Tomada la decisión debe disponerse de un sistema automático y comunicado para transmitir la orden de avance a todo el sistema de transporte. Un autómata programable o un ordenador industrial recibirá la orden de avance con un mensaje de este tipo: "varía el transporte de 10 a 15 cajas por minuto". Es más, si se opta por medir la velocidad del motor, y disponer así de un sistema regulado, puede que el dato del sensor o dispositivo elegido para la medida de la velocidad del motor se convierta en parte de los mensajes traídos y llevados por el medio de transmisión. Cada par motor - variador se encarga de un tramo del transportador completo. Un autómata programable de última generación puede enviar y recibir mensajes de cada conjunto citado y tomar las decisiones oportunas, por medio de un programa de automatización. De esta forma, se pueden coordinar las velocidades de las distintas secciones de un transportador.

Figura 1-47 : PLC conectado con dos variadores de velocidad © Julián A.

57/57

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Los mensajes pueden tener más de un receptor, dado que existen varios motores. Además, un software de gestión de la comunicación, junto a un hardware en cada elemento, y un medio de transmisión adecuado, conseguirán que los mensajes alcancen, y tengan, sentido en cada extremo de la comunicación. Así disponemos de información distribuida por todo el conjunto de elementos conectados entre sí: desde un nivel superior de gestión de la planta, hasta el variador de velocidad que aplica la potencia necesaria al motor. Incluso si los dispositivos son de distintas marcas comerciales, se deberá garantizar el correcto funcionamiento y "entendimiento" de los mensajes. La utilización de dispositivos electrónicos específicos - adaptadores, tarjetas - permitirá la adecuada conexión eléctrica y mecánica. Dadas las características de los diferentes sistemas industriales, encontraremos mensajes a transmitir de un solo bit (por ejemplo, sensor de presencia de objeto en una cinta de transporte), un grupo de n bits (por ejemplo, valor de la velocidad de una de las cintas en formato binario) o incluso un valor analógico (por ejemplo, esa misma velocidad). Esto obliga a utilizar un formato y un tamaño para los mensajes, que para cada fabricante son o pueden ser diferentes. El objetivo es establecer las reglas del intercambio de información. De esta forma, los distintos fabricantes, adoptan sus reglas conforme a unas normas estándares, para todos y cada uno de los aspectos de la comunicación, desde el número de pines de la conexión, hasta cómo detectar el error en un bit. Estos serán sistemas abiertos de comunicación. Este objetivo de integración nos llevará a la utilización de normas comunicación, arraigadas en una marca comercial o en un estándar (europeo e internacional), para poder disponer de equipos de fácil sustitución, ante averías o ante necesidades de crecimiento. Y, ante un control de planta general o la explotación de datos, o ante los niveles de operadores, el medio "hardware" utilizado es el ordenador y tarjetas específicas de control y comunicación. Entre los medios "software", o programas de aplicación que están siendo implantados, se encuentran los SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition: supervisión, control y adquisición de datos), basados en dos aplicaciones fundamentales de la informática y las telecomunicaciones: redes de comunicación de datos y bases de datos. Estos sistemas se aplican desde hace más de dos décadas en compañías del sector del automóvil y de las petroleras, y desde hace una década, incluso, en pequeñas aplicaciones como minicentrales hidroeléctricas, a lo largo del curso de un río. Los sistemas SCADA unidos a los instrumentos, pantallas de operador, sistemas de seguridad, controladores e instrumentos, autómatas programables, sensores y equipos de transmisión, son la forma actual del control de procesos distribuido actual. 1.2.7 FUNCIONES DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL Entre las tareas que un sistema de comunicación debe cumplir encontramos:  Uso del medio de transmisión: técnicas de reparto de la capacidad del medio, para ser utilizado por más de una estación. Además técnicas del control para evitar la congestión del medio.  Generación de señales eléctricas: los valores eléctricos en los que se convierten los datos a transmitir deben ser generados e interpretados. En los sistemas de comunicación © Julián A.

58/58

Documentos Alumnos

industrial existen repetidores que regeneran la señal, cada cierta longitud de la línea de transmisión.


Apuntes alumnos

 Gestión de intercambio: al realizar una conexión se debe establecer si existen turnos de parada y espera o si se establece un camino para que cada estación realice la transmisión de sus datos, actuando el otro extremo de cada camino como receptor.  Sincronización: al menos se deben sincronizar, reconocer cuando una señal eléctrica comienza a llegar y cuando finaliza. De esta forma se permite realizar el establecimiento, el intercambio de información y la finalización de la comunicación.  Detección y corrección de errores: habrá que decidir cómo detectar los errores y si merece la pena la inversión de recursos (hardware y software) en la reconstrucción de la información, o simplemente, la repetición de la misma.  Control del flujo: lo normal es que el destinatario o receptor dedique parte de sus recursos a la comunicación establecida. Si enviamos información masiva, podemos desbordarlo. Existirá un mecanismo para establecer la fragmentación (trozos más pequeños) y el orden de envío de la información que se está intercambiando, incluyendo tiempos de espera y turnos de espera.  Encaminamiento y direccionamiento: al utilizar diferentes caminos (véase la figura sobre topología en estrella), la red debe resolver los caminos por los que enviar los mensajes al receptor. Previa a esta tarea habrá que resolver la identificación del mismo.  Formatos de los mensajes: debe existir una concordancia entre los dos extremos que establecen la comunicación. Debe coincidir el orden en formar palabras de 16 bits cuando se envían los datos en 8 bits, o conocerse la forma de envío para el correcto funcionamiento.  Restablecimiento: referido a la conexión desde el punto en el que se quedó la comunicación ante un fallo del sistema.  Seguridad: se refiere a que el emisor debe asegurar que el mensaje enviado se recibe solamente por el receptor destinatario. Es decir si hay que activar la válvula de admisión de agua, no debe activarse la del desagüe. En otro orden, se refiere a la asignación de acceso de elementos y personas a ciertos puntos clave de una factoría. Lo que lleva a la inclusión de claves y nombres de usuario (password y login). 1.2.8 TIPOS DE TRANSMISIONES SERIE Para comunicar datos en serie (cada bit seguido del siguiente por la misma línea), existen al menos dos formas atendiendo al “ritmo” de envío/recepción de los bits individuales.  Transmisión serie asíncrona  Transmisión serie síncrona

© Julián A.

59/59


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-48 : Tipos de transmisiones serie

1.2.8.1 Transmisión Serie Asíncrona: La transmisión serie es aquella en la que la información es enviada bit por bit hacia un determinado destino, de tal manera que para esta técnica cada carácter consta de tres partes: un bit de inicio, bits de caracteres, bit de paridad, y un bit o varios bits de paro.

Figura 1-49 : Transmisión asíncrona: a) Diagrama de bloques básico, b) Formato de señal.

El bit de comienzo de la transmisión siempre es cero, y se utiliza para anunciar que comienza un carácter (bot de inicio). El número de bits de información es seleccionable a través del programa de comunicaciones utilizado (entre 5 bits y 8 bits normalmente). Los bits de Paridad se utilizan para © Julián A.

60/60

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

verificar la integridad de la información (detectar posibles errores producidos en la transmisión por cualquier causa. Ver apartado específico al respecto más adelante). El tipo de bit de paridad a utilizar en una transmisión serie asíncrona concreta, puede seleccionarse tanto en el emisor como en el receptor de forma general de entre los siguientes:  PARIDAD PAR (EVEN) : Se pone el bit de paridad a “1” o a “0” de forma que el numero total de “1” trasmitidos (sin tener en cuenta bits de inicio y fin) sea PAR.  PARIDAD IMPAR (ODD) : Se pone el bit de paridad a “1” o a “0” de forma que el numero total de “1” trasmitidos (sin tener en cuenta bits de inicio y fin) sea IMPAR.  PARIDAD NONE : No se utiliza ningún bit de paridad. En la tabla siguiente se muestran los tipos posibles así como el valor del bit de paridad al transmitir el byte ‘A’ (en ASCII)65 decimal0x41 (0x es el prefijo que designa hexadecimal, aunque también en ocasiones se codifica como 16#41) 01000001b (b es el sufijo que designa binario, aunque en ocasiones se codifica como 2#01000001).

BIT DE PARIDAD Tipo VALORES PARIDAD PAR (EVEN) 0 PARIDAD IMPAR (ODD) 1 SIN PARIDAD (NONE) Tabla 1-1 : Tipos de paridad simple

Nótese que este método detecta únicamente un número impar de errores, pero no los corrige. En el caso de detectarse un error, el equipo que lo detecta solicita el reenvío de los datos al equipo emisor. El/los bits de paro siempre son unos. Este valor se mantiene por un tiempo seleccionable (1 bit, 1+1/2 bit , 2 btis ) indicando que ha culminado el carácter enviado. La unidad receptora puede detectar un carácter a través del conocimiento de las siguientes reglas:  Una línea desocupada siempre se encuentra en estado uno.  El inicio de la transmisión puede detectarse a partir del bit de inicio que es siempre cero. Los bits que le prosiguen le corresponden a los bits del carácter.  Para señalar la culminación de la transmisión se utiliza un bit de alto, el cual consiste en una línea que se mantiene en estado uno por más tiempo de lo predeterminado para un bit. En un principio la línea, sin transmisión, está a “1”. Los datos (palabra o carácter) a transmitir, va siempre precedida de un bit 0 durante un intervalo de tiempo (bit de arranque) y al final va seguida de 1, 1+1/2 o 2 bits a “1” (bits de parada). En el ejemplo siguiente se muestra una comunicación serie de una palabra de 5 bits, un bit de arranque, 1+1/2 bits de paro y sin bit de paridad.

5 BITS DE DATOS

1

1 BIT DE ARRANQUE © Julián A.

1,5 BITS DE PARADA

61/61

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Figura 1-50 : Ejemplo comunicación asíncrona

La característica fundamental de una comunicación serie asíncrona estriba en que el reloj que marca la velocidad de transmisión en el emisor (reloj del sistema S1 en el ejemplo), y el reloj que marca la velocidad de recepción (reloj S2 en el ejemplo), no son iguales, y por tanto no trabajan exactamente al mismo ritmo (a la misma frecuencia. Esto provoca que un envío de información del emisor puede ser recibido por el receptor de forma errónea debido a esta diferencia de frecuencias de trabajo. En el siguiente ejemplo vemos como, el envío de unos datos desde un emisor a una frecuencia de reloj S1, y recibido en el receptor a frecuencias de reloj S2 similares a S1 (caso 1), o distintas en mayor o menos medida a S1 (casos 2 y 3) provocan errores en la recepción de los datos emitidos.

Datos a enviar



0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

0

1

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1 0 Reloj de emisor (S1) 

T1

Datos enviados (reloj S1) 

0

1

Caso 1 - Frec. Reloj S2S1 (T2  T1)

Datos recibidos (caso 1)

T2



0

1

Caso 2 - Frec. Reloj S2’
T2’

(menos frec  más timepo entre tics  T2’>T1)

Datos recibidos (caso 2)  0 Caso 3 - Frec. Reloj S2’’>>S1

1

1

1

1

0

0

1

0

0

T2’’

(mucho mayor frec  bajo tiempo entre tics)T2<
Datos recibidos (caso 2)  0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1

1 0 0 1 1 0 0 0 0

Marca bit de inicio Figura 1-51 : Problemas de sincronismo en comunicación asíncrona

Debe tenerse en cuenta que en una comunicación serie asíncrona, debemos configurar las mismas velocidades (frecuencias de reloj) del equipo emisor y del equipo receptor. Pero ello no supone que ambos trabajen finalmente a exactamente la misma frecuencia, y por ello, una ligera diferencia (caso 1) puede no provocar errores, pero una diferencia algo mayor (caso 2) o bien, una ligera diferencia mantenida en el tiempo (envío de palabras de datos de muchos bits) dará como resultado errores en la recepción.  Sincronismo de bit  Arranque del reloj del receptor al detectar el comienzo (bit “0”).  Sincronismo de carácter  El receptor recibe de palabra en palabra.

Para una mejor comprensión de lo relativo a los sincronismos, ver apartado

1.2.8.4Sincronismos.

1.2.8.2 Transmisión Serie Síncrona: Una transmisión serie síncrona, es aquella en la que los relojes de emisión y recepción están exactamente sincronizados (trabajan exactamente a la misma frecuencia). © Julián A.

62/62


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-52 : Transmisión síncrona a distancias cortas: a) Diagrama de bloques básico, b) Relación temporal entre el canal de información y los impulsos de sincronismo.

Para que esto sea posible existen dos posibilidades:  Heterosincronizada: Si emisor y receptor están a poca distancia, del emisor puede llevarse una línea extra por la que éste emite su señal de reloj propia al receptor. Esta solución funciona bien en sistemas de corta longitud (buses de interconexión cercanos o locales), pero si se utilizan distancias largas, con toda seguridad, el pulso de sincronismo citado sufrirá las alteraciones que cualquier línea eléctrica puede padecer (interferencias, retardos)  Autosincronizada: Si emisor y receptor están más lejos, la solución anterior es poco eficiente. En ese caso lo que se hace es enviar los datos mezclados (según uno de los muchos códigos autosincronizados existentes), junto con la señal de reloj. La señal emitida así por la línea va a tener suficientes cambios de estado como para que el receptor sea capaz de regenerar tanto los datos como la señal de reloj. El ejemplo más característico de esta forma de transmisión es la utilizada en las redes ethernet  Codificación Manchester. Como decimos, existe la posibilidad de realizar una comunicación síncrona sin necesidad de enviar la señal de reloj entre ambos equipos. Ello se hace codificando la señal mediante los códigos autosincronizados. El esquema de bloques de este tipo de transmisión se presenta a continuación:

Figura 1-53 : Diagrama de bloques de una comunicación con códigos autosincronizados

En él se aprecia como los datos a enviar por el equipo transmisor (datos que contienen tanto la información pura a enviar, como el resto de informaciones necesarias añadidas por cada una de las capas que componen el protocolo de comunicaciones concreto utilizado, como información sobre el equipo destinatario, información añadida por el sistema de detección de errores, etc), son enviados al procesador de comunicaciones, o tarjeta de comunicaciones o de red. En su interior, se se encuentra un bloque (denominado en la figura convertidor de código NRZ en autosincronizable), que se encarga de “mezclar” de una forma determinada (que en algunos casos es elegible entre varias opciones), los © Julián A.

63/63


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

datos a enviar junto con la señal de reloj (impulsos de sincronismo) del equipo emisor. El resultado del proceso es un código autosincronizable que es enviado por la línea de transmisión al equipo receptor. En este equipo receptor, el código autosincronizable llega al bloque Convertidor de código autosincronizable en NRZ (de función inversa al del emisor), que se encarga de separar de la señal que llega los datos y los impulsos de sincronismo, de forma que al final, podamos recibir los datos a exactamente el mismo ritmo (la misma frecuencia) que fueron emitidos. Existen muchos códigos autosincronizables, que se diferencian en la forma en la que se “mezcla” la señal del reloj de transmisión en la señal enviada. Entre ellas existe paradójicamente una denominada “sin retorno a cero” ( No Retur to Zero  NRZ ), es la representación de los datos sin mezclar con la señal de reloj (o sea, datos puros). Lo paradójico precisamente es que es un sistema en el que los datos son enviados “sin mezclar” con la señal de reloj, por lo que en emisor no podrá reconstruir ambas señales. A continuación se muestra una figura con los formatos autosincronizables típicos utilizados en la realidad, que mezclan las señales de datos y de reloj, así como la descripción del proceso seguido en cada caso. Los códigos autosincronizables tienen la particularidad de ser unos formatos de transmisión que presentan muchos cambios de estado a lo largo de una transmisión. Asimismo, podemos deducir como una transmisión de una cadena de ceros, provoca en el denominado código Manchester Diferencial la transmisión de una señal que se corresponde con la señal de reloj del emisor. Los códigos autosincronizados también se denominan códigos de línea. Los códigos de línea surgen ante la necesidad de trasmitir señales digitales a través de diversos medios de transmisión. Una señal digital es una secuencia de pulsos de tensión discretos y discontinuos, donde cada pulso es un elemento de la señal. Los datos binarios se transmiten codificando cada bit de datos en cada elemento de señal. En el caso más sencillo, habrá una correspondencia uno a uno entre los bits y dichos elementos, un cero se representa mediante un nivel bajo de tensión y un uno se representa por un nivel de tensión mayor Antes de nada se va a introducir un poco de terminología. Si todos los elementos de señal tienen el mismo signo algebraico, es decir si son todos positivos o todos negativos, la señal se dice unipolar. En una señal polar (o bipolar), por el contrario, un estado lógico se representará mediante un nivel positivo de tensión y el otro, mediante un nivel negativo. La razón de datos de una señal es la velocidad de transmisión, expresada en bits por segundo, a la que se transmiten los datos. La duración o longitud de un bit se define como el tiempo empleado en el transmisor para emitir un bit; para una razón de datos R, la duración de un bit es 1/R. La razón de modulación, por el contrario, es la velocidad o razón con la que cambia el nivel de la señal, que dependerá del esquema de codificación elegido. La razón o velocidad de modulación se expresa en baudios, que equivale a un elemento de señal por segundo. Los códigos de línea fueron desarrollados para mejorar las prestaciones de los sistemas de transmisión, el esquema de codificación es simplemente la correspondencia que se establece entre los bits de los datos con los elementos de señal. A continuación se describen algunas de las más utilizadas.

© Julián A.

64/64

CO MU NIAUTOM CA C IO NE S I ND U STR I AL ES  U D 1– ATIZACIÓN INDUSTRIALS

Pp Ru I NC OlSu m DE A n t eI P s Ia n oCsOM U NI C AC I ÓN

C.F.G.S. SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL

UD1 – Documentos PR INCIPIOS DE Alumnos COMUNICACIÓN

Figura 1-54 : Ejemplos de códigos autosincronizados

No retorno a cero (NRZ, “Nonreturn to Zero”) JULIÁN A.

20/130

La forma más frecuente y fácil de transmitir señales digitales es mediante la utilización de un nivel diferente de tensión para cada uno de los bits. Los códigos que siguen esta estrategia comparten © Julián A.

65/65


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

la propiedad de que el nivel de tensión se mantiene constante durante la duración del bit; es decir, no hay transiciones (no hay retorno al nivel cero de tensión). Por ejemplo, la ausencia de tensión se puede usar para representar un 0 binario, mientras que un nivel constante y positivo de tensión puede representar al 1. Aunque es más frecuente usar un nivel negativo para representar un valor binario y una tensión positiva para representar al otro. En la figura anterior se muestra el NRZ-L “Nonreturn-toZero-Level”. NRZ-L se usa generalmente para generar o interpretar los datos binarios en los terminales y otros dispositivos. Si se utiliza un código diferente , éste se generará usualmente a partir de la señal NRZ-L

1.2.8.2.1 No retorno a cero, invertido (NRZI, “Nonreturn to Zero, invert on ones”). Una variante de NRZ se denomina NRZI. Al igual que NRZ-L, el NRZI mantiene constante el nivel de tensión mientras dura un bit. Los datos se codifican mediante la presencia o ausencia de una transición de la señal al principio del intervalo de duración del bit. Un 1 se codifica mediante la transición (bajo a alto o alto a bajo) al principio del intervalo del bit, mientras que un cero se representa por la ausencia de transición. NRZI es un ejemplo de codificación diferencial. En la codificación diferencial, en lugar de determinar el valor absoluto, la señal se decodifica comparando la polaridad de los elementos de señal adyacentes. Una ventaja de este esquema es que en presencia de ruido puede ser más seguro detectar una transición en lugar de comparar un valor con un umbral. Otra ventaja es que no es fácil perder la polaridad de la señal. Por ejemplo, en una línea de par trenzado, si los cables se invierten accidentalmente, todos los 1 y 0 en el NRZ-L se invertirán. Esto no pasa en un esquema diferencial. La principal limitación de las señales NRZ es la presencia de una componente DC (continua) y la ausencia de capacidad de sincronización. Para ilustrar esta última desventaja, téngase en cuenta que una cadena larga de unos y ceros en un esquema NRZ-L o una cadena de ceros en el NRZI, se codificará como un nivel de tensión constante durante un largo intervalo de tiempo. En estas circunstancias, cualquier fluctuación entre las temporizaciones del transmisor y el receptor darán lugar a una pérdida de sincronización entre ambos. Debido a su sencillez y a la respuesta en bajas frecuencias, los códigos NRZ se usan con frecuencia en las grabaciones magnéticas. No obstante, sus limitaciones hacen que estos códigos no sean atractivos para aplicaciones de transmisión de señales.

1.2.8.2.2

Bifase

Hay otro conjunto de técnicas de codificación alternativas, agrupadas bajo el término bifase, que superan las limitaciones encontradas en los códigos NRZ. Dos de estas técnicas, denominadas Manchester y Manchester diferencial, se usan frecuentemente. En el código Manchester, siempre hay una transición en mitad del intervalo de duración del bit. Esta transición en la mitad del bit sirve como un procedimiento de sincronización a la vez que se transmiten los datos: una transición de bajo a alto representa un 1, y una transición de alto a bajo representa un 0. En Manchester diferencial, la transición a mitad del intervalo se utiliza tan solo para proporcionar sincronización. La codificación de un 0 se representa por la presencia de una transición al principio del intervalo del bit, y un 1 se representa mediante la ausencia de transición. El Manchester diferencial tiene como ventajas adicionales las derivadas de la utilización de una aproximación diferencial. Todas las técnicas bifase fuerzan al menos una transición por cada bit pudiendo tener hasta dos © Julián A.

66/66

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

en ese mismo periodo. Por lo tanto, la máxima velocidad de modulación es el doble que en los NRZ; esto significa que el ancho de banda necesario es mayor. No obstante, los esquemas bifase tienen varias ventajas:  Debido a la transición que siempre ocurre durante el intervalo de duración correspondiente a un bit, el receptor puede sincronizarse usando dicha transición.  Debido a esta característica, los códigos bifase se denominan también autosincronizados.  No tienen componentes en continua: con todas las implicaciones que antes se mencionaron. Los códigos bifase se usan con frecuencia en los esquemas de transmisión de datos. Uno de los más conocidos es el código Manchester que se ha elegido como parte de la especificación de la normalización IEEE 802.3 para la transmisión en redes LAN con bus CSMA/CD usando cable coaxial en banda base o par trenzado. El Manchester diferencial se ha elegido en la normalización IEEE802.5 para redes LAN en anillo con paso de testigo, en las que se usan pares trenzados apantallados. Es decir, este tipo de códigos forman parte del sistema de comunicación utilizado por ethenrnet (base sobre la que se asienta Internet). 1.2.8.3 USB Como complemento a lo indicado, decir que el sistema de conexionado denominado USB (muy utilizado hoy día en sistemas informáticos), es un sistema de comunicación serie síncrono balanceado, punto a punto (sólo pueden intervenir en el conexionado 2 equipos exclusivamente), que utiliza 4 o 5 hilos para el conexionado de los equipos, de los cuales 2 son hilos de comunicación (D+ y D-, como corresponde a una comunicación serie balanceada), y los otros tres corresponden con:

Figura 1-55 : USB - Patillas y tipos de conectores

 +Vcc 5v : 5 voltios de alimentación a 400mA/500mA máximo (dependiendo del equipo concreto), que se utiliza para alimentar a aquellos equipos que no disponen de alimentación propia.  GND : Polo negativo del terminal de alimentación anterior.

© Julián A.

67/67

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

 Masa : Masa común de interconexionado de ambos equipos (en algunos tipos de conectores este último cable no existe, o no está conectado ya que en la mayoría de los casos este terminal es común con el de GND al que va unido). Indicar también que determinados dispositivos que precisan para su funcionamiento más de 500mA (como por ejemplo discos duros USB, que precisan alimentar sus motores internos para hacer girar su mecánica), poseen cables que tienen la posibilidad de conectar el dispositivo a dos puertos USB de forma que pueda “coger” alimentación de cada uno de los dos puertos y superar la barrera de 500mA que tiene un puerto individual para alimentarlo. Por tanto sólo uno de los dos extremos del cable de estos dispositivos tiene la conexión de datos operativa, el otro sólo es para apoyo de alimentación (y nada tiene que ver con determinados dichos “populares” que indican que conectando a ambos extremos el dispositivo funciona a mayor velocidad.

Alimentación auxiliar (500mA extra) Conector principal (alimentación de 500mA + datos)

Figura 1-56 : Disco duro USB.

1.2.8.4 Sincronismos. Uno de los procesos más importantes que intervienen en la transmisión de datos en un modo serie es la coordinación o sincronización de la transmisión y la recepción de los datos y son tres los factores a tener en cuenta:  Los bits son enviados por el terminal emisor viajan de forma secuencial y con cierta cadencia (velocidad de transmisión). Si el terminal de destino tiene un mínimo error en la cadencia de lectura (velocidad de recepción), pudiera llegarse incluso a leer un mismo bit dos veces (recepción a velocidad un poco superior), o a saltarse un bit sin leer (recepción a velocidad un poco inferior).  El segundo factor es que el terminal receptor recibe los bits uno tras otro, por lo que tiene que existir algún procedimiento para diferenciar cada uno de los caracteres (bloques de bits individuales) que componen la información transmitida.  Además, cuando se tienen que transmitir grandes volúmenes de información, esta no se trasmite toda de una vez ya que esto provocaría que de haber un error se tendría que retransmitir todo desde un principio. Para evitar eso, la información se trasmite en secciones más pequeñas llamadas bloques o paquetes de por ejemplo 512 o 1024 caracteres. De esta forma hay que establecer un procedimiento que nos permite identificar qué carácter, de todo lo recibido, de cada bloque. En resumen, la información se transmite en paquetes (o bloques). Cada bloque está compuesto de © Julián A.

68/68

Documentos Alumnos

caracteres (grupos de bits). De esta forma, una comunicación debe contar con procedimientos que le permitan segregar los bits, los caracteres o bytes y los bloques, y la técnica que nos lo permite es el sincronismo, existiendo el sincronismo de bit, sincronismo de carácter y sincronismo de


Apuntes alumnos

bloques.

1.2.8.4.1

SINCRONISMO DE BIT

El sincronismo de bit se encarga de determinar el momento preciso en que comienza o acaba la transmisión de un bit. Cualquiera que sea la forma de transferencia de datos siempre es necesario que el emisor y el receptor establezcan una base común de tiempos que permita reconocer los datos en los instantes adecuados. Tanto en comunicación síncrona como en comunicación asíncrona, el sincronismo de bit se lleva a cabo utilizando los “tics” (flancos) de los relojes del emisor o del receptor según corresponda.

1.2.8.4.2

SINCRONISMO DE CARÁCTER

El sincronismo de carácter se ocupa de determinar cuáles son los bits que componen cada carácter (grupo de “n” bits, pudiendo ser “n” variable en función de la norma de comunicación utilizada – en comunicación asíncrona típicamente es de 5 a 8 bits -). Es decir, el sincronismo de carácter establece las fronteras entre los distintos caracteres, para identificar donde acaba uno y dónde comienza el siguiente. En la transmisión asíncrona este sincronismo de carácter la realiza el bit de inicio (“start”) que siempre tiene la longitud de 1 bit, y el bit (o bit’s) de fin (“stop”) que puede configurarse en el emisor y en el receptor con longitudes típicas de 1, 1+½, 2 bits.

Figura 1-57 : Sincronismo de carácter en comunicación asíncrona

En las transmisiones síncronas no es necesario delimitar caracteres, ya que cada “n” bits el receptor sabe que corresponde con un carácter nuevo (recuérdese que en comunicación síncrona la comunicación no para “cada poco” y por tanto va toda seguida, mientras que en asíncrona hay que “para cada poco” y los bits de inicio y fin identifican el comienzo y parada de cada.)

1.2.8.4.3

SINCRONISMO DE BLOQUE

El sincronismo de bloque es un proceso de sincronismo más avanzado que el de carácter. Para llevar a cabo éste tipo de sincronismo, primeramente se definen un conjunto de caracteres especiales © Julián A.

69/69

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

(tomados usualmente entre los caracteres de control del código ASCII), que se intercalan en el mensaje para delimitar bloques con una secuencia determinada. Las faltas de sincronía suelen suceder cuando se rompe esta secuencia previamente fijada por el protocolo de comunicaciones. Cuando se envía un bloque de datos de un emisor a un receptor se dice que ha sido enviado un “paquete” de información. Los paquetes tienen información contenida en su interior que tanto el emisor como el receptor están diseñados para comprender (entienden el protocolo concreto que utilizan dado que conocen el sistema de codificación empleado). En comunicación asíncrona es habitual utilizar los caracteres “CR” y “LF” (retorno de carro – CR, carriage return -, y salto de línea – LF, line feed -). CRLF es simplemente CR seguido de LF, y su codificación es en hexadecimal 0x0D, 0x0A (13 y 10 en decimal).

Figura 1-58 : Ejemplo de sincronismo de carácter en comunicación asíncrona

En comunicación asíncrona es habitual utilizar el carácter SYNC (normalmente varios seguidos) al inicio de cada bloque de datos para delimitar un bloque de otro.

Figura 1-59 : 2 ejemplos de sincronismo de bloque en comunicación síncrona

Cuando revisamos un paquete de información enviado entre los participantes de una comunicación, su contenido será distinto en función sobre todo del protocolo utilizado. Es habitual denominar a cada paquete de una forma en función del protocolo utilizado. Así, cuando el protocolo utilizado es el protocolo IP (Internet Protocol), cada paquete tiene la denominación de datagrama. 1.2.9 ¿BANDA BASE O BANDA ANCHA? A la hora de transmitir señales por un medio de transmisión guiado (cable), debemos decidir si el envío va a realizarse a través de señales consistentes en impulsos eléctricos de un valor determinado (de tensión u de corriente), con formas más o menos cuadradas, o bien enviar señales senoidales de una frecuencia determinada (frecuencia de señal portadora), en la que alguna de sus características típicas © Julián A.

70/70

Documentos Alumnos

(amplitud, frecuencia, fase o combinaciones de ellas) se modifica o modula en función de los datos digitales que deseamos enviar (señal moduladora).


Apuntes alumnos

Señal moduladora Señal portadora. Frec fp (Hz)

Señal modulada OOK

Señal modulada ASK

Señal modulada PSK

Señal modulada FSK

a)

b) Figura 1-60 : a) Banda base ; b) Banda ancha

Las señales que no sufren ningún proceso de modulación ni desplazamiento en frecuencia, se denominan señales en banda base, mientras que si al señal se envía por el medio físico tras modulada en uno de los canales de frecuencia disponibles dentro del ancho de banda de medio (frecuencia coincidente con la frecuencia de la señal portadora), se dice que la comunicación se realiza en banda ancha. Antes de continuar comentando las diferencias entre emitir en banda base o en banda ancha, debemos detenernos a repasar algunos conceptos relativos a la determinación de las frecuencias a las que puede trabajar un medio de transmisión, su ancho de banda y los decibelios. 1.2.9.1 Decibelios

1.2.9.1.1

Introducción

%, dB, dBm y dB(µV) son conceptos importantes que debemos entender perfectamente y ser capaz de trabajar con ellos normalmente. Las medidas en decibelios son muy útiles cuando tenemos que trabajar con números todos los días, y estos números pueden ser muy grandes o muy pequeños. En la mayoría de los casos, lo que es más importante es la relación entre dos magnitudes. Por ejemplo, una estación base de telefonía móvil puede transmitir una potencia de 80 W aproximadamente (ganancia de la antena incluida). Los teléfonos móviles sólo reciben unos 0.000 000 002 W, lo que supone un 0.000 000 002 5% de la potencia transmitida (valor numérico muy pequeño). Siempre que haya que trabajar con rangos de magnitud muy deferentes en te valores numéricos, es conveniente utilizar el logaritmo de esos números. Por ejemplo, la estación base de nuestro ejemplo transmite una potencia de +49 dBm mientras que el teléfono móvil recibe –57 dBm, produciendo una diferencia en potencia de +49 dBm – (-57 dBm) = 106 dB. Otro ejemplo: si conectamos dos amplificadores en cascada con ganancias de 12 y 16 respectivamente, obtenemos una ganancia total de 12 x 16 = 192. En términos logarítmicos, los dos © Julián A.

71/71

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

amplificadores tienen una ganancia de 10.8 dB y 12 dB, respectivamente, produciendo una ganancia total de 10.8 dB + 12 dB = 22.8 dB, que es mucho más fácil de calcular al ser esta última la suma de ganancias individuales. En definitiva, cuando trabajamos con decibelios, los valores son mucho más fáciles de manipular. Es mucho más sencillo sumar y restar decibelios de cabeza que multiplicar y dividir valores lineales, y es más operativo hablar de -57dBm que de 0.000 000 002 W. Esta es la principal razón por la que preferimos utilizar decibelios en nuestros cálculos.

1.2.9.1.2

Definición de dB

A pesar de que el logaritmo en base 10 de la relación de dos niveles de potencia es adimensional, a dicha relación se le da unidades de belios en honor del inventor del teléfono (Alexander Graham Bell). Para obtener cantidades más manejables, utilizamos el dB (decibelio) en lugar del belio. Para ello hay que multiplicar por 10 los valores expresados en belios (al igual que multiplicamos por mil una distancia si queremos trabajar con milímetros en lugar de con metros).

P  a  10  log 1  [dB]  P2  Como ya se ha mencionado antes, la ventaja de usar decibelios es que se pueden representar las diversas señales que normalmente se encuentran en ingeniería utilizando números más manejables. Ejemplo: P1 es igual a 200 W y P2 es igual a 100 mW. ¿Cuál es su relación en dB?

P   200  a  10  log 1  [dB]  10  log   33,01 dB  0.1   P2  Por supuesto, antes de dividir estos niveles de potencia, hay que convertirlos a la misma unidad, (ambas a W o ambas a mW), ya que si dividimos directamente 200 entre 100, el resultado obtenido será incorrecto. Hoy en día, se utiliza el logaritmo en base 10 casi de forma exclusiva. La abreviatura para este logaritmo es lg. El algunos libros de texto antiguos, se puede encontrar la utilización del logaritmo natural, que es el logaritmo en base e ( e = 2.718 aproximadamente). Sin embargo, en lo que resta sólo se utilizará el logaritmo en base 10, que abreviaremos como log. También es posible convertir decibelios a unidades lineales. Primero hay que convertir los dB a belios dividiendo el valor por 10. Posteriormente, hay que elevar 10 (dado que estamos utilizando el logaritmo en base 10) a esa potencia:

P1  10 P2

a [ dB ] 10

Ejemplo: Sabemos que la relación en decibelios entre dos potencias es a = 23 dB. ¿Cuánto es P1 / P2? Calculamos primero 23 / 10 = 2.3 Por tanto P1/P2 = 102,3 = 199,5 © Julián A.

72/72

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Ejemplo: Supongamos un ordenador que genera una señal digital de 1W. Dicha señal atraviesa un conductor de 30 Km de longitud cuya atenuación es de 2 dB/Km. Si el equipo receptor señal (modem) necesita como mínimo –10dBm de potencia a la entrada para poderla interpretar correctamente. ¿Necesitaré amplificar?. Supongamos que dispongo de repetidores regenerativos que necesitan a la entrada 0 dBm y producen una señal de 10 dBm a su salida. ¿Cuántos debería utilizar?, ¿a qué distancia del equipo origen?. Sol.: a) Si, pues llegan -30dBm. b) dos. c) situados a 15 y 20Km

1.2.9.1.3

¿Qué significa dBm?

Si referimos un nivel de potencia arbitrario a una cantidad fija de referencia (en las ecuaciones anteriores P1 es la potencia a referir, y P2 la potencia de referencia), obtenemos una cantidad absoluta a partir de una relación logarítmica de potencias. La cantidad de referencia más comúnmente utilizada en telecomunicaciones y radiofrecuencia es 1 mW (la milésima parte de 1 W). Esta cantidad de referencia se designa añadiendo una m (de mW) a dB obteniéndose dBm. La relación de potencias entre P1 y P2 se convierte en una relación entre P1 y 1 mW, indicándose en dBm.

 P  a  10  log 1  [dBm]  1mW2  Para tener una idea de los órdenes de magnitud que se manejan, aquí hay algunos ejemplos: el rango de la potencia de salida de un generador de señal va desde los –140 dBm a +20 dBm o desde 0.01 fW (femto  10-15) a 0.1 W. Las estaciones base de telefonía móvil transmiten a +43 dBm o 20 W. Los teléfonos móviles transmiten de +10 dBm a +33 dBm o desde 10 mW a 2 W. Los transmisores de difusión de radio y televisión operan con niveles de salida de +70 dBm a +90 dBm o desde 10 kW a 1 MW.

1.2.9.1.4

Diferencia entre los decibelios de tensión y de potencia

Para empezar, es necesario olvidarse de todo lo que se haya oído acerca de los decibelios de tensión y de potencia. Sólo existe un tipo de decibelio, y representa la relación entre dos niveles de potencia P1 y P2. Por supuesto, se puede expresar cualquier nivel de potencia como una tensión si se conoce la resistencia. 2

U U P1  1 ; P2  2 R1 R

2

Se puede expresar la relación logarítmica como sigue:

© Julián A.

73/73

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

P a  10  log 1   P2 

 U12   R [dB]; a  10  log 12 U  2  R2

   U12 R2    2  [ dB ]; a  10  log   U R  [dB] 1  2   

Utilizando las siguientes reglas:

1 log    log( x)  x log x y  y log( x) log x  y   log( x)  log( y )

 

Obtenemos:

U 2 R  U 2  R  a  10  log 1 2 2  [dB]  20 log 1 2   10 log 1  [dB]  R2   U 2 R1   U2  Suponiendo que R1=R2 (únicamente en dicho caso), la expresión anterior se puede simplificar en:

U 2  a  20  log 1 2  [dB ]  U2  Así se explica por qué se utiliza el 10·log para relaciones de potencia y el 20·log para relaciones de tensión. La expresión anterior sólo es válida si R1 = R2. Si, como ocurre en algunas ocasiones (por ejemplo en infraestructuras Comunes de Telecomunicaciones - ICT), necesitamos tener en cuenta la conversión de impedancias características de cables de 75 ohms a 50 ohms, hay que considerar la relación entre dichas resistencias. La conversión a valores lineales se realiza de la misma manera. Para relaciones de tensión, se debe dividir el valor por 20 ya que utilizamos U 2 y decibelios (20 = 2·10, el 2 proviene de U2, el 10 de deci).

P1  10 P2

a [ dB ] 10

U1  10 U2 1.2.9.1.5

a [ dB ] 20

Niveles de referencia

Si referimos un nivel de potencia arbitrario a una cantidad fija de referencia (en las ecuaciones anteriores P1 es la potencia a referir, y P2 la potencia de referencia), obtenemos una cantidad absoluta a partir de una relación logarítmica de potencias.

© Julián A.

74/74

Documentos Alumnos

Por ejemplo, la cantidad de referencia más comúnmente utilizada en telecomunicaciones y radiofrecuencia es 1 mW (la milésima parte de 1 W).


Apuntes alumnos

Esta cantidad de referencia se designa añadiendo una m (de mW) a dB obteniéndose dBm. La relación de potencias entre P1 y P2 se convierte en una relación entre P1 y 1 mW, indicándose en dBm.

 P  a  10  log 1  [dBm]  1mW2  Para tener una idea de los órdenes de magnitud que se manejan, aquí hay algunos ejemplos: el rango de la potencia de salida de un generador de señal va desde los –140 dBm a +20 dBm o desde 0.01 fW (femto  10-15) a 0.1 W. Las estaciones base de telefonía móvil transmiten a +43 dBm o 20 W. Los teléfonos móviles transmiten de +10 dBm a +33 dBm o desde 10 mW a 2 W. Los transmisores de difusión de radio y televisión operan con niveles de salida de +70 dBm a +90 dBm o desde 10 kW a 1 MW. Como vimos anteriormente, el término dBm conlleva la referencia a un nivel de potencia de 1 mW. Otras cantidades de referencia utilizadas normalmente son 1 W, 1 V, 1 pV y también 1 A o 1 µA. Se designan como dB (W), dB (V), dB (µV), dB (A) y dB (µA), respectivamente, o en medidas de intensidad de campo, dB (W/m2), dB (V/m), dB (µV/m), dB (A/m) y dB (µA/m). Como en el caso de los dBm, la forma convencional de escribir estas unidades dBW, dBV, dBµV, dBA, dBµA, dBW/m2, dBV/m, dBµV/m, dBA/m y dBµA/m que si bien se desvían del estándar, son comúnmente utilizadas. A partir de los valores relativos de la potencia P 1 (tensión U1) referidos a la potencia P2 (tensión U2), se obtienen los valores absolutos utilizando los valores de referencia anteriormente citados. Estos valores absolutos también se conocen como niveles. Un nivel de 10 dBm significa un valor que es 10 dB mayor que 1 mW (o de otra forma, un valor referido a una señal de 1mW), y un nivel de -17dBµV se corresponde con un valor que es 17 dB menor que 1µV. Cuando se trabaja con estos valores, es importante tener en cuenta si son magnitudes de potencia o de tensión. Algunos ejemplos de magnitudes de potencia son la potencia, la energía, la resistencia, la figura de ruido y la densidad de potencia. Las magnitudes de tensión (también conocidas como magnitudes de campo) incluyen la tensión, la corriente, la intensidad de campo eléctrico, la intensidad de campo magnético y el coeficiente de reflexión. Ejemplos: Una densidad de potencia de 5 W/m2 se corresponde con el siguiente nivel:

 5W / m2 P  10  log 2  1W / m

   7 dB (W / m 2 ) 

Un nivel de tensión de 7 µV se puede expresar en dB(µV):

 7 V U  20  log  1 V

   16.9 dB ( V ) 

Para convertir estos niveles a valores lineales se utilizan las siguientes expresiones:

P  10

a [ dB ] 10

 Pref , o V  10

u [ dB ] 20

 Vref

Ejemplos: © Julián A.

75/75

Documentos Alumnos

Un nivel de potencia de -3 dB(W) se corresponde con:

P  10

3 [ dB ] 10

 1W  0.5W  500mW

Un nivel de tensión de 120 dB(µV) se corresponde con:


Apuntes alumnos

V  10

120 [ dB ] 20

 1V  1000000  1V  1V

Ejemplo: Llega una señal de 15 dBm ¿qué potencia en W tendrá la señal? Sol.: 10 (15/10) = 0,0316 W Ejemplo: Al transmitir una señal a través de un cable sufre una atenuación de 10dB. Si necesito recibir en un extremo 2W de potencia, ¿Cuántos dBm deberá tener la señal que se envíe en el otro extremo? [Sol.: 43 dBm]

1.2.9.1.6

Atenuación y ganancia

Tomemos como base la representación esquematizada siguiente de la función realizada por un amplificador:

P1

P2

Figura 1-61 : Amplificador

Donde:

P2  Alineal P1

La relación anterior es muy habitual especificarla en dB:

P  AdB  10  log 2  [dB]  P1  Si la potencia de salida P2 es mayor que la potencia de entrada P1, entonces la relación logarítmica entre P2 y P1 es positiva. Esto se conoce como amplificación o ganancia. Si la potencia de salida P2 es menor que la potencia de entrada P1, entonces la relación logarítmica entre P2 y P1 es negativa. Esto se conoce como atenuación o pérdida (y en ese caso en general se indica se omite el signo menos al indicar la palabra atenuación). Los amplificadores convencionales consiguen ganancias de hasta 40 dB en una sola etapa (en un único paso), lo que se corresponde con relaciones de tensión de hasta 100 veces y relaciones de potencia de hasta 10000 veces. Para valores mayores existe el riesgo de que el amplificador oscile (no sea estable). Se pueden obtener ganancias más elevadas conectando varias etapas en serie. La oscilación se puede evitar utilizando una apantallamiento adecuado. Los atenuadores más comunes tienen valores de 3 dB, 6 dB, 10 dB y 20 dB. Esto se corresponde con relaciones de tensión de 0.7, 0.5, 0.3 y 0.1 o relaciones de potencia de 0.5, 0.25, 0.1 y 0.01. En este caso también se pueden conectar en cascada (en serie o seguidos) varios atenuadores para obtener valores de atenuación superiores. Si se intenta obtener atenuaciones superiores con una sola etapa, © Julián A.

76/76

Documentos Alumnos

existe riesgo de que se produzcan diafonías.


Apuntes alumnos

En el caso de una conexión en serie (cascada) de circuitos amplificadores (o atenuadores), se puede calcular fácilmente la ganancia total (o la atenuación total) sumando(o restando) los valores en decibelios. Por ejemplo, en el caso siguiente: Filtro -0,7dB

Amplificador 12dB

Mixer -7dB

Amplificador 23dB

P2

P1

Figura 1-62 : Conexión en cascada

Al venir los datos en dB, la ganancia total se calcula así: A = a1 + a2 + ... + an = -0.7 dB + 12 dB - 7 dB + 23 dB = 27.3 dB. Ejemplo: Asumiendo que la tensión de salida de un circuito amplificador es igual al 3% de la tensión de entrada, y asumiendo iguales las resistencias de carga vistas en cada caso, ¿cuál es la atenuación en dB? Al indicar relaciones en dB de tensión en lugar de potencias tenemos:

 3  a  20  log   30.46 dB  100  Lo que significa que tendremos 30.46 dB de atenuación Sin embargo debe tenerse en cuenta que cuando manejamos valores con referencias concretas (dBm, dBV, dBµV, dBA, dBµA, dBW/m2, dBV/m, dBµV/m, dBA/m y dBµA/m) dichos valores no pueden ser “sumados” para obtener resultados totales. Veamos un ejempo: Ejemplo: Se desea sumar tres señales P1, P2 y P3 con niveles respectivos de 0 dBm, +3 dBm y -6 dBm. ¿Cuál es la potencia total en dBm? En este caso, al utilizar medidas con referencias concretas (dBm, o sea referencias a señales de 1mW), debemos convertir previamente las medidas a escala lineal

Psalida  10 1mW

0 [ dB ] 10

Psalida  10 1mW

3 [ dB ] 10

Psalida  10 1mW © Julián A.

 1mW

 2mW

6 [ dB ] 10

 0,25mW

77/77

Documentos Alumnos

Ptotal = 1 mW + 2 mW + 0,25 mW = 3,25mW


Apuntes alumnos

Convertimos de nuevo esta medida de potencia a la referencia de 1mW y tenemos:

 3,25 mW a  10  log  1 mW

   5,12 dBm 

Si hubiéramos sumado los valores iniciales hubiéramos obtenido erróneamente: 0 dBm + 3 dBm – 6 dBm = -3 dBm

1.2.9.1.7

Ejemplos de uso

1.2.9.1.7.1 Ejemplo 1 Calcular la potencia de salida de un atenuador de 3 dB como porcentaje de la potencia de entrada.

Al indicar relaciones en dB de potencia tenemos:

Psalida  10 Pentrada

3 [ dB ] 10

 0.501 Psalida = 50,1% de Pentrada

1.2.9.1.7.2 Ejemplo 2 La potencia de salida de un atenuador es 20% menor que la potencia de entrada. ¿Cuál es la atenuación en decibelios? Al indicar relaciones lineales de potencia tenemos : a

 100  20   10  log   0.97 dB  100 

1.2.9.1.7.3 Ejemplo 3 La tensión de salida de un amplificador es 12.2% superior a la tensión de entrada, y asumiendo iguales las resistencias de carga vistas en cada caso, ¿cuál es la ganancia en decibelios? Al indicar relaciones lineales de tensión tenemos: a

1.2.9.1.8

 100  12,2   20  log   1 dB  100 

Relación señal a ruido (S/N)

Una de las magnitudes más importantes en la medida de señales es la relación señal a ruido (S/N). Las medidas fluctuarán más si la S/N se degrada. Para determinar la relación señal a ruido, primero se mide la señal (S) y posteriormente la potencia de ruido (N) sin la presencia de la señal. No es posible medir la señal sin ningún ruido, por lo que sólo se obtendrán resultados correctos si la S/N es buena (es decir si la potencia del ruido es pobre frente a la potencia de la señal).

SN 

S S ; o en dB SN  10 log  [ dB ] N N

En algunas ocasiones, además del ruido también hay distorsión. En estos casos, lo normal es determinar la relación señal a ruido y distorsión (SINAD) en lugar de la relación señal a ruido. © Julián A.

78/78

Documentos Alumnos

SINAD 

S  S  ; o en dB SINAD  10 log  [dB] ND  N  D

Se desea medir la relación S/N de un receptor de radio FM. En la salida de altavoz del receptor, se mide una potencia de 100 mW. Sin señal a la entrada del receptor, se mide una potencia de ruido de 0.1 µW a la salida del receptor. La relación S/N se calcula como sigue:

0,1W   S SN  10 log  [dB]  10 log   60dB N  0,0000001W  1.2.9.1.9

Tablas de conversión entre dB y valores lineales


Apuntes alumnos

Ejemplo:

Figura 1-63 : Conversión entre dB y valores lineales

1.2.9.1.10 Nivel de Presión Sonora En medidas acústicas, el nivel de presión sonora Lp se mide en decibelios. Lp es la relación logarítmica entre una presión sonora p y una presión sonora de referencia p0 = 20 µPa (micro pascales, o 2·10-5 pascales). Este valor de presión sonora de referencia es el nivel más bajo de presión que el oído de un ser humano puede percibir en el rango de frecuencia más sensible (alrededor de los 3 kHz). Este nivel de presión se conoce como umbral de audición. © Julián A.

79/79

Documentos Alumnos

 p L p  20 log  [dB]  p0  L p [ dB ]


Apuntes alumnos

p  10

20

1.2.9.1.10.1

 p0 Niveles ponderados de presión sonora dB(A)

El oído humano tiene una respuesta en frecuencia que también depende el nivel de presión sonora (es decir, a distintas frecuencias no oímos igual, lo que significa que a una frecuencia determinada escuchamos una presión sonora, sin embargo a otra frecuencia quizás no escuchemos esa presión sonora) . Cuando se mide presión sonora, se utilizan filtros especiales de ponderación para simular esta respuesta en frecuencia (es decir, para medir la presión sonora, debemos simular lo que oiríamos los humanos, y no lo que va a recoger un aparato de medida). Así se obtienen valores que simulan la respuesta del oído humano más fielmente que los valores sin ponderar. Los diferentes tipos de filtros de ponderación se conocen como A, B, C y D.

Figura 1-64 : Filtros de ponderación A, B, C y D y la respuesta en frecuencia del oído humano El filtro tipo A (en verde en la

Figura 1-64 : Filtros de ponderación A, B, C y D y la respuesta en frecuencia del oído humano), es el más utilizado y se incluye en los sonómetros para simular lo recogido realmente por el oído humano. El nivel que se obtiene con este filtro se conoce como L pA y se especifica en dB(A) para especificar el filtro de ponderación. Una diferencia del nivel de presión sonora de 10 dB(A) se percibe como si se doblara el volumen. Diferencias en el nivel de 3 dB son claramente audibles, pero sólo es posible reconocer diferencias más pequeñas si se realiza una comparación directa. Nuestro rango de audición va desde los 0 dB(A) (umbral de audición) hasta el umbral de dolor de 120 dB(A) a 134 dB(A).

© Julián A.

80/80

Documentos Alumnos

El REAL DECRETO 286/2006, de 10 de marzo (BOE nº 60, de 22 de marzo) establece, el valor límite de exposición referidos a los niveles de exposición diaria, se fija en:


Apuntes alumnos

 Valores límite de exposición: 87 dB(A)

Tabla 1-2 : Tabla 1 R.D. 286/2006. Efectos del ruido sobre la salud

1.2.9.1.10.2 VALORES RECOMENDADOS ESTABLECIDOS EN EL CÓDIGO TÉCNICO DE EDIFICACIÓN (CTE) Y LA NORMA BÁSICA DE EDIFICACIÓN (NBE-CA-88)

© Julián A.

81/81


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Tabla 1-3 : Tabla 1 R.D. 286/2006. Efectos del ruido sobre la salud

Tabla 1-4 : Tabla 3 NBE-CA-88 Valores inmisión aplicables entre las 8h y las 22h

1.2.9.1.10.3 VALORES RECOMENDADOS EN EL REGLAMENTO DE INSTALACIONES TÉRMICAS EN LOS EDIFICIOS (RITE) PARA LOS SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO

© Julián A.

82/82


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Tabla 1-5 : Tabla 4 R.I.T.E – Valores sonoros recomendados en sistemas de aire acondicionado

Algunas comunidades autónomas tienes normas de uso específico en lo relativo al nivel de ruido admitido para las distintas actividades y franjas horarias.

1.2.9.1.11 Precisión, posiciones decimales ¿Cuántas posiciones decimales se deberían utilizar para especificar valores en decibelios? Si se aumenta un nivel de potencia x en 0.01 dB, el valor lineal varía de la siguiente forma: X dB + 0.01 dB =

10

X  0 , 01 [ dB ] 10

X

 10 10 10

0 , 01 [ dB ] 10

X

 10 10 1,0023

Esto es equivalente a un aumento de potencia del 0.23% (en el caso de tensión, el cambio sería del 0.11%). Este cambio de nivel es comparable a las fluctuaciones normales del resultado de medida, por lo tanto, no tiene sentido especificar valores en decibelios con cinco o más decimales salvo en contadas ocasiones.

1.2.9.2 Ancho de banda Las transmisiones en banda base son frecuentes debido al bajo coste de los equipos de transmisión, sin embargo este tipo de transmisión tiene el inconveniente de desaprovechar el medio de transmisión debido a que con dicho sistema, cuando una señal está presente en el medio físico, ningún equipo puede hacer uso del medio en ese momento para enviar dato adicional alguno. Utilizando el ancho de banda del medio físico podríamos envía la señal modulada en un canal de los disponibles, de forma que en ese mismo instante el resto de canales quedan libres y pueden ser © Julián A.

83/83

Documentos Alumnos

simultáneamente utilizados para cualquier otro envío/recepción. Vamos a profundizar un poco más en este asunto.


Apuntes alumnos

1.2.9.2.1

Problemas de transmisión

Cuando una señal atraviesa un canal de comunicaciones sufre tres tipos de fenómenos que la hacen variar su forma original: atenuación, distorsión y ruido Atenuación: Es una disminución en la amplitud de la señal a medida que ésta va recorriendo el medio de transmisión. La atenuación sufrida por la señal es proporcional a la distancia recorrida, por lo que se suele especificar, para los medios de transmisión, en dB/m. Podemos apreciar el principio físico de la atenuación teniendo en cuenta que la resistencia (ligada con la atenuación) de un conductor es directamente proporcional a la longitud del mismo, mientras que resulta inversamente proporcional a su sección. Por tanto, a secciones mayores del conductor, menor atenuación, y a longitudes mayores de conductor, mayor atenuación. En transmisión de señales analógicas se puede compensar la pérdida de amplitud debida a la atenuación mediante el uso de amplificadores, que incrementan la amplitud de la señal de entrada. En transmisiones digitales utilizaremos repetidores regenerativos, que generan una señal nueva a la salida con la misma información que tenía la señal a la entrada. Un requisito para el correcto funcionamiento de los repetidores regenerativos es que la señal de entrada debe poder ser decodificada, por lo que deberemos situarlos cada cierta distancia. Al necesitar interpretar la información recibida, deben dejar pasar al menos un tiempo de bit (en la práctica varios), por lo que introducen un pequeño retardo, lo que tiende a limitar el número de estos en un trayecto. Distorsión: provoca una deformación de la señal original, debido a las características inductivas y capacitivas parásitas de los diferentes medios de transmisión. El efecto se basa en provocar una atenuación variable para cada frecuencia, y trae como consecuencia la distorsión o deformación de la señal al atravesar el medio. Ruido: es toda perturbación o interferencia no deseada que se introduce en el canal de comunicaciones y se suma a la señal útil. Existen múltiples fuentes de ruido, unas externas (motor de un coche, de un ascensor, teléfono móvil, …) y otras internas al propio sistema de comunicaciones (ruido térmico,…). Existen también interferencias debidas a acoplamientos electromagnéticos entre líneas cercanas (diafonías), etc. Es imposible predecir la magnitud de la tensión del ruido en un momento determinado, por lo que se suele tratar de forma estadística. Existen diferentes tipos de ruido, de los que destacaremos dos:  Ruido Blanco: Su densidad de energía se distribuye por igual en todo el rango de frecuencias. Ejemplo: Ruido térmico provocado por el movimiento aleatorio de los electrones de un metal con la temperatura.  Ruido Impulsivo: Producido a intervalos irregulares con picos muy pronunciados y de corta duración. Suelen tener origen externo (encendido de una luz, relés, …) Para evitar el ruido la única forma de proceder es recubrir el medio de transmisión con una pantalla metálica que absorba la mayoría del ruido externo, evitando a la vez la salida de interferencias al exterior, teniendo especial cuidado en la forma de conexionar dicha pantalla (ver xxxx) También debemos tener presente que al amplificar una señal presente en la línea de transmisión, debemos tener en cuenta que también estaremos amplificando el ruido que lleve dicha señal, hecho que © Julián A.

84/84

Documentos Alumnos

limita el número de amplificadores dispuestos en serie al transportar una señal analógica.


Apuntes alumnos

Como ya se ha comentado, la relación ente la potencia de la señal útil y la potencia del ruido es un parámetro fundamental para determinar la calidad de la transmisión. Dicha relación, se denomina relación señal ruido (S/N o SNR), y puede expresarse en escala lineal o en escala logarítmica (dB).

1.2.9.2.2

Ancho de banda de una señal.

Definimos ancho de banda (BW) de una señal como el intervalo de frecuencias máxima y mínima en las que se descompone dicha señal. El desarrollo en serie de Fourier nos muestra que cualquier señal periódica (y si no lo es, puede asumirse que dicha señal posee periodo infinito) puede ser representada y descomponerse como una suma (generalmente infinita) de señales senoidales de distintas frecuencias.

Descomposic ión en serie de Fourier A

A0

Términos: n=1 (componente t fundamental) T0

+

 f0=1/T0 = 1 kHz

A1

n=2 (armónico de t orden f1/f0=2)

t

T0

 f0=1/T0 =1kHz

+

T1

 f1=1/T1 = 2 kHz

A2 t

Señal digita T2

+

BW[Hz]

A[dB]

n=5 (armónico de orden f2/f0=5)

 f2=1/T2 = 5 kHz

+20 0 -3 -20 f0

f1

f2 f(Hz)

Ancho de banda de la Señal digita

.....

Figura 1-65 : Ancho de banda de una señal no senoidal I

En la figura Figura 1-65 : Ancho de banda de una señal no senoidal, observamos una señal no senoidal descompuesta es suma de señales senoidales. Los términos de dicha suma se numeran generalmente con números enteros (1,2,3, etc). Al término numerado con un n=1 se le denomina “componente fundamental), y tiene una frecuencia f 1 que coincide con la frecuencia f1 de la señal no senoidal original. Al resto de términos se le denomina “armónicos”, y tienen unos números de orden que coincide con el grado de “multiplicidad” de la frecuencia del término respecto a la frecuencia de la componente fundamental. Es decir, si la componente fundamental tiene frecuencia 1kHz y hay un término que tiene frecuencia de 2kHz dicho término tiene grado n=2 (porque tiene frecuencia doble que la frecuencia de la componente fundamental), y por tanto se dice que es el armónico de orden 2 (o segundo armónico). Si hay un término que tiene frecuencia 5kHz, dicho término será el armónico de orden 5, y así sucesivamente. Si en el ejemplo de la figura Figura 1-65 : Ancho de banda de una señal no senoidal, consideramos despreciables los armónicos a partir del de orden n=5, podremos decir que la señal original posee un ancho de banda BW de 5 kHz. Para representar esto mismo suelen utilizarse representaciones de barras, en las que cada componente del desarrollo en serie de Fourier se representa como una “barra”, de la forma siguiente:

© Julián A.

85/85

Documentos Alumnos

Descomposic ión en serie de Fourier A

Términos:

A0

n=1 (componente t fundamental) T0

+

 f0=1/T0 = 1 kHz

A1

n=2 (armónico de t orden f1/f0=2)


Apuntes alumnos

t

T0

 f0=1/T0 =1kHz

Señal digita EMITIDA

+

T1

 f1=1/T1 = 2 kHz

+20

A2 t T2

+

BW[Hz]

A[dB]

n=5 (armónico de orden f2/f0=5)

 f2=1/T2 = 5 kHz

0 -3 -20 f0

f1

f2

f(Hz)

.....

Figura 1-66 : Ancho de banda de una señal no senoidal II En la figura

Figura 1-66 : Ancho de banda de una señal no senoidal II, se representa a la derecha la descomposición armónica (los téminos) de la señal original, y como a partir del término de frecuencia f 2 el resto de términos son poco significativos, observándose que el ancho de banda BW de la señal original está en entorno a los f2 Hz. Otros ejemplos de descomposición de señales en términos senoidales son los siguientes:

Figura 1-67 : Descomposición de señales en armónicos En la figura

© Julián A.

86/86

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Figura 1-67 : Descomposición de señales en armónicos, se observa como la primera de las señales es seniodal pura, por tanto sólo posee una “barra” en su descomposición en serie, y dicha barra tiene por orden “1” (dado que posee la frecuencia de la señal original). El resto de señales muestran distintos ejemplos de descomposiciones reales de señales no senoidales. Por otro lado, se habla también en ocasiones del ancho de banda absoluto de una señal y el ancho de banda relativo (ver

Figura 1-68 : Señales - Ancho de banda absoluto vs relativo.).  Se denomina ancho de banda absoluto de una señal a su anchura de espectro armónico al completo (se mide en Hz).  Se denomina ancho de banda relativo de una señal a la anchura del espectro de frecuencias donde se concentra la mayor parte de la energía de la señal (se mide también en Hz).

Figura 1-68 : Señales - Ancho de banda absoluto vs relativo.

1.2.9.2.3

Ancho de banda del medio físico.

Definimos ancho de banda (BW) de un canal de comunicaciones como el intervalo de frecuencias para las cuales la atenuación del medio de transmisión permanece bajo unos límites determinados y aproximadamente constantes. Consideraremos dichos límites como una diferencia de 3dB respecto al valor de señal enviada a una frecuencia f0 tomada como referencia. A’0  A0

A0

A0

t T0

T0

A1 t  f1=1/T1 (Hz)

t  f2=1/T2 (Hz)

A0

BW[Hz]

t T1

+20

A2

T2

A[dB]

 f0=1/T0 (Hz)

A’1  A1

MEDIO FÍSICO (CABLE)

T1

t

 f0=1/T0 (Hz)

0 -3 -20

 f1=1/T1 (Hz)

A’2  A2 / 100 t

A0 f0

f1

f2

f(Hz)

T3

 f3=1/T3 (Hz)

Figura 1-69 : Ancho de banda del medio físico En la figura © Julián A.

87/87


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-69 : Ancho de banda del medio físico observamos como si ensayamos en medio físico (cable) enviando señales senoidales de frecuencias f0 y f1, éstas son recibidas perfectamente al otro extremos del medio físico (las amplitudes de señal recibidas A’0 y A’1 son prácticamente idénticas a las amplitudes A0 y A1 emitidas). Sin embargo, la señal de frecuencia f2 (y a partir de ella el resto), son recibidas con mucha menos amplitud en el otro extremo del medio (A’ 2 aparece con valor 100 veces inferior a la emitida, o lo que es lo mismo, con una atenuación en potencia de 20dB). Definimos ancho de banda (BW) de un medio físico o canal de comunicaciones, como el intervalo de frecuencias para las cuales la atenuación del medio de transmisión permanece bajo unos límites determinados y aproximadamente constantes. En el caso anterior el ancho de banda del medio físico es algo inferior al valor f2 Pero, ¿aué sucede cuando la señal emitida no es una señal seniodal?. Como ya hemos indicado, el desarrollo en serie de Fourier nos muestra que cualquier señal periódica (y si no lo es, puede asumirse que dicha señal posee periodo infinito) puede ser representada y descomponerse como una suma (generalmente infinita) de señales senoidales de distintas frecuencias. Tanto las señales analógicas como las digitales son en general señales de aspecto muy alejado al de las formas senoidales. Descomposic ión en serie de Fourier A

A’0

A0 t T0

+

t

 f0=1/T0 (Hz)

t

t

+

T1

 f1=1/T1 (Hz)

A2 BW[Hz]

A[dB]

t

+20 0 -3 -20

T2

+

f1

f2

A

 f2=1/T2 (Hz)

t t

BW[Hz]

A[dB]

+

+20 0 -3 -20

T1

 f1=1/T1 (Hz)

T2

 f2=1/T2 (Hz)

Señal RECIBIDA

A’2 t f0

f1

.....

f0

 f0=1/T0 (Hz)

A’1

A1

Señal digita EMITIDA

T0

+

MEDIO FÍSICO

f2 f(Hz)

+

.....

f(Hz)

Figura 1-70 : Señal no senoidal transmitida por un medio físico En la figura

Figura 1-70 : Señal no senoidal transmitida por un medio físico, observamos como una señal digital (por tanto no senoidal) cuyo ancho de banda BW es de aproximadamente f2 Hz, es emitida por un medio físico. Dado que la señal puede descomponerte en suma de senoidales (desarrollo de Fourier), las señales senoidales que posean frecuencias “dentro” del ancho de banda (BW) del medio físico (y que están representadas por las “barras” f0 y f1 en le diagrama de barras correspondiente), son transmitidas perfectamente por el medio físico, mientras que las señales senoidales que queden “fuera” del ancho de banda del medio (la señal de frecuencia f2 y el resto a apartir de ella), son atenuadas llegarán muy debilitadas al receptor. En el ejemplo vemos como la señal de frecuencia f 2 queda atenuada en 20dB. Por tanto, en el receptor no llegan todas las “componente armónicas” de la señal original, de forma que no se “reconstruye” finalmente la forma de onda digital original debido a dichas atenuaciones.

© Julián A.

88/88


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-71 : Alteraciones sufridas por una señal al ser transmitida por un medio físico.

El ancho de banda de un medio físico (cable) depende de varios factores, pero uno de ellos es su longitud. Un aumento en la longitud del cable hace que disminuya notablemente el ancho de banda del mismo. Por ejemplo, en la tabla Tabla 1-6 : Variación del ancho de banda con la longitud, podemos ver como el ancho de banda de cables de diferentes categorías varía en función de la longitud del mismo. Ancho de banda En categoría 3

En categoría 4 En categoría 5

100 kHz 2 km 3 km 3 km

1 MHz 500 m 600 m 700 m

20 MHz 100 m 150 m 160 m

100 MHz no existe no existe 100 m

Tabla 1-6 : Variación del ancho de banda con la longitud

A continuación se presentan los valores característicos típicos (ancho de banda, atenuación retardo, etc), de algunos de los medios físicos más habituales:

Tabla 1-7 : Parámetros característicos de algunos medios físicos

Que es un “canal” Supongamos un “medio de transmisión (por ejemplo un cable, o el aire), que presenta un ancho de banda determinado BW (Hz). Si queremos transmitir una señal no senoidal (por tanto tendrá un ancho de banda a su vez, o espectro de frecuencias), dicha señal ocupará un “rango” de frecuencias del medio de transmisión (todas las del espectro de frecuencial de la señal a transmitir), pero quedará libre el resto del ancho de banda del medio para poder ser utilizado por otras señales. Sin embargo, si intentamos transmitir una segunda señal no senoidal por el mismo medio, si el espectro de frecuencias de esta segunda señal se “solapa” con el de la primera señal, acabará produciéndose una interferencia entre ambas señales. Los canales son una forma de repartir (o dibidir) el ancho de banda de un medio físico de © Julián A.

89/89

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

transmisión en trozos (denominados canales), de forma que una señal cualquiera no pueda ocupar más que el ancho reservado a un canal, asegurándose de esta forma que dos señales no vana solaparse miestras utilizen canales distintos.

Sistemas G y H 625 líneas Canal Video (MHz) Audio (MHz) 21

471.25

476.75

22

479.25

484.75

...

…

…

67

839.25

844.75

68

847.25

852.75

69

855.25

860.75

Example 1 Assume that a voice channel occupies a bandwidth of 4 KHz. We need to combine three voice channels into a link with a bandwidth of 12 KHz, from 20 to 32 KHz. Show the configuration using the frequency domain without the use of guard bands. Solution © Julián A.

90/90

Documentos Alumnos

Shift (modulate) each of the three voice channels to a different bandwidth, as shown in Figure


Apuntes alumnos

6.6

Example 2 Five channels, each with a 100-KHz bandwidth, are to be multiplexed together. What is the minimum bandwidth of the link if there is a need for a guard band of 10 KHz between the channels to prevent interference? Solution For five channels, we need at least four guard bands. This means that the required bandwidth is at least 5 x 100 + 4 x 10 = 540 KHz, as shown in Figure 6.7.

© Julián A.

91/91

AUTOM ATIZACIÓN INDUSTRIALS  Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

© Julián A.

92/92


Documentos Alumnos

© Julián A.

93/93


Documentos Alumnos

© Julián A.

94/94


Documentos Alumnos

© Julián A.

95/95


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

• • • • • • • •

The sender follows these steps: The unit is divided into k sections, each of n bits. All sections are added using one’s complement to get the sum. The sum is complemented and becomes the checksum. The checksum is sent with the data. The receiver follows these steps: The unit is divided into k sections, each of n bits. All sections are added using one’s complement to get the sum. The sum is complemented. If the result is zero, the data are accepted: otherwise, rejected. Suppose the following block of 16 bits is to be sent using a checksum of 8 bits. 10101001 00111001 The numbers are added using one’s complement 10101001 00111001 -----------Sum 11100010 Checksum 00011101 The pattern sent is 10101001 00111001 00011101

Now suppose the receiver receives the pattern sent in Example 7 and there is no error. 10101001 00111001 00011101 When the receiver adds the three sections, it will get all 1s, which, after complementing, is all 0s and shows that there is no error. 10101001 00111001 00011101 Sum 11111111 Complement 00000000 means that the pattern is OK.

© Julián A.

96/96


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Now suppose there is a burst error of length 5 that affects 4 bits. 10101111 11111001 00011101 When the receiver adds the three sections, it gets 10101111 11111001 00011101 Partial Sum 1 11000101 Carry 1 Sum 11000110 Complement 00111001 the pattern is corrupted.

1.2.10 INTERFERENCIAS Y RUIDO ELECTROMAGNÉTICO: Todos sabemos que al poner un cable en el lugar que ocupa la antena de un equipo de radio, mejoramos la recepción de los canales de radio. Esto es debido a que el cable hace las funciones de la antena, y recoge la radiación electromagnética presente en el ambiente. Pues bien, esto sucede con todos los cables, tanto los que están conectados en el lugar de la antena de un equipo de radio, como los que están dando energía eléctrica a dicho equipo, como los cables que conectas los distintos elementos de los equipos, o cables que transportan información.

© Julián A.

97/97


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-72 : Ruido afectando una comunicación entre equipos

Todo cable, por el mero hecho de serlo se comporta como un receptor electromagnético (una antena), donde aparecerán recogidas las radiaciones electromagnéticas presentes en el ambiente. Por este motivo, la información que viaja de un equipo a otro se verá modificada al ser añadida a dicha información (dichos niveles de tensión), los correspondientes a las radiaciones electromagnéticas (ruido electromagnético) presente en el ambiente (y que será mas importante cuanto mas largo sean los cables).

+

=

Figura 1-73 : Efectos del ruido en las comunicaciones de datos entre equipos.

Además de esto, un par de cables se comportan como un condensador (dos conductores separados por un aislante), un condensador o capacidad llamada parásita. Asimismo, un cable que transporta una corriente eléctrica sufre fenómenos de autoinducción (tal como le pasa a una bobina). Dichos “elementos parásitos” modifican las características de transmisión, ya que intentar conseguir una velocidad de transmisión de 500Mbps significa que las señales viajarán a frecuencias que pudieran alcanzar los 500MHz (los valores podrían cambiar 500 millones de veces en un segundo), y teniendo en cuenta las reactancias que poseen dichos elementos parásitos, esto impide que se pueda trasmitir, ya © Julián A.

98/98

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

que finalmente tendremos un ancho de banda global que deja transmitir el cable.

Figura 1-74 : Errores debidos a ruidos en las líneas de comunicación

1.2.10.1 Parámetros de una línea eléctrica de cobre Los elementos parásitos que todo cable (por el mero hecho de serlo) posee intrínsecamente, hacen que el ancho de banda del mismo (el rango de frecuencias para las cuales el cables transmite los datos “bien”) se reduzca.

Figura 1-75 : Parámetros característicos de una línea de transmisión

Para que un cable posea un ancho de banda grande (y por tanto altas tasas de transferencia de datos), se necesita: © Julián A.

99/99

Documentos Alumnos

Apuntes alumnos

 Que esté bien apantallado

a)

b)

c)

Figura 1-76 : Cables de comunicaciones: a) Sin pantalla, b) Pantalla global, c) Pantalla por pares y global


 Que tenga minimizado el valor de las inductancias mutuas entre los conductores de cada par, así como el desequilibrio en la influencia de las interferencias electromagnéticas (por ejemplo trenzándolo, ya que así una influencia positiva se compensará en el siguiente tranzado con una negativa, intentando tener una influencia total neta de 0).  Que tenga minimizadas las capacidades parásitas, utilizando por ejemplo poca longitud de cable, o aumentando tanto el aislamiento de cada hilo como la sección final del mismo.

Figura 1-77 : Trenzado en cables de comunicaciones

 Una solución a todo lo anterior (elementos parásitos, reducción del ancho de banda del cable, efectos de interferencias electromagnéticas, etc) puede solventarse dejando de utilizar la electricidad como medio de trasporte de la información, y pasando a utilizar la luz y por tanto, enlaces de fibra óptica.

1.2.10.1.1 TIPOS DE CABLES DE COMUNICACIONES:  Cable UTP: ( Unshieldded twisted Pair) o cable de par trenzado no apantallado formado por cuatro pares trenzados individualmente y entre sí de cable de cobre de galga AWG 24 de 100 Ohm de impedancia y aislamiento de polietileno; es el más universalmente utilizando.  Cable FTP ( Foiled Twsted Pair), o cable de par trenzado apantallado mediante un folio de aluminio/ mylar e hilo de cobre para drenaje. Está formado por 4 pares © Julián A.

100/100

Documentos Alumnos

trenzados individualmente entre sí de cable de cobre de galga AWG 24 de 100 Ohm de impedancia sin aislamiento de polietileno. Este tipo de cable ha sido hasta ahora poco usad, aunque en la actualidad las nuevas exigencias de la normativa europeas sobre emisiones radioeléctricas están imponiendo su uso cada vez más.

Tipos de pares trenzados


Apuntes alumnos

Tipo

Nº de pares

UTP Sin apantallar

STP

FTP

Malla metálica

Lámina metálica

Aplicaciones

1ó2

Telefonía

4

Cable estructurado

10, 20, 25, 50, 100, 300

Troncales de telefonía Datos baja velocidad Datos velocidad media Instrumentación

1, 2, 4, 25

Instrumentación 4

Cable estructurado

Telefonía, datos Instrumentación - Un poco difícil de maneja Figura 1-78 : Tipos de pares trenzados - Mas costoso 25

 Cable coaxial es un tipo particular (parecido a los cables de antena), con apantallado 5 externo y un solo conductor, generalmente trenzado (aunque últimamente hemos visto algunos de conductor sólido en los tendidos de los operadores de televisión por cable). Ha sido muy utilizado en redes Ethernet, aunque últimamente ha cedido protagonismo en favor de los tipos comentamos anteriormente.

Figura 1-79 : Cable coaxial

Asimismo, cabe decir que los medios de transmisión pueden englobarse en:  Medios guiados : En general cables, fibra óptica, etc, en donde escuchar una comunicación hace necesario pinchar la linea  Medios no guiados : donde escuchar la comunicación no hace necesario pinchar la linea, sino que se está difundiendo dicha comunicación (por ejemplo radiodifusión – WIFI, etc).

© Julián A.

101/101

Medios de transmisión No guiados

Apuntes alumnos

Guiados


Documentos Alumnos

 Las señales están confinadas en el medio  Protección frente a interferencias  La potencia no se dispersa  Nexo físico entre emisor y receptor  Cables de cobre: señales eléctricas

 Las señales evolucionan “libremente” en el medio  Las señales tienden a dispersarse  Atenuación de las señales  Gran flexibilidad  Aire, agua, vacío Radiación

 Cables de fibra óptica: señales ópticas (luz) TX

Antena receptora

Antena emisora

RX

Figura 1-80 : Diferencias medios guiados y no guiados

3

1.2.10.2 Parámetros de la fibra óptica La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un LED.

Transmisión de información por fibra

 La transmisión de informaciones analógicas a través de fibra óptica se lleva a cabo mediante la digitalización y codificación de la información (modulación)

Emisor

A/D

. .. .

Enlace

Receptor

Fibra óptica COD

DEC

.. ..

D/A

Información recuperada

Driver

Información analógica

Figura 1-81 : Fibra óptica. Transmitiendo la información 13

Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio y superiores a las de cable convencional. Son el medio de transmisión por excelencia al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, también se utilizan para redes locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas © Julián A.

102/102

Documentos Alumnos

Cables de fibra óptica

de la fibra óptica sobre otros medios de transmisión.

 Distorsiona poco la señal

 Poco sensible a los campos electromagnéticos


Apuntes alumnos

Cubierta interior (jacket) Envoltura o corteza (cladding)

Cubierta exterior

 Región del espectro utilizada por la fibra:

Fibra óptica (core)

800

1700

 (nm)

c = •f 100–400 nm (UV)

IF

Visible: 400-770 nm 6

Figura 1-82 : Fibra óptica - características y parámetros generales I

Nuestra actual sociedad de la información refleja una tendencia imparable de aumento de la demanda de ancho de banda de transmisión en las redes de comunicación. La fibra óptica es el medio de comunicación que en la actualidad posibilita obtener grandes tasas de comunicación a precios moderados.

Figura 1-83 : Fibra óptica - características y parámetros generales II

© Julián A.

103/103

Propagación de la luz en la fibra óptica Documentos Alumnos

Corteza (n2)

Aire (n0=1)

1 

Núcleo (n1)



Apuntes alumnos

0

Ley de Snell: n0• sen0=n1 •sen1 = n1cos=n1(1-sen2)1/2 ¿Cuál es el 0 máximo para tener =c? sen0máx =n1 (1 – sen2c )1/2=(n12-n22)1/2


sen0máx= AN =apertura numérica 0max = ángulo de aceptación máximo

Tipos de fibras ópticas

8

Figura 1-84 : Fibra óptica – Propagación de la luz en su interior

 Según el perfil del índice de refracción del núcleo n

n n2

n1 r a

r

Fibra de salto de índice

r a

r Fibra de índice gradual

 Según los modos de propagación (haces de luz de similares características ) - Fibras monomodo: V Vc - Fibras multimodo: V  Vc

Parámetro V  2 

a  AN 

Vc= 2,4 Perfil salto de índice Vc = 3,4 Perfil gradual 9

Figura 1-85 : Fibra óptica – Tipos de fibras

© Julián A.

104/104

Comparación de fibras ópticas


Apuntes alumnos

FIBRA MONOMODO

MULTIMODO DE INDICE GRADUAL

Documentos Alumnos

MULTIMODO DE SALTO DE INDICE

FUENTE

Láser

Láser o LED

Láser o LED

ANCHO DE BANDA

 3 GHz

200 MHz a 3 GHz

 200 MHz

CONEXIÓN

Difícil debido al núcleo pequeño

Difícil

Difícil

APLICACIÓN

Cables submarinos

Enlaces telefónicos entre centrales

Líneas de datos

COSTE

Menos costosa

Costosa

La más costosa

Elementos de un enlace de fibra óptica Figura 1-86 : Fibra óptica. Tipos de fibras - Comparación

10

Conectores

(SMA, ST, SC) i

i

LED o Láser

Fibra óptica

LED

Fotodiodo

Diodo Láser

- Velocidades  50 Mbps - Económico - Estabilidad de funcionamiento - Amplio margen de temperaturas

- Más de potencia que un LED - Más caros - Luz monocromática:  única

11 Figura 1-87 : Fibra óptica. Elementos de conexión

© Julián A.

105/105

Pérdida de potencia en un enlace de fibra

Documentos Alumnos

 Ejemplo: - Emisor: 120 W de luz,  = 820 nm

- Receptor: sensibilidad 1,5 W para fibra de 100/140 m - Fibra óptica: Atenuación = 4,3 dB/Km a  = 820 nm,  = 100 m - Conectores: atenuación máxima 1,5 dB

Potencia mínima recibida: 1,5 W

Potencia generada: 120 W

Pérdidas en el conector P C1

At,máx  10 log

120  Pc1 1,5  Pc 2

Atenuación

1,5dB  10 log

Pérdidas en el conector PC2

120  Pc1 120  PC1

1,5dB  10log

1,5  Pc 2  Pc 2 1,5 12

Figura 1-88 : Fibra óptica. Pérdidas de potencia

1.2.10.3 Comunicación balanceada vs comunicación no balanceada Al interconectar dos o más equipos para realizar una comunicación de datos entre ellos, en lo relativo a las polaridades de las líneas de comunicación tenemos en general dos opciones:  La primera es de forma no-balanceada. La señal se lleva a través de un cable de dos conductores, uno de los cuales es el terminal de “masa” que se conecta de forma común entre los equipos participantes. Las conexiones no-balanceadas son muy simples, pero son muy susceptibles de contaminarse por interferencia electro-magnética, particularmente cuando las distancias de cable son largas.

Interferencia




Apuntes alumnos

¿Cuál es el alcance máximo del enlace?

Figura 1-89 : Conexión no balanceada

Una posible señal de interferencia recogida por la línea, es finalmente derivada a masa en el caso del hilo “común” sin que ello afecte demasiado al funcionamiento interno de la tarjeta de comunicaciones correspondiente. Sin embargo, la interferencia que recojan los hilos “no comunes” (los activos), se introducen en la electrónica de la tarjeta de comunicaciones pudiendo afectar al reconocimiento del dato que finalmente hubiera en la línea.

© Julián A.

106/106

Documentos Alumnos

Emisor

Receptor + -

Tarjeta de comunicaciones

Interferencia Tarjeta de comunicaciones


Apuntes alumnos

 La otra manera es balanceada. La señal se lleva “dos veces”, una de ellas con la polaridad invertida, y ninguna de las señales es “común” (o masa). A esto se lo conoce como el balanceado de una señal. En este caso, las interferencias electro-magnéticas afectarán por igual a los dos cables que llevan la señal, pero do que la electrónica de entrada del dispositivo realiza lo que se conoce como desbalanceado (en general mediante amplificadores operacionales o similares). El desbalanceado consiste en restar las dos señales que le llegan, aplicando al resultado un factor o ganancia posterior. Al estar una de ellas invertida con respecto de la otra, el proceso consigue dos efectos. Por en lado refuerza (dobla) la señal resultante, y por otra cancela las posibles interferencias que se recogieran en la línea.

Figura 1-90 : Conexión balanceada

En la práctica la atenuación total de las interferencias es muy compleja y no siempre se consiguen los resultados esperados, aunque en cualquier caso el transporte balanceado de señal es siempre preferible. El parámetro CMRR (Common Mode Rejection Ratio, Relación de Rechazo en Modo Común) expresa la atenuación de una interferencia que “se cuela” en igual cantidad en los conductores que llevan la señal, y suele oscilar entre 60 y 80 dB (vienen dado por las tolerancias del circuito de desbalanceado de entrada). La Figura 1-90 : Conexión balanceada explica de forma gráfica el balanceado: el equipo emisor genera dos copias de la misma señal una de la cuales está invertida respecto de la otra. Si existe interferencia se produce de igual manera en las dos señales que se transportan por el cable (y con la misma polaridad). En el equipo receptor las señales llegan a aun amplificador operacional (o electrónica similar) que resta valores y con ello se cancelan las interferencias. La nomenclatura habitual para los bornes de las tarjetas de comunicación para el caso de tarjetas de comunicación bajo líneas balanceadas son las mostradas en la tabla siguiente.

© Julián A.

Nombre

Función

TXD / RXD (+) - A

TRANSMISIÓN DE DATOS (SALIDA +)

TXD / RXD(-) - B

TRANSMISIÓN DE DATOS (SALIDA -)

107/107

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.2.10.4 Blindaje y apantallado En este apartado se explica como debe realizarse la interconexión entre los diferentes bloques que componen un sistema de comunicación para minimizar las interferencias, es decir, al cableado. Para conectar, por ejemplo, un sensor que proporciona una determinada señal (en tensión, en corriente, etc.) con un instrumento cualquiera resulta obvio que se necesitan, en general, dos conductores o más (pensemos, por ejemplo, en una RTD conectada a tres hilos). Aparentemente, resulta muy sencilla la conexión: tan sólo serán necesarios unos cables con la longitud suficiente para cubrir la distancia que separa ambos sistemas; sin embargo, el correcto conexionado de los sistemas no es, ni mucho menos, tan obvio como pueda parecer. Cuanto más largo sea un conductor, más probable que sufra interferencias y mayores serán, y los cables de conexión entre los diferentes dispositivos son, generalmente, los conductores más largos que existen en un sistema de instrumentación por lo que será necesario cuidar el cableado con el fin de minimizar las interferencias.

(Seguir con le archivo ud1-apantallado.pdf)

ser:

Poner lo de que el apantallado para ser útil debe ser conectado a tierra, pero su conexión puede

 En un punto extremo para evitar bucles de tierra, aunque eso genera que la pantalla actúe de “antena” receptora de ruido y por tanto lo atraiga conm el riesgo de perturbación que conlleva.  En ambos extremos, lo que disminuye el efecto de antena, pero con mucho riesgo de los bucles de tierra salvo cuando estemos seguros que las tierras son equipotenciales (mismo edificio)  En general para bajas frecuencias mejor un único punto (la radiación capacitiva (efecto antena) es menor en estos casos, y para altas frecuencias en ambos puntos y rezar para que no existan bucles de tierra  La solución Para lograr una reducción de la capacidad parásita hay que conectar el blindaje no a tierra, sino a un potencial próximo al de los conductores del interior. Esta técnica se denomina guarda activa y requiere el empleo de un circuito seguidor previo o incluido en el amplificador de alterna, según se muestra en la figura.

El circuito puede estudiarse analizando el modelo propuesto en la figura. Se pueden plantear las siguientes ecuaciones.

© Julián A.

108/108


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

De estas ecuaciones se deduce que la impedancia de entrada es:

Es decir, la impedancia de la capacidad parásita y la impedancia de entrada diferencial quedan multiplicadas por A+1. Por tanto, la capacidad parásita que introduce el cable queda reducida en un factor prácticamente igual a la ganancia en lazo abierto del amplificador operacional, que decrece desde valores superiores a 106 en continua hasta un valor entre 1 y 10 a la frecuencia de 1 MHz. Cuanto mayor sea la frecuencia, tanto mayor será la reducción de la capacidad parásita. 1.2.11 CÓDIGOS DE DETECCIÓN Y/O CORRECCIÓN DE ERRORES Debido a los defectos y efectos externos existentes en las líneas de transmisión de datos, siempre se pueden producir errores no deseados en la recepción de una información transmitida. La calidad de una transmisión se mide por la tasa de error (BER), que viene determinada por la relación existente entre el número de bits recibidos de forma errónea y el número de bits transmitidos en total. Una de las tareas importantes a realizar por la capa de enlace (y también por algunas de la demás capas superiores del modelo OSI) es la de detectar, y si se desea, corregir errores ya que el nivel físico tradicionalmente no está libre de errores por ruido termal, interferencias electromagnéticas, diafonía (acoplamiento electromagnético entre líneas que discurren paralelamente, y se mide en forma de atenuación existente entre el circuito perturbador y el circuito perturbado), etc. Un sistema de detección de errores permitirá al receptor de una comunicación detectar un error en los datos recibidos de forma que en general, la capa que detecta el error rechaza el paquete recibido, de forma que solicita de nuevo el paquete al equipo emisor para su reemisión. Los sistemas que además de detectar, corrigen los errores pueden no sólo detectar el error, sino que presentan capacidades para averiguar si la información que llega incorrecta, y proceden a corregir dicho error sin pedir al emisor la reemisión del paquete. Estos sistemas de detección y corrección de errores suelen añadir a la información transmitida bastante información adicional, por lo que utilizan finalmente el medio de transmisión de forma poco eficiente. La práctica general en estos casos es utilizar sistemas de detección de errores, y no utilizar los sistemas de detección y corrección. Entre los muchos sistemas de detección y/o corrección de errores existentes en la actualidad, vamos a describir a continuación los siguientes:      © Julián A.

Paridad simple. Paridad Longitudinal y Vertical: LRC (Longitudinal Redundancy Checking). Y VRC Método de HAMMING. Suma de comprobación o CHECKSUM. Código de redundancia cíclica o CRC.

109/109

Documentos Alumnos

1.2.11.1 MÉTODO DE PARIDAD SIMPLE


Apuntes alumnos

Como ya se comentó anteriormente, el método de paridad se basa en añadir un bit más a cada carácter transmitido, de forma que el número total de unos enviados contabilicen un número par (paridad par o even), o un número impar (paridad impar o odd), según el esquema siguiente:  PARIDAD PAR (EVEN) : Se pone el bit de paridad a “1” o a “0” de forma que el numero total de “1” trasmitidos (sin tener en cuenta bits de inicio y fin) sea PAR.  PARIDAD IMPAR (ODD) : Se pone el bit de paridad a “1” o a “0” de forma que el numero total de “1” trasmitidos (sin tener en cuenta bits de inicio y fin) sea IMPAR. La mayor parte de los protocolos de transmisión serie asíncronos usan paridad impar, y la mayor parte de los síncronos usan paridad par, aunque no hay ninguna razón para ello. Ejemplos simples de uso de un sistema de paridad se presentan el la tabla siguiente:

Byte de datos + bit de paridad par impar 0000000 00000000 00000001 1010001 10100011 10100010 1101001 11010010 11010011 1111111 11111111 11111110

7 bits de datos

Tabla 1-8 : Ejemplos de paridad simple

En la tabla aparecen trasmisiones de palabras de 7 bits a las que se añade el bit de paridad para completar un byte (8 bits). Ejemplo: Dato  1010001 Norma  RS232, 9600 bps, 7 bits de datos, 1 bit inicio, Paridad par (Even), 2 bits de stop

Solución:

Valor transmitido  11010001 (sólo datos)

Cronograma de la transmisión (incluye sincronismo de caráter):

Figura 1-91 : Ejemplo de paridad simple. NOTA: Nótese que en una transmisión serie, los datos emitidos por el medio de transmisión son siempre de menor peso a mayor peso, por lo que aparentan están invertidos en su posición.

© Julián A.

110/110

Documentos Alumnos

Supongamos que se sufre un error durante la propagación del dato por el medio de transmisión:


Apuntes alumnos

Perturbación

Figura 1-92 : Ejemplo de paridad simple con perturbación.

Dato recibido

11010101

El receptor contabiliza el numero total de unos recibidos (5),y dado que la configuración de emisor y del receptor deben ser idénticas (y por tanto ambos equipos tienen configurada una paridad par), el receptor detecta el error, y pedirá al emisor la retransmisión de la palabra de datos. Se puede demostrar que con este sistema de detección de errores, los errores de un número impar de bits transmitidos que pueden afectar tanto a los bits de datos, como a los propios bits de paridad), son detectados, pero errores producidos en un número par de bits no son detectados por el sistema Con este método de detección de errores, por cada m bits trasmitidos se añade un bit extra a la emisión. Si tomamos como base una transmisión de palabras de 7 bits de datos, se añadiría un bit extra a cada palabra, por lo que su repercusión es de un (1/8) 12,5% de datos extra emitidos ( o sea, el 12,5% del uso del medio de transmisión no son datos, sino información extra añadida a los mismos). 1.2.11.2 Códigos de HAMMING. Los códigos de Hamming son una generalización del sistema de paridad. La idea que subyace en su utilización es la de crear un sistema que añada varios bits de paridad para no sólo detectar el máximo de errores posibles, sino también con capacidad para corregir algunos de ellos. El código de Hamming es un código detector y corrector de errores que lleva el nombre de su inventor, Richard Hamming (1915 – 1998). Fue un matemático estadounidense que trabajó en temas relacionados con la informática y las telecomunicaciones. Sus principales contribuciones a la ciencia han sido el código Hamming, la ventana Hamming y la distancia Hamming. Los códigos Hamming constituyen por tanto una familia de códigos diseñada para detectar y corregir los errores que pueden aparecer durante una transmisión. Estos códigos se basan en añadir a cada una de las palabras de información un conjunto de bits que están formadas por un conjunto de bits de información que se van a transmitir de comprobación. El conjunto de bits de información y bits de comprobación constituyen una palabra del código Hamming que se este utilizando. La particularidad principal de los códigos Hamming se encuentra en que a partir de los bits de comprobación pueden detectar la posición de los bits erróneos y corregirlos, cambiando un 0 por I y viceversa. Los códigos Hamming se diseñan para corregir y detectar un número predeterminado de errores; así, existen códigos para corregir un bit erróneo, dos bits erróneos, etc. Puede demostrarse que si un código Hamming es capaz de corregir los errores que aparezcan en n bits también será capaz de © Julián A.

111/111

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

detectar n + 1 bits erróneos. Por ejemplo, los códigos Hamming que corrigen un bit erróneo también son capaces de detectar errores dobles. De la naturaleza del funcionamiento de los códigos Hamming se deduce que el número de bits necesarios para corregir un error está relacionado con la longitud de la palabra que se desea transmitir, pues para indicar la posición de un bit en una palabra de n bits se necesitan al menos n’ bits de comprobación que se pueden calcular a través de la expresión:

n' = Parte entera { Ln (n -1) } La disposición de los bits de comprobación no tiene por que ser una determinada, pudiendo ser agrupados al principio o al final de la palabra Hamming, siendo lo verdaderamente importante que los bits de comprobación afecte a los mismos bits de datos en cuanto a la comprobación de paridad. Una desventaja de los códigos Hamming es el número de bits adicionales que emplean. En el caso de un código Hamming capaz de detectar los errores que se producen en un código de 8 bits necesitamos 4 bits adicionales, de modo que en cada dato que se envíe solo 8 de los 12 bits empleados corresponden realmente a información, es decir, estamos desperdiciando el 4/12 = 33 por ciento del tiempo empleado en transmitir los datos. Dado que los códigos de este tipo reducen notablemente la capacidad efectiva del canal solo se emplean en situaciones en las que los sistemas de corrección de errores hacia atrás son más lentos, como ocurre en el caso de comunicaciones espaciales. En este caso el uso de un código de corrección hacia atrás supone un intercambio de mensajes que puede llegar a reducir la anchura efectiva del canal aun más que si se emplea un código Hamming. Los códigos Hamming no se usan, generalmente, de forma aislada, sino que se combinan con otros métodos. Normalmente cuando aparece un error no se presenta de forma aislada, sino que afecta a un conjunto relativamente grande de bits, de modo que se necesitaría un código Hamming capaz de corregir muchos errores, lo que supone un gasto notable de bits para esa función. Existe una alternativa que consiste en agrupar un conjunto de palabras Hamming y transmitirlas no una a una, sino transmitir primero, por ejemplo, los bits más significativos de todas las palabras, a continuación los siguientes bits de mayor peso, etc. De este modo, si se produce un error que afecte a varios bits afectara a un único bit de cada palabra Hamming, y el código seguirá siendo eficaz. A pesar de todo existen situaciones que los códigos Hamming son incapaces de recuperar a menos que utilicen un numero prohibitivo de bits, y finalmente hay que recurrir al empleo de métodos de corrección hacia atrás. Los códigos Hamming se emplean también como códigos de trabajo interno en las memorias de algunos dispositivos cuando se requiere una gran fiabilidad. El código de Hamming es un código que se utiliza para la detección y también la corrección de errores de comunicación. El código lleva el nombre de su inventor Richard Hamming (1915 – 1998). Fue un matemático estadounidense que trabajó en temas relacionados con la informática y las telecomunicaciones. Sus principales contribuciones a la ciencia han sido el código Hamming, la ventana Hamming y la distancia Hamming. Utilizando el sistema inventado por Hamming se pueden detectar errores en un bit y corregirlos, sin embargo no se distingue entre errores de dos bits y de un bit (para lo cual si puede utilizarse el código Hamming extendido). Este código representa una mejora sustancial respecto a los códigos con bit de paridad, que sólo pueden detectar errores en sólo un bit, y nunca pueden corregirlos. Si a un carácter a enviar se le añaden más bits con el objeto de detectar/corregir errores, y si © Julián A.

112/112

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

esos bits se pueden ordenar de modo que diferentes bits de error producen diferentes resultados, entonces los bits erróneos podrían ser identificados. En un conjunto de siete bits, hay sólo siete posibles errores de bit, por lo que con tres bits de control (que pueden tener 23 = 8 combinaciones) se podría averiguar no sólo si ocurrió un error, sino en qué bit concreto fue. Hamming estudió los esquemas de codificación existentes y generalizó sus conclusiones. Para empezar, desarrolló una nomenclatura para describir el sistema, incluyendo el número de los bits de datos y el de los bits detectores-correctores de error en un bloque. Por ejemplo, la paridad incluye un solo bit para cualquier palabra de datos, así que si las palabras del código ASCII que son de siete bits, Hamming describe la paridad en este caso como código (8.7), esto es, un total de 8 bits de los cuales 7 son datos. La efectividad de los códigos de bloque depende de la diferencia entre una palabra de código válida y otra. Cuanto mayor sea esta diferencia, menor es la posibilidad de que un código válido se transforme en otro código válido por una serie de errores. A esta diferencia se le llama distancia de Hamming, y se define como el número de bits que tienen que cambiarse para transformar una palabra de código válida en otra palabra de código válida. Si dos palabras de código difieren en una distancia d, se necesitan d errores para convertir una en la otra.

Ejemplo: entre los dos números binarios 01010101 y 00001111 hay una distancia de 4 bits (los bits en que difieren ambos números aparecen en color rojo), es decir, se necesitan cuatro errores para transformar un código en el otro. 1.2.11.2.1 MÍNIMA DISTANCIA DEL CÓDIGO. Si definimos como capacidad de detección de un código a la cantidad de bits en error mínimos que no siempre pueden ser detectados, y definimos también como capacidad de corrección de un código a la cantidad de bits en error mínimos que no siempre pueden ser corregidos, y M la mínima distancia de un código, tendremos que:  M – 1 = capacidad de Detección + capacidad de Corrección  M – 1 = D + C; D≥C

Ejemplos:

 Con M = 2 (paridad) M-1=D+C; 1 = D + C  D = 1, C = 0 (detectamos i error pero no podemos corregir)  Si M = 3  M-1=D+C; 2 = D + C  D = 1, C = 1 ó D = 2, C = 0 (podemos detectar un error y corregirlo, o bien detectar 2 errores pero no corregir ninguno)  Si M = 4  M-1=D+C; 3 = D + C  D = 1, C = 2 ó D = 2, C = 1 ó D = 3 C = 0 (podemos detectar un error y corregirlo, o bien detectar 2 errores pero corregir 1, o bien detectar hasta 3 errores peno no corregir ninguno)

La detección y corrección se basa en la distancia de Hamming del código.  Para detectar d errores necesito un código de distancia d+1.  Para corregir d errores necesito un código de distancia 2d+1.  Para detectar (d+1) errores y corregir d errores necesito un código de distancia 2d+1+1. Por ejemplo, un bit de paridad agregado a los datos (la paridad simple ya estudiada) © Julián A.

113/113

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

 Es de distancia 2, un error invalida la palabra.  Sirve para detectar errores simples.  No sirve para corregir. Para poner en práctica éste método se utiliza un algoritmo que Hamming mismo enunció:  Todos los bits cuya posición es potencia de dos se utilizan como bits de paridad (posiciones 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, etc.).  Los bits del resto de posiciones son utilizados como bits de datos (posiciones 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, etc.).  Cada bit de paridad se obtiene calculado la paridad de alguno de los bits de datos. La posición del bit de paridad determina la secuencia de los bits que alternativamente comprueba y salta, tal y como se explica a continuación.

-

Posición 1: salta 1, comprueba 1, salta 1, comprueba 1, etc. Posición 2: comprueba 1, salta 2, comprueba 2, salta 2, comprueba 2, etc. Posición 4: comprueba 3, salta 4, comprueba 4, salta 4, comprueba 4, etc. Posición 8: comprueba 7, salta 8, comprueba 8, salta 8, comprueba 8, etc. Posición 16: comprueba 15, salta 16, comprueba 16, salta 16, comprueba 16, etc. Y así sucesivamente.

1.2.11.2.2 EJEMPLO HAMMMING (DISTANCIA 3). Supongamos que se desea enviar un dato de valor: 01010110 (MsB:b7 ; LsB:b0). Se sitúan los bits de datos y los bits de paridad en sus posiciones correspondientes, y se calculan sus valores (en estas gráficas los pesos puestos de izquierda a derecha):

Figura 1-93 : Ejemplo Hamming código 12.8 [o sea 12 bits totales, 8 de los cuales son datos]

Por tanto, lo que finalmente se transmite (datos + paridades) es: 010100110001. Si ahora suponemos que en la transmisión, surge alguna perturbación (en rojo), y los datos recibidos son los siguientes [010100111001 (datos + código)], veamos lo que sucede (en estas gráficas los pesos puestos de izda a derecha):

© Julián A.

114/114


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-94 : Ejemplo Hamming código 12.8 con un error simple [o sea 12 bits totales, 8 de los cuales son datos]

Al recalcular las paridades, el receptor detecta un error, y sabe que la posición del mismo es la 4, con lo que corrige el bit de la posición 4 y lo cambia de 1 a 0 (corrige el error). Si ahora suponemos que en la transmisión original surgen dos perturbaciones (en rojo), y los datos recibidos son los siguientes [010100111101 (datos + código)], veamos lo que sucede (en estas gráficas los pesos puestos de izquierda a derecha):

Figura 1-95 : Ejemplo Hamming código 12.8 [o sea 12 bits totales, 8 de los cuales son datos] dos errores simple

El receptor detecta errores, pero no es capaz de corregirlos, ya que el cálculo parece indicar que el error está únicamente en la posición 7, cuando en realidad no es que haya un error, sino múltiples. Si de nuevo suponemos que en la transmisión original, surgieron tres perturbaciones (en rojo), y los datos recibidos son los siguientes [010101111101 (datos + código)], veamos lo que sucede:

© Julián A.

115/115


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-96 : Ejemplo Hamming D3 con tres errores [Código 12.8, o sea 12 bits totales, 8 de los cuales son datos]

En este caso el receptor ni siquiera detecta los errores, y da la transmisión por correcta, cuando ha habido hasta tres errores. Con esto se pone de manifiesto que el código hamming es bueno detectando errores. Es capaz de corregir, pero sólo errores de pocos bits (dependiendo del código m.n utilizado)

1.2.11.2.3 OTROS EJEMPLOS HAMMING: Consideremos la palabra de datos de 7 bits “0110101” al que vamos a aplicar el método de hamming consistente en añadirles a los datos 4 bits de paridad [por tanto código 11.7, o sea 11 totales, 7 de los cuales son de datos]. Para ver cómo se generan y utilizan los códigos Hamming para detectar un error, observe las tablas siguientes. Se utiliza la d para indicar los bits de datos y la p para los de paridad. En primer lugar los bits de datos se insertan en las posiciones apropiadas y los bits de paridad calculados en cada caso usando la paridad par.

P1 P2 P3 P4

= = = =

D1 D1 D2 D5

exor exor exor exor

D2 D3 D3 D6

exor D4 exor D5 exor exor D4 exor D6 exor exor D4 exor Figura D7 1-97 : Ejemplo Hamming

D7 D7

= “1” = “0” = “0” = “0”

[código 11.7, o sea 11 bits totales, 7 de los cuales son datos] © Julián A.

116/116

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

La nueva palabra a enviar (junto con los bits de paridad) es ahora “10100110001”. Consideremos ahora que el bit de la izquierda (MsB), por error, cambia de 1 a 0. La nueva palabra recibida por el receptor será: "00100110001”

Figura 1-98 : Ejemplo Hamming con tres errores [Código 11.7, o sea 11 bits totales, 7 de los cuales son datos]

Si se analiza en la tabla anterior la paridad que se debe obtener a la derecha tras la llegada del mensaje sin errores debe ser siempre 0 (por cada fila), pero en el momento en que ocurre un error esta paridad cambia a 1, de allí el nombre de la columna "prueba de paridad 1". Se observa que en la fila en que el cambio no afectó la paridad es cero y llega sin errores. En la imagen correspondiente al test de paridad Considerando ahora que el bit de la derecha (MsB), por error, cambia de 1 a 0. La nueva palabra recibida por el receptor será: "00100110001”. En este caso se detecta error en la posición 7 = (p4+p2+p1) El paso final es recordar que si el fallo se encuentra en d7. El valor entero que representan los bits de paridad es 11 (si no hubieran ocurrido errores este valor seria 0), lo que significa que el bit décimo primero de la palabra de datos (bits de paridad incluidos) es el erróneo y necesita ser cambiado.

Figura 1-99 : Hamming cálculo de paridades

Cambiando el bit menos significativo (LsB) 10100110001 al original, se obtiene. 10100110000. Si el error se produjera en uno de los bits de paridad, en la comprobación sólo se detectaría un error (justo el correspondiente al bit de paridad causante del mismo), y no podría corregirse. © Julián A.

117/117

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.2.11.3 MÉTODO DE PARIDAD LONGITUDINAL y VERTICAL: (LRC) y (VRC): Ëste método en una particularización del sistema de paridad de Hamming, que se basa en aplicar la paridad simple a un bloque de datos (definible en su tamaño), para finalmente aplicar la paridad tanto por filas, como por columnas. Si en un sistema de paridad simple agrupamos los caracteres en bloques, se puede aumentar la protección, detectando y hasta corrigiendo errores utilizando un bit de paridad por carácter en forma de control de paridad horizontal y añadiendo un carácter por bloque que configura el control de paridad vertical. De esta manera estaremos utilizando la paridad longitudinal (LRC) (sistema que se basa pues en la combinación de paridades horizontales y verticales  LRC o Longitudinal Redundancy Checking - Chequeo de Redundancia Longitudinal/Horizontal y  VRC o Vertical Redundancy Checking - Chequeo de Redundancia Vertical). El proceso para calcular la paridad de un bloque de palabras a transmitir es el siguiente:  Los caracteres a transmitir se agrupan en bloques de n filas y m columnas.  Se calcula el bit de paridad de cada fila y se añade al principio (o al final, según convenio) de la fila.  Se calcula el bit de paridad de cada columna y se añade al principio (o al final, según convenio) de la columna. El bloque final a transmitir tendrá por tanto una fila y una columna más que el original.  La nueva columna estará formada por los bits de paridad horizontal de todas las filas.  La nueva fila estará formada por los bits de paridad vertical de todas las columnas.  Adicionalmente se emplea un bit de paridad cruzada que se calcula a partir de los bits de paridad de filas y columnas. Los chequeos de paridad horizontal y vertical se usan para detectar y corregir los posibles errores que se puedan producir durante la transmisión de datos. A continuación se muestra un ejemplo en el que se chequea la paridad de un bloque de 48 bits, distribuido en 6 filas de 8 bits cada una. Se usa paridad par.

Paridad Bit1 Bit2 Bit3 Bit4 Bit5 Bit6 Bit7 Bit8 Horizontal 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 Paridad cruzada  0 1 1 0 0 1 1 0 0 Paridad vertical Tabla 1-9 : Ejemplo de paridad LRC - I

La paridad cruzada cumple la paridad tanto vertical como horizontal, y si no la cumple es que nos hemos equivocado. Un bloque no tiene por qué ser cuadrado, y por tanto puede tener más filas que columnas o más columnas que filas. En este caso, un error en alguno de los bits transmitido y recibido por el receptor puede ser detectado, incluso corregido. Supongamos por ejemplo el caso anterior en donde la recepción se realiza con un error en uno de los bits recibidos:

© Julián A.

118/118


Apuntes alumnos

Error en columna

Documentos Alumnos

Paridad Bit1 Bit2 Bit3 Bit4 Bit5 Bit6 Bit7 Bit8 Horizontal 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1  Error en fila. 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 Paridad cruzada  0 1 1 0 0 1 1 0 0 Paridad vertical Tabla 1-10 : Ejemplo de paridad LRC - II

En este caso, el error es detectado en la fila y columna concreta, de forma que se conoce así el bit concreto que ha sido recibido con error, y por tanto podemos proceder a corregirlo. No obstante, una combinación de errores como la mostrada en la figura siguiente no es detectada.

Paridad Bit1 Bit2 Bit3 Bit4 Bit5 Bit6 Bit7 Bit8 Horizontal 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 Paridad cruzada  0 1 1 0 0 1 1 0 0 Paridad vertical Tabla 1-11 : Ejemplo de paridad LRC - III

En este caso, un error doble en una fila no es detectado por este sistema (el igual que sucede en una paridad simple), pero si además coincide con errores dobles en las columnas, finalmente los errores que acompañan la transmisión no son detectados por el sistema. Veamos un ejemplo concreto de aplicación de este sistema de detección de errores: Ejemplo: Queremos transmitir los caracteres "PAF" en código ASCII de 7 bits (P = 50H; A = 41H; F = 46H), colocamos los tres caracteres formando un bloque que consistirá en 3 filas y 8 columnas.

Para cada fila se calcula el bit de chequeo de paridad horizontal (en rojo) y para columna el bit de chequeo de paridad vertical (en verde). El Bit de paridad cruzada (en azul) sería 0 (VRC) + 0 (LRC) = 0.

© Julián A.

119/119

Documentos Alumnos

Carácter Binario


Apuntes alumnos

V C R

Carácter Hexadecimal

Carácter ASCII

0

1

01

00

00

50H

P

0

1

00

00

01

41H

A

1

1

00

01

10

46H

F

CRC = 1

1

01

01

11

57H

LCR Tabla 1-12 : Ejemplo de paridad LRC - IV

El nuevo bloque a transmitir estará formado por cuatro filas y nueve columnas. En cada fila aparece un valor que lo compone el bit de paridad vertical (VRC) junto al dato de 7 bits (formando un carácter de 8 bits). Por tanto, se transmitirían los caracteres 50H, 41H, C6H, y D7H (11010111). Este código detectaría errores simples, dobles y triples y corregiría los errores simples. En este método, por cada palabra trasmitida se añade 1 bit y además, por cada n palabras trasmitidas se añade 1 palabra extra a la transmisión. En el caso concreto de envío de palabras de 7 palabras de longitud 7 bits, se añadirían 8 bits extra de paridad longitudinal (7 bits para la paridad longitudinal de cada palabra + 1 bit de paridad longitudinal del bit de paridad cruzada) , más 7 bits de paridad vertical, por lo que su repercusión es de un (15/64) 23,5% de datos extra emitidos, lo que hace que sea un método no usado en la práctica debido a su pobre eficacia en el empleo del medio. 1.2.11.4 MÉTODO DE SUMA DE COMPROBACIÓN - CHECKSUM Este método es empleado tanto para comunicaciones (Internet, comunicación de dispositivos, etc.), como para el control de datos almacenados (archivos compresos, discos portátiles, etc.). El proceso consiste en sumar cada uno de los componentes básicos de un sistema (generalmente cada byte), y almacenar el valor del resultado obtenido después de dicha suma. Posteriormente se realiza el mismo procedimiento y se compara el resultado con el valor almacenado. Si ambas suman concuerdan se asume que los datos probablemente no han sido corrompidos. Vemos por tanto que el sistema se basa en hacer una suma aritmética (binaria) de los datos (palabras) a transmitir. En las comunicaciones entre equipos, y debido a que en general el tamaño del campo CHECKSUM a transmitir debe estar limitado a un número de bit’s (en muchos casos, longitud de bit’s coincidente con la longitud de los datos a enviar), el resultado suele ser truncado. El receptor realiza la suma (en la recepción), de forma que si los resultados no coinciden, se concluye que los datos han sufrido un error en el proceso de transmisión.  Ejemplo: Queremos transmitir los caracteres "PAG" en código ASCII de 7 bits (P = 50H; A = 41H; G = 47H), utilizando un sistema de detección de errores CHECKSUM simple.

© Julián A.

120/120

Documentos Alumnos

1010000 1000001 1000111


Apuntes alumnos

Valor Truncado  11011000 CHECKSUM El nuevo bloque a transmitir estará formado por los valores 50H, 41H, 47H, y 58H (1011000). Estos tipos de control por redundancia son útiles en la detección de las modificaciones accidentales como corrupción de los datos o los errores de almacenamiento en un canal de comunicaciones. Sin embargo, no proporcionan ninguna seguridad contra una variedad de corrupciones, particularmente no detecta errores:  Si se cambia el orden de los bytes de la información.  Se se agregan o eliminan bytes de valor igual a cero.  Si se producen múltiples errores que se cancelan unos con otros (por ejemplo, si en el caso anterior se producen dos errores en la misma columna de valores a sumar, de forma que el resultado de la suma no varíe). Con éste método, por cada bloque de palabras trasmitidas, se añade una palabra extra a la transmisión. Por poner un caso similar a los casos puestos con anterioridad, en el envío de 7 palabras de longitud 7 bits, se añadiría una palabra de 7 bits extra, por lo que su repercusión es de un (7/56) 11,6% de datos extra emitidos. 1.2.11.5 MÉTODO DE COMPROBACIÓN DE REDUNDANCIA CÍCLICA - CRC: La comprobación de redundancia cíclica (CRC) es un código de detección de errores usado frecuentemente en redes digitales y en dispositivos de almacenamiento para detectar cambios accidentales en los datos. Es un sistema que se aplica a bloques de datos. Junto con los bloques de datos ingresados en estos sistemas, se añade un valor de verificación adjunto, basado en el residuo (resta) de una división de polinomios. El cálculo es repetido por el receptor, de forma que en función de la obtención de resultados de éste comparados con los enviados por el emisor da o no la transmisión por válida (el bloque completo). Por lo tanto se puede afirmar que este código es un tipo de función que recibe un flujo de datos de cualquier longitud como entrada y devuelve un valor de longitud fija como salida. El término suele ser usado para designar tanto a la función como a su resultado. Pueden ser usadas como suma de verificación para detectar la alteración de datos durante su transmisión o almacenamiento. El método de CRC fue abordado desde el campo de las matemáticas, y no por personas específicamente dedicadas al campo de las comunicaciones. Las CRC son populares porque su implementación en hardware binario es simple, son fáciles de analizar matemáticamente y son particularmente efectivas para detectar errores ocasionados por ruido en los canales de transmisión. CRC fue inventada y propuesta por W. Wesley Peterson en un artículo publicado en 1961, y es el método más efectivo existente en la actualidad. Los métodos basados en el uso de paridad proporcionan en alguna medida una defensa contra los errores. Tienen además una ventaja, y es que son sencillos de implementar y de comprender. A costa de estas ventajas presentan el inconveniente de tener una baja capacidad de defensa contra los errores y 5U efectividad es cuestionable en determinadas aplicaciones. Los métodos basados en el uso de la paridad quedan restringidos a entornos en los que sería demasiado caro o demasiado complicado implementar otros métodos más sofisticados para la detección © Julián A.

121/121

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

de errores. Existe otro detalle importante respecto a los métodos basados en el uso de la paridad, y es que se utilizan fundamentalmente en aquellos entornos en los que cada dato debe llevar su propio código de protección frente a los errores, es decir, en entornos en los que la transmisión se hace dato a dato o, en otras palabras, en entornos asíncronos. Cuando se trabaja en entornos síncronos no es rentable, cara a una utilización óptima del ancho de banda del canal, la utilización de métodos basados en el uso de la paridad. Es, sin embargo, necesario utilizar métodos que ofrezcan las siguientes características:  Una protección más fuerte contra los errores: en los entornos síncronos los datos se envían en bloques y un error en un bloque corrompe toda la información del bloque, en consecuencia no se está perdiendo una pequeña cantidad de información como en el caso de un dato aislado, sino una cantidad importante. Además, en estos entornos el coste del uso del canales más elevado que en los entornos asíncronos y, por tanto, debe utilizarse el mínimo tiempo posible  Los métodos de detección de errores no deben consumir demasiados recursos para si mismos; por el contrario deben dejar libre la mayor parte del ancho de banda del canal para su uso efectivo en transmisión de datos. En la actualidad se dispone de métodos que cumplen estos requisitos. Estos son los métodos de redundancia cíclica. Estos métodos están basados en ciertas propiedades matemáticas de los códigos empleados en la transmisión de datos. Antes de pasar a definir formalmente y a estudiar estos códigos vamos a poner un ejemplo de su funcionamiento. Supongamos que se desea comunicar un número a una tercera persona y que sabemos que el medio de transmisión que se va emplear puede introducir errores, de modo que esa persona puede recibir un número distinto al que en realidad se le envíe; por ejemplo, si se le envía un 15 podría recibir un 19. Un medio de luchar contra estos errores seria fijar una clave de antemano; por ejemplo, elijamos como clave un número, como el 7. Ahora se divide el número que se va a enviar entre la clave: 15/7, lo cual nos da un cociente de 2 y un resto de 1. Enviándose el numero 151 (el dato que es 15, y el resto de la división que es 1). Supongamos que el destinatario recibe el número 191, el destinatario entonces partirá el número en dos 19 y 1. Después, empleando la misma clave que el emisor, dividirá 19 entre 7: 19/7, arojando un cociente de 2 y un resto de 5. A continuación hallara la diferencia entre el resto recibido y el que el ha calculado: 1 - 5 = -4, Con este método si no se obtiene como diferencia el valor cero entre el resto recibido y el calculado, se detectara un error. Los métodos de redundancia cíclica funcionan teniendo como base un principio similar al anterior. Para emplearlos se considera la cadena de bits que se va a enviar como el conjunto de coeficientes de un polinomio. Por ejemplo si se envía la cadena 100111001, se considera que esto equivale al polinomio

lx 3 + 0x 7 +0x 6 +1x 5 +lx 4 +1x 3 +0x 2 + 0x1+ lx0 = xs + x5 + x4 + x3 + 1 Es decir.

100111001 = x8 + x5 + x4 + x3 + 1

En estos métodos se emplea también una clave para efectuar la división. La elección de esta clave es particularmente importante y condiciona mucho la capacidad de respuesta del código frente a los © Julián A.

122/122

Documentos Alumnos

distintos tipos de errores. La clave que se empleara como divisor será, evidentemente otro polinomio, que se conoce como polinomio generador. De entre los polinomios generadores destaca el recomendado por el CCITT que es:


Apuntes alumnos

G(x)= x16 + x15 + x2 + x° = x16 + x15 + x2 + 1 El mecanismo de funcionamiento de los códigos de redundancia cíclica es el siguiente: se toma la cadena de bits que se va a enviar, que constituirán un polinomio P(x); este polinomio se divide entre el polinomio generador G(x), y se obtiene un resto R(x) y un cociente C(x), y por lo tamo:

P(x) = G(x) .C(X) + R(x) A continuación se procede a enviar la secuencia P(x) R(x). En el ejemplo anterior, cuando se procedía a enviar el numero deseado (15) y el resto (1) se enviaba en realidad la secuencia 151, o lo que es lo mismo (17 x 10) + 3. En este caso se procede de manera similar. Para evitar que los coeficientes que corresponden al polinomio P(x) y al resto R(X) se mezclen entre si, lo que .se hace es multiplicar P(x) por xk, donde k es el grado de G(x).

Así pues el polinomio enviado es: T(x) = xk. P(x) + R(x) En la práctica no se calcula R(x) para después multiplicar P(x) por xk y luego hallar T(x); lo que se hace es multiplicar directamente x k por P(x) y a partir de aquí obtener R(x), Esta circunstancia no nos debe de preocupar pues el valor de R(x) de por si mismo no tiene importancia, pues se utiliza únicamente como comprobante. Así pues el proceso de generación T(x) comienza con el producto de P(x) por xk y a partir de ahí se obtiene R(x).

xk. P(x) = G(x) .C(x) + R(x) Durante la transmisión de datos, se determinaran unos posibles errores que alteran el contenido de T(x) transformándolo en T(x). Puede considerarse, de todos modos que se mantiene la estructura de T'(x), de forma:

T'(x) = xk . P'(x) + R'(x) En recepción se procederá a extraer xk.P'(x) de T'(x) y se calculara Rc(x), dividiendo P'(x) entre G(x), teniendo por tanto:

xk. P'(x) = Cc(x).G(x) + Rc(x)

y si Rc(x) es distinto de R'(x) tendremos un error.

Este código y en particular utilizando el polinomio generador indicado, se puede detectar mas del 99 por ciento de los errores que se podrían llegar a producirse, teniendo como ventaja de ser fácilmente conseguidos por hardware y, por tanto, rápidos y eficaces.  Ejemplo de repaso de división de polinomios:

© Julián A.

123/123


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-100 : División de polinomios

El ejemplo anterior se puede representar abreviadamente así (sólo los coeficientes en x):

Figura 1-101 : División de polinomios. Representación abreviada

Pero en los sistemas digitales se emplean únicamente coeficientes enteros módulo 2 (o sea, los valores “0” o “1” binarios). Según esto, un valor digital podría ser ser trasformado en polinomio y viceversa según el siguiente procedimiento: Supongamos el siguiente dato digital: 10011010 Trasformado a polinomio sería:

x7+x6+ x5+x4+x3+ x2+x1+ x0 1 0 0 1 1 0 1 0  x7+0 + 0+x4+x3+ 0+ x1+0 Se puede demostrar (no objeto de este curso) que la división con coeficientes módulo 2 (o sea, polinomios que provienen de conversión de números digitales), también es posible siempre que tengamos presente que los valores -1 no tienen sentido, por lo que deben definirse las operaciones de suma y resta para estos casos:

© Julián A.

124/124


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

0 0 1 1

+ + + +

0 1 0 1

= = = =

0 1 1 0

SUMA

Suma sin acarreo

0 0 1 1

-

0 1 0 1

= = = =

0 1 1 0

RESTA Resta sin acarreo

Tabla 1-13 : Operaciones de suma y resta para el cálculo de coeficientes módulo 2

Esto es como decir que si bien en una suma algebraica si puede ser que 1+1=2, en la aplicación de estos métodos a la técnica digital no es posible, por lo que se decide elegir que 1+1=0 De igual forma, y aunque algebraicamente tiene sentido el valor -1, para una correcta interpretación digital de esto, se decide que el valor -1 sea cambiado por el valor 1 (sin el signo).

Figura 1-102 : División de polinomios coeficientes módulo 2

Como ya hemos indicado, para poder aplicar adecuadamente el método (algoritmo) CRC, los datos digitales se trasforman en polinomios, y viceversa.  Trasformando 10011010 a polinomio:

x7+x6+ x5+x4+x3+ x2+x1+ x0 1 0 0 1 1 0 1 0  x7+0 + 0+x4+x3+ 0+ x1+0  Trasformando x7+x4+x3 +x a combinación binaria:

x7 1

+x4+x3

+x

0 0 1 1 0 1 0

10011010

Recuérdese que si bien matemáticamente las operaciones con polinomios pueden dar lugar a nuevos polinomios del estilo siguiente:

-x7+x6+ 2x5

© Julián A.

a combinación binaria: ¿? (imposible, coeficiente negativo delante de x7, y coeficiente 2 delante de x5 no son transformables combinación binaria)

125/125

Documentos Alumnos

Apuntes alumnos

Pero la redefinición de las operaciones de suma y resta ya comentadas dan como consecuencia que siempre que se combinen polinomios provenientes de combinaciones binarias , darán como resultado nuevas combinaciones binarias (nuevos grupos de “1” y “0”) que pueden perfectamente volver a trasformarse en polinomios si fuera necesario.


Figura 1-103 : CRC – Presentación de la técnica

Figura 1-104 : CRC – Uso de la técnica

© Julián A.

126/126


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

 CRC DATOS

CRC

Figura 1-105 : CRC – Ejemplo 1

La selección del polinomio generador es esencial si queremos detectar la mayoría de los errores que ocurran. Se puede demostrar (no objeto de este curso) que los polinomios generadores son más potentes con el primer y último bits a 1. Ejemplos de polinomios generadores (estándares internacionales) son los siguientes:  CRC-12: x12 + x11 + x3 + x2 + x1 + 1. Usado para transmitir flujos de 6 bits, junto a otros 12 de redundancia. Es decir, usa bloques de 6 bits, a los que les une un FCS que genera de 12 bits.  CRC-16: x16 + x15 + x2 + 1. Para flujos de 8 bits, con 16 de redundancia. Usado en Estados Unidos, principalmente.  CRC-CCITT: x16 + x12 + x5 + 1. Para flujos de 8 bits, con 16 de redundancia. Usado en Europa, principalmente. Que detecta:

» 100% errores simples » 100% errores dobles » 100% errores en un número impar de bits » 100% errores en ráfagas de igual a o menos de 16 bits » 99.997% errores de ráfagas de 17 bits

» 99.998% de errores en ráfagas de 18 o más bits.  CRC-32: x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1. Da una protección extra sobre la que dan los CRC de 16 bits, que suelen dar la suficiente. Se emplea por el comité de estándares de redes locales (IEEE-802) y en algunas aplicaciones del Departamento de Defensa de Estados Unidos. Mejora aún más los datos de detección del polinomio CRC-CCITT. Veamos algunos ejemplos más de utilización de este sistema de detección de errores:

© Julián A.

127/127

Documentos Alumnos

Ejemplo: Supongamos que deseamos transmitir el carácter 00011010 utilizando el método de


Apuntes alumnos

detección de errores denominado CRC, utilizando para ello el polinomio generador

x3+x.

EMISOR: Lo primero que debemos hacer en la transmisión, es añadir a los datos a enviar tantos ceros a la derecha como grado tenga en polinomio generador (en este caso grado 3 , por tanto 3 ceros a la derecha, quedando  00011010000) Ahora escribimos los datos a enviar en forma de polinomio:

x10+x9+ x8+x7+x6+ x5+x4+ x3+ x2+ x1+1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0  x7+x6+ 0+x4+ 0+ 0+ 0+0 Ahora hacemos la división binaria del polinomio formado (dividendo), con el polinomio generador (divisor), observando siempre las reglas relativas la redefinición de operaciones de suma y resta para estos casos (ver Tabla 1-13 : Operaciones de suma y resta para el cálculo de coeficientes módulo 2):

x7 +x6 +x4 -x7 -x5 +x6 +x5 +x4 -x6 +x4 +x5 -x5 -x3 +x3 -x3

x3 +x 4 3 x +x +x2 +1

-x +x

 Resto de la división

Figura 1-106 : CRC – Ejemplo 2-a

Ahora el resto de la división, lo pasamos a número binario equivalente de tantos bits como grado tenga el polinomio generador (grado 3 en este caso), de forma inversa a como antes pasamos un valor binario a polinomio.

x10+x9+ x8+x7+x6+ x5+x4+ x3+ x2+ x1+1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0  Valor binario 010 (3 bits) Precisamente este valor es el CRC que se enviará junto con los datos, o sea, se enviará: 00011010 010 DATOS

CRC

RECEPTOR: Supongamos ahora que en el receptor llegan los datos correctamente, por tanto le llegará 00011010010. Lo primero que debemos hacer en la recepción, es convertir el valor binario que llega en polinomio y dividir luego por el polinomio generador (que obligatoriamente será configurado el mismo en ambos extremos). © Julián A.

128/128

Documentos Alumnos

x10+x9+ x8+x7+x6+ x5+x4+ x3+ x2+ x1+1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0  x7+x6+ 0+x4+ 0+ 0+ x +0


Apuntes alumnos

x7 +x6 +x4 -x7 -x5 +x6 +x5 +x4 -x6 +x4 +x5 -x5 -x3 +x3 -x3

x3 +x 4 3 x +x +x2 +1

+x

+x -x +0

 Resto de la división

Figura 1-107 : CRC – Ejemplo 2-b

Si el resto de la división es cero, el mensaje ha sido recibido sin errores. Se puede demostrar cómo, si en la recepción llegara el valor 00010010010 (o sea, con un error en el bit marcado), el resto de la división no sería cero, y eso significa por tanto que detectamos error (el alumno puede comprobar lo anterior personalmente). Asimismo, si en la recepción llegara el valor 00010110010 (o sea, con varios errores en los bits marcados), el resto de la división tampoco sería cero, y por tanto detectamos error (el alumno puede comprobar lo anterior personalmente). Sucedería lo mismo con errores como por ejemplo 00010100010 (o sea, con varios errores en los bits marcados). Únicamente combinaciones muy concretas de error en determinados bits hacen que la operación matemática a realizar en el receptor arroje resto cero, y por tanto el receptor no detecte los errores producidos (“cuelen”) Puede verse con esto como este sistema de detección de errores es muy seguro (son muy pocas las combinaciones de error que no son detectadas por el mismo, y asimismo muy eficiente (ya que para una comunicación de cualquier número de bits, el sistema añadirá tantos bits como grado tenga el polinomio generador). 1.2.11.6 ESTRATEGIAS ANTE LA PRESENCIA DE ERRORES. Una vez que los sistemas de detección de errores informan de la presencia de un error se activan los sistemas de corrección de errores, los cuales pueden ser fundamentalmente de dos tipos:  Sistemas de corrección de errores hacia adelante. Estos sistemas se basan en la idea de reconstruir la información perdida a partir de los datos erróneos recibidos, teniendo lugar la recuperación en el equipo receptor.  Sistemas de corrección hacia atrás. Estos sistemas se basan en la idea de pedir al emisor que retransmita la información que se ha perdido por causa de los errores que ha sufrido, teniendo lugar la recuperación en el equipo emisor. © Julián A.

129/129

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.2.11.6.1 LOS SISTEMAS DE CORRECCIÓN HACIA ADELANTE Los sistemas de recuperación hacia adelante presentan dos inconvenientes principales que se derivan de su propio método de funcionamiento: en primer lugar, para que el sistema de recuperación sea capaz de extraer los datos perdidos a partir de los datos erróneos recibidos, es necesario emplear códigos "que utilizan un gran numero de bits de modo que la utilización efectiva del canal se reduce notablemente; en segundo lugar es necesario dotar al sistema receptor de los mecanismos necesarios, generalmente hardware, para que puedan efectuar esta recuperación de la información a partir de los datos corruptos. Un ejemplo de este tipo de sistema es el denominado código HAMMING

1.2.11.6.2 LOS SISTEMAS DE CORRECCIÓN HACIA A ATRÁS La alternativa a los sistemas de corrección hacia adelante la constituyen los sistemas de corrección hacia atrás. En estos sistemas al detectar la estación receptora que ha recibido un código erróneo procede a pedir a la estación emisora que repita el mensaje que se ha recibido de forma errónea. Puede observarse que esto incluye una novedad importante con respecto a los sistemas de corrección hacia adelante: la necesidad de dotar al sistema de comunicación de algún medio para facilitar el "dialogo" entre la estación emisora y la estación receptora .Es interesante observar como en este caso el receptor abandona su papel de elemento pasivo de la comunicación para participar de forma activa en todo el proceso. Los métodos de corrección hacia atrás se encuadran normalmente en el marco de los protocolos de comunicaciones, que en su aspecto de modo de corrección de errores van a ser estudiados en este momento. Existen dos estrategias principales en el diseño de los métodos de corrección hacia atrás:  En la estrategia de parada v espera el emisor envía un bloque de información, y no enviara ningún otro hasta que el receptor confirme el bloque recibido. El método de Parada y espera (Stop-and-wait) se basa en el envío de tramas o paquetes, de modo que una vez se envía un paquete no se envía el siguiente paquete hasta que no se recibe el correspondiente ACK (confirmación de la recepción) y en caso de recibir un NACK (rechazo de la recepción) se reenvía el paquete anterior.

Figura 1-108 : Estrategia de parada y espera I

Este protocolo asegura que la información no se pierde y que las tramas o paquetes se reciben en el orden correcto. Es el más simple de los métodos ARQ. En éste, el emisor, después de enviar una sola trama, no envía las demás hasta que reciba una señal ACK (un acuse de recibo de que se recibió la trama) por parte del receptor. Por otro lado, el receptor, cuando recibe una trama válida (sin errores), envía la señal © Julián A.

130/130

Documentos Alumnos

Apuntes alumnos

ACK. Si el ACK no logra llegar al emisor antes de un cierto tiempo, llamado tiempo de espera, entonces el emisor, reenvía la trama otra vez. En caso de que el emisor sí reciba el ACK, entonces envía la siguiente trama.. El emisor envía un paquete de datos y sólo cuando se confirma su recepción correcta envía el siguiente.


Figura 1-109 : Estrategia de parada y espera II

El comportamiento anterior es la implementación más simple del método Parada-y-Espera. Sin embargo, en la implementación práctica de la vida real existen problemas que deben solucionarse. Normalmente el emisor agrega un bit de redundancia al final de cada trama. El receptor utiliza dicho bit de redundancia para la búsqueda de posibles errores. Si el receptor encuentra que la trama es válida (no contiene errores), entonces envía el ACK. Si el receptor encuentra que la trama está dañada, entonces el receptor la deshecha y no envía el ACK -- pretendiendo que la trama se perdió por completo, no que fue solamente dañada. Un problema surge cuando un ACK enviado por el receptor se daña o se pierde por completo en la red. En este caso, el emisor de la trama no recibe el ACK, se acaba el tiempo de espera y reenvía la trama de nuevo. Ahora el receptor tiene 2 copias de la misma trama y no sabe si la segunda es una trama duplicada o si es la siguiente trama de la secuencia que se enviará, que en realidad contiene datos idénticos a la primera. Otro problema surge cuando el medio de transmisión tiene una latencia tan grande que el tiempo de espera del emisor se termina incluso antes de que la trama llegue al receptor. En este caso, el emisor reenvía la trama. Eventualmente el receptor obtiene 2 copias de la misma trama y envía un ACK por cada una de ellas. Entonces, el emisor, que está a la espera de un sólo ACK, recibe dos ACK's que pueden causar problemas si el emisor asume que el segundo ACK es para la siguiente trama en la secuencia. Para evitar estos problemas, la solución más común es definir un número de secuencia de 1 bit en la cabecera de la trama. Este número de secuencia es alternado (de 0 a 1) en las tramas posteriores. Así, cuando el receptor envía un ACK, incluye el número de secuencia de la siguiente trama que espera recibir. De esta forma, el receptor puede identificar tramas duplicadas al checar si el número de secuencia de la trama fue alternado. Si dos tramas subsiguientes tienen el mismo número de secuencia, significa que son duplicados, y la segunda trama es desechada. De igual forma, si dos ACK's subsiguientes hacen referencia al mismo número de secuencia, entonces significa que están acusando de recibo a la misma trama. Como comentario, recordar que todo esto puede ser aplicado tanto a tramas, como a paquetes, ya que estos protocolos pueden ser implementados tanto en la capa de Enlace de Datos, como en la capa de Transporte del modelo OSI. El método ARQ de Parada-y-Espera es ineficiente comparada con otros métodos ARQ porque el tiempo entre paquetes, en caso de que los ACK's y los datos sean recibidos satisfactoriamente, es el doble del tiempo de transmisión (suponiendo que el tiempo que tardan los hosts en procesar la información y responder es cero). El rendimiento en el canal es una fracción de lo que realmente podría ser. Para solucionar este problema, se puede enviar más de un paquete a la vez con un número de secuencia más © Julián A.

131/131

Documentos Alumnos

grande y usar un sólo ACK para dicho conjunto de paquetes. Esto es lo que se realiza con los métodos ARQ de Rechazo simple (Go-Back-N) y de envío continuo o Repetición Selectiva (Selective Repeat).


Apuntes alumnos

 En la estrategia de envío continúo el emisor esta enviando continuamente bloques de información que va identificando mediante números de secuencia. El receptor los va confirmando según su disponibilidad. En este tipo de respuesta ARQ se envían paquetes hasta que se recibe un NACK o hasta que se completa la ventana de transmisión definida; en ese momento se termina de enviar el paquete que estábamos transmitiendo y se reenvía el paquete que tenía errores; inmediatamente después se sigue enviando la información a partir del último paquete que se había enviado. Este tipo de ARQ exige una memoria en el transmisor que sea capaz de almacenar tantos datos como los que puedan enviarse en un timeout (ventana de transmisión), ya que será el tiempo máximo de espera y esos datos deben reenviarse tras detectar un error. Otra de las exigencias de este tipo de ARQ es la numeración de los ACK's para poder distinguir a qué paquete de información están asintiendo. Quizá el más molesto de todos los inconvenientes sea la recepción desordenada de la información, lo que obliga a mantener otra ventana en recepción para poder pasar los datos de manera ordenada a la capa superior en caso de recibir un paquete con errores.

Figura 1-110 : Estrategia de envío continuo

1.2.11.7 RECUPERACIÓN ANTE FALLOS Durante las comunicaciones resulta común que se presenten situaciones durante las cuales por ejemplo el terminal emisor termina de enviar su última trama y está esperando un mensaje de aceptación o rechazo de la misma. Si se llega a dar la desconexión del terminal receptor, o se cortara la línea de comunicación, o simplemente un ruido en la línea destruyera el mensaje de respuesta; podría darse que el terminal receptor se quedará esperando eternamente hasta que le llegase alguna respuesta del receptor. En dicha situación el emisor se vería expuesto a que su comunicación quedara bloqueada. A fin de que eso no ocurra, la ausencia de respuesta o las respuestas inadecuadas deben ser previstas también por el protocolo respectivo, así como la forma de reaccionar frente a ellas. Los mecanismos básicos utilizados para la recuperación ante fallos más utilizados son los siguientes:    © Julián A.

Establecimiento de plazos de espera. Solicitud de una nueva respuesta si vence dicho plazo. Limitación del número de intentos, tras el cual el fallo se da por irrecuperable.

132/132

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.2.11.8 UTILIZACIÓN DE LOS MÉTODOS DE DETECCIÓN DE ERRORES Los métodos descritos relativos a la detección y/o corrección de errores son actualmente utilizados en ambientes tanto industriales como en las tecnologías informáticas de muy diverso modo. Pueden citarse aquí los siguientes:

1.2.11.8.1 RS232 Utilizan generalmente sistemas de paridad simple (par o impar), lo que no permite corregir errores y detectar únicamente algunos tipos de errores.

1.2.11.8.2 AS-INTERFACE El protocolo de comunicación incluye dentro de sus tramas de envío y refección de mensajes, un bit de paridad simple (en este caso paridad PAR) para la detección de errores.

Figura 1-111: Formato telegramas bus AS-Interface

1.2.11.8.3 PROFIBUS En PROFIBUS se utiliza una técnica de transmisión asíncrona, en la que los relojes del emisor y receptor no están sincronizados, y la transmisión está orientada a caracteres. Cada caracter consiste de un total de 11 bits:    

1 bit de comienzo ('Start bit', ST) que es siempre un ´0' lógico. 1 bit de parada ('Stop bit', SP) que es siempre un '1' lógico. 1 bit de paridad ('Parity bit´, P). 8 bits de datos (20 ... 27).

Figura 1-112 : PROFIBUS - Estructura de un carácter © Julián A.

133/133

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Para asegurar la correcta recepción de los datos, los bits transmitidos deben ser muestreados en la mitad del periodo de duración del bit después de su comienzo. Esto requiere que el reloj del receptor duplique como mínimo el del transmisor. El estándar PROFIBUS permite desviaciones en las frecuencias de los relojes menores del 0.3%. Para asegurar una transmisión libre de errores, PROFIBUS dispone como mecanismo de seguridad una distancia Hamming 4 (Hd = 4). La distancia Hamming indica en cuantas unidades binarias difieren dos caracteres reconocidos como válidos (así, la introducción de un bit de paridad en los caracteres incrementa en 1 la distancia Hamming). En el caso de Hd = 4, es posible detectar y corregir un error de 1 bit en un caracter, mientras que un error de 2 bits es posible detectarlo pero no corregirlo. Se logra Hd=4 enviando un FCS ("Frame Check Sequence") con cada mensaje (compuesto a su vez de varios caracteres), que representa la columna paridad del campo de información, de longitud L. Se genera haciendo la suma sin acarreo de los caracteres transmitidos. Puesto que los bits SD y ED no se incluyen en esta suma, su distancia Hamming frente a los demás es 5.

Figura 1-113 : PROFIBUS - mensaje de llamada 'call frame' sin campo de datos

En PROFIBUS no se utiliza la corrección de errores. Cuando se detecta un error en un mensaje, se descarta el mismo y se repite la transmisión. La figura siguiente muestra un modelo de frame DP con la información de los conocidos bytes de ese frame, además de los datos (en verde), y los recursos de seguridad FCS - Frame Checking Secuence (Secuencia del Chequeo de Frame).

Figura 1-114 : PROFIBUS – modelo general de frame

Por lo tanto vemos como PROFISBUS utiliza sistemas de paridad con envío de campos FCS que © Julián A.

134/134

Documentos Alumnos

suponen una distancia hamming de 4, lo que le permitiría detectar y corregis errores en 1 bit siendo sin embargo la política programada la de petición de re-envío ante la detección de cualquier tipo de error.


Apuntes alumnos

1.2.11.8.4 MODBUS En la interconexión de equipos industriales (PLC’s, Variadores, equipos entradas y salidas remotas, etc) se utilizan protocolos que satisfacen los requerimientos industriales de robustez y flexibilidad. Entre ellos se encuentran Profibus, AS Interface, MODBUS, etc. MODBUS es un protocolo que no incluye dentro de sus especificaciones la exigencia de una norma de capa física concreta. Por tanto MODBUS es un protocolo que puede ser utilizado con numerosas normas de capa física actuales. En la práctica es habitual el uso de MODBUS con conexiones RS-485 y ethernet.

Figura 1-115 : Ejemplos de interconexión de equipos industriales con MODBUS

Si bien el protocolo MODBUS será objeto de tratamiento específico en un capítulo posterior, con el objeto de ejemplificar la utilización de los sistemas de detección/corrección de errores estudiados, vamos a adelantar aquí el formato de la trama intercambiada entre los equipos industriales comunicados entre si utilizando este protocolo: El formato general de una trama MODBUS en Modo RTU es:

Octetos → 3,5 (bytes)

1

1

Variable n x 1 byte

2

3,5

Figura 1-116 : Formato general de la trama en modo RTU

 Campo de Direcciones. En este campo se indica siempre la dirección de la RTU de destino, sea en comando sea en respuesta. Si la MTU se dirige simultáneamente a todas las RTU (Modo “Broadcast”), el campo de direcciones se pone en este protocolo a CERO (00H), en lugar del valor 255 (FFH) de la mayoría de protocolos.  Campo de Funciones. En este campo se indica a la RTU la función que debe ejecutar. (ver tabla de funciones y códigos en Modbus de la página anterior). La RTU responde con este mismo valor si la respuesta es normal; si la respuesta es excepcional, la RTU © Julián A.

135/135

Documentos Alumnos

 Campo de Información. Este campo contiene la información que la RTU necesita para realizar la función específica requerida por la MTU, o la información requerida por la MTU en respuesta a una petición suya.  CRC. En este campo de 2 bytes (16 bits) va una información que le permite a la MTU y RTU verificar si se ha producido errores en la transmisión. El contenido de este campo se calcula sobre los tres campos anteriores mediante el Código de Redundancia Cíclica CRC-16. El error se recupera mediante retransmisión de la trama en error. NOTA : en el protocolo MODBUS las denominaciones MTU y RTU hacen referencia respectivamente el maestro del bus y a cualquier esclavo del mismo.

1.2.11.8.5 ETHERNET

TIPO

Datos

6 bytes

6 bytes

2 bytes

46 a 1500 bytes

Dirección de destino

Dirección de origen

campo de datos

Figura 1-117 : Trama MAC en ethernet 802.3

FCS

4 bytes

Relleno.

Preámbulo


Campo de Tipo

7 bytes


Longitud LLC

Preámbulo

SOF

En lo que se refiere al uso de los sistemas de detección y/o corrección de errores, el estándar ethernet tiene en su capa física un paquete de envío típico (trama MAC 802.3) tal como se representa a continuación:

Delimitador 1 byte


Apuntes alumnos

coloca un UNO en el bit más significativo (MSB) del Campo de Funciones de la respuesta.

frame check sequence CRC32

Siendo el significado de cada campo el mostrado en la tabla siguiente:

Nombre

1 byte

Preámbulo. 7 bytes 6 bytes Delimitador de comienzo. Dirección MAC de destino. Dirección MAC de destino. Longitud LLC. Datos LLC. Relleno LLC. Secuencia de verificación, FCS.

Tamaño bytes 7 6 bytes 1 6 6 2 3 Variable 4

Objetivo Establecimiento y sincronización.1 4 bytes de 46 a 1500 byte Comienzo de la trama. bytes Dirección de conexión física del destino. Dirección de conexión física del origen. 1 Número de bytes de datosLLC. Datos para LLC. Relleno para LLC. CRC-32 para corrección de errores.

Tabla 1-14 : Estructura de trama MAC en Ethernet IEEE 802.3

Donde vemos que la trama MAC de ethernet utiliza CRC32 como sistema de detección de errores. A su vez, el estándar ethernet define en su capa de enlace (siguiente capa por encima de la física) un formato de trama (encapsulado dentro de la trama MAC) denominado trama IP (o mejor, datagrama IP) cuyo modelo es el siguiente: © Julián A.

136/136

Documentos Alumnos

Datagrama IP (Capa de enlace)

Trama Ethernet (Capa física)

Encabezado del datagrama IP

Área de DATOS del datagrama IP


Apuntes alumnos

ENCAPSULACIÓN Encabezado de la trama

Área de DATOS de la trama Ethernet

Final de la trama

0

10 20 310 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 3 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 VERS HLEN Tipo de servicio Longitud total Identificación Bandrs Desplazaiento de fragmento CRC cabecera TTL Protocolo Dirección IP origen Dirección IP destino Opciones IP (si las hay) Relleno DATOS ... Figura 1-118 : Formato del datagrama IP

Donde el campo CRC cabecera es un CRC-16, con la suma de comprobación de errores sólo

para la cabecera del datagrama (la verificación de errores del campo de datos corresponde a capas superiores, concretamente la capa de transporte de modelo TCP/IP). A su vez, el estándar ethernet define en su capa de red (siguiente capa por encima de la de enlace) un formato de trama (encapsulado dentro de la trama IP, que a su vez se encapsula dentro de una trama MAC) denominado trama TCP (o mejor segmento TCP), cuyo modelo es el siguiente:

Paquete TCP/IP

Encabezado del segmento TCP

(Capa de red)

Datagrama IP (Capa de enlace)

Trama Ethernet (Capa física)

DATOS del segmento TCP ENCAPSULACIÓN

Encabezado del datagrama IP

Área de DATOS del datagrama IP ENCAPSULACIÓN

Encabezado de la trama

Área de DATOS de la trama Ethernet

Final de la trama

0 10 20 30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 3 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 Puerto TCP origen Puerto TCP destino Número de secuencia Número de acuse de recibo HLEN Reservado Bits código Ventana Suma de verificación o Puntero de urgencia CHECKSUM Opciones (si las hay) Relleno DATOS ... Figura 1-119 : Formato del segmento TCP © Julián A.

137/137

Donde el campo CHECKSUM CHECKSUM o Suma de verificación, es un campo de 16 bits, que contiene la suma de comprobación de errores del segmento actual. El campo de checksum de TCP (también valdría para una trama UDP) cubre tanto la cabecera como los datos (recuérdese que el checksum de la cabecera IP sólo cubre la propia cabecera IP). Para realizar el cálculo del checksum TCP, además de utilizar todo el paquete (TCP ó UDP) (cabecera + datos), se añade una pseudo-cabecera que incluye la dirección IP fuente, la dirección IP destino, el campo de protocolo de la cabecera de IP y la longitud del paquete (TCP ó UDP). Tal y como se indica en el RFC793, esta pseudo-cabecera proporciona protección adicional contra paquetes recibidos erróneamente por problemas de enrutado. El checksum se calcula como complemento a uno de 16 bits de la suma en complemento a uno de todas las palabras de 16 bits de la pseudo-cabecera, cabecera y texto del paquete (TCP o UDP). Si el paquete contiene un número impar de octetos, el último octeto del paquete se rellena con ceros por la derecha hasta obtener una palabra de 16 bits con propósito de calcular el checksum.


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

© Julián A.

138/138

Documentos Alumnos

1.3 COMUNICACIONES – ESTÁNDARES DE CAPA FÍSICA.


Apuntes alumnos

En el presente capítulo se abordará la temática referente a los estándares de conexión para buses de redes más utilizados desde el estándar RS232, RS485 y RS 422. Sus características físicas y eléctricas, además de sus diferentes modos de transmisión y control del flujo durante el envío y recepción de datos. La idea fundamental en el capitulo es conocer las funcionalidades de cada conector e indudablemente realizar las prácticas correspondientes comprendiendo de manera óptima las especificaciones de la comunicación en cada tipo de transmisión. 1.3.1 NORMAS DE INTERFAZ DE LA CAPA FÍSICA Las normas de interfaz de la capa física recogen un conjunto de especificaciones, reglas y normas. La mayoría de estas normas son emanadas de comités de estandarización como la EIA, ITU-T, ISO, IEEE etc. Que describen la forma como debe ser la interconexión de equipos para el intercambio de datos. En las normas se definen no solo la naturaleza y tipo de las señales eléctricas utilizadas, sino también toda una serie de señales adicionales para el control y sincronización de la transferencia de datos a través de las interfaces correspondientes. Algunas de las normas más utilizadas a nivel industrial son: RS-232, RS-422 y RS-485. 1.3.1.1 Normalización En las diferentes documentaciones que recoge la normalización correspondiente a cada interfaz de la capa física, se incluyen una serie de especificaciones de diverso tipo:  Mecánicas: Definen el conector mecánico empleado (número de pines, dimensiones, etc.)  Eléctricas: Definen los niveles de tensión que se utilizan, velocidad máxima de transmisión y longitud del cable a emplear  Funcionales: Definen el conjunto de señales de control empleadas, y la función de cada una de ellas.

1.3.1.1.1

MECÁNICAS

Corresponden a la descripción física de conectores empleados, sus dimensiones, material, número de pines y función. De la misma forma en lo que a cables se refiere señalando su tipo: coaxial, par trenzado, fibra óptica, y sus longitudes máximas de transmisión.

1.3.1.1.2

ELÉCTRICAS

Se proporcionan tanto para los hilos de transmisión como para los de control, por ejemplo los parámetros de las señales, como tensión máxima y mínima, niveles de codificación y margen de ruido. Es normal que se definan los niveles de tensión e intensidad en márgenes seguros, de modo que no sean peligrosas para las personas.

© Julián A.

139/139

Documentos Alumnos

1.3.1.1.3

FUNCIONALES


Apuntes alumnos

Se refiere a parámetros útiles para los programadores en el momento de configurar y utilizar la interfaz de comunicación. En este sentido se define como es la transmisión y las señales que intervienen, bien sea para transmisiones serie BIT a BIT por la línea de datos, o bien paralelo es decir con transmisión de varios bits de manera simultanea para lo cual se requiere una línea de reloj. De la misma forma se define si se trata de una comunicación simples, es decir en un solo sentido con un emisor y un receptor. Puede bien ser semiduplex, es decir en ambos sentidos, pero no simultáneamente y compartiendo el mismo canal de comunicación. Si resulta ser duplex completo, la comunicación se puede producir simultáneamente en ambos sentidos existiendo canales separados para transmisión y recepción. Otro aspecto importante en cuanto a lo funcional resulta ser la sincronización entre el emisor y el receptor que puede ser asíncrona, que corresponde a aquella donde no hay línea de reloj, por lo cual debe haber un acuerdo previo entre los equipos que se comunican acerca de la velocidad de la transmisión. En cuanto a la sincronización la comunicación puede ser igualmente sincronía, que es cuando existe una señal de reloj para sincronizar la emisión con la recepción de datos. Por último se tiene en cuenta la forma como varían las señales de control para regular el flujo de datos en la comunicación. 1.3.2 ESTANDAR EIA - RS232 1.3.2.1 Introducción: RS232/EIA 232 En 1962, la asociación de industrias electrónicas EIA (Electronic Industries Alliance) estabelece una normativa para la transmisión y recepción de datos en modo serie denominada RS-232 (Recommended Standar 232). Desde entonces ha sido revisada en varias ocasiones, la primera data del año 1969 (RS232C) y la última se realizó en 1991 (RS232E); las revisiones no alteran las características fundamentales, lo que modifican son el número de señales empleadas, velocidad de transmisión, forma del conector, etc. El puerto serie del PC tal y como nosotros lo conocemos, se diseñó para la conexión del PC a los dispositivos moduladores-demoduladores (MODEM) que han permitido hasta no hace mucho la interconexión del PC a la red telefónica tradicional.

© Julián A.

140/140


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-120 : Conexión RS-232 original

En la terminología empleada en la norma RS232, los dispositivos que se comunican por medio de un cable serie, pueden ser de dos tipos:  DTE (Equipo Terminal de Datos), que representa al PC, y que actúa como emisor y receptor de la información.  DCE (Equipo de Comunicación de Datos), que representa al módem, y que se encarga de las funciones de inicialización, mantenimiento y finalización de la comunicación, generalmente a través de la línea telefónica. La especificación RS-232 hace referencia a las comunicaciones serie síncronas y asíncronas (si bien en general el uso industrial que se ha dado siempre a esta norma RS232 es para comunicaciones asíncronas), no balanceada. Esta norma RS-232, en modo full-duplex, pero debe tenerse en cuenta que los puertos serie de los dispositivos comerciales (PC’s, PLC’s, etc) sólo implementan o permiten la comunicación asíncrona (y no la síncrona). En una norma de comunicación de capa física, lo cual significa que no especifica que tipo capa de enlace puede hacer uso de esta norma (es decir, puede enviar información de cualquiera de los protocolos existentes o futuros). Como se ha comentado, la especificación inicial de la norma RS232 tenía presente la conexión de los PC (DTE) a la red telefónica conmutada mediante el uso de los equipos moduladores-demoduladores o MODEM (DCE).

Figura 1-121 : DTE conectado a un DCE © Julián A.

141/141

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Sin embargo, y debido a la popularidad adquirida por los conectores RS232 descritos en la norma, se empezaron a aplicar también para la interconexión de un PC con otros muchos equipos, como PLC’s, o incluso otros PC’s.

Figura 1-122 : DTE conectado a otro DTE.

1.3.2.2 Especificaciones mecánicas - El Conector RS232 La norma RS232 especifica a utilización de un conector mecánico para el DTE y para el DCE, de 25 contactos metálicos distribuidos en dos filas de 13 e 12 pines, denominados DB25 macho. Posteriormente se adaptaron conectores del mismo tipo, pero con menor número de contactos, denominados DB9 macho. En determinadas aplicaciones puede ser necesario emplear un convertidor de 9 a 25 pines, de forma que se realizarán las siguientes conexiones de los pines: Equivalencia de Pines DB9 1 2 3 4 5 6 7 8 9

DB25 8 3 2 20 7 6 4 5 22 Adaptador DB9 a DB25

Figura 1-123 : RS232 - Especificaciones mecánicas.

1.3.2.3 Especificaciones eléctricas La norma RS232 emplea la lógica negativa: para representar un nivel alto “1”, se emplean tensiones negativas (del rango de -3V a -15V), y para representar un nivel bajo “0”, se emplean tensiones positivas (del rango de +3V a +15V). Los fabricantes emplean tensiones de ±5V y ±12V.

© Julián A.

142/142


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-124 : RS232 - Especificaciones eléctricas.

Los datos a transmitir, al ser usado habitualmente para comunicaciones asíncrona, son enviados carácter a carácter (con paros intermedios), de 5 a 8 bits de datos, con los sincronismos de carácter correspondientes (bit’s de inicio o arranque, y bit’s de paro). La siguiente tabla muestra valores característicos a utilizar en toda comunicación serie asíncrona: NOMBRE

Bit de arranque (Start) Bits de datos Bit de paridad Bits de parada (Stop)

VALORES

1 5a8 0/1 1 , 1+1/2, 2

Como sistema de detección de errores de carácter, esta norma utiliza la paridad simple, existiendo las siguientes posibilidades:  PARIDAD PAR (EVEN) : Se pone el bit de paridad a “1” o a “0” de forma que el numero total de “1” trasmitidos (sin tener en cuenta bits de inicio y fin) sea PAR.  PARIDAD IMPAR (ODD) : Se pone el bit de paridad a “1” o a “0” de forma que el numero total de “1” trasmitidos (sin tener en cuenta bits de inicio y fin) sea IMPAR.  PARIDAD NONE : No se utiliza ningún bit de paridad. Nótese que este método detecta un número impar de errores, pero no los corrige. En el caso de detectarse un error, el equipo que lo detecta solicita el reenvío de los datos al equipo emisor. 1.3.2.4 Especificaciones funcionales La norma RS232 especifica tres tipos de señales: Datos, Control y Temporización. El estándar RS232 define un canal secundario de transmisión que incluye líneas de datos (pines 14 y 16) y de control (pines 12, 13 e 19). Este canal sólo se emplea para enviar mensajes de control en modo half-duplex, y a una velocidad muy baja comparada con canal primario. Con el conector DB9 no se hace uso de este canal secundario (no lo trataremos en lo sucesivo). Además de esto, las señales de temporización que es posible enviar mediante el estándar RS232, se emplean en comunicaciones síncronas, y son para enviar pulsos de sincronismo entre DCE e DTE (pines 15, 17 y 24). © Julián A.

143/143

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Como hemos dicho en el párrafo anterior, en una comunicación serie entre PC e Módem, no se emplean todas las señales definidas en el estándar RS232, sino las correspondientes a la transmisión asíncrona. En la siguiente tabla se recogen los pines empleados en los conectores DB9 y DB25 para este tipo de transmisión asíncrona (canal primario): DB9 1 2 3 4 5 6 7 8 9

DB25 8 3 2 20 7 6 4 5 22

Señal CD RxD TxD DTR GND DSR RTS CTS RI

E/S E E S S E S E E

DESCRIPCIÓN Detección de portadora Línea de recepción de datos Línea de transmisión da datos Terminal de datos preparado Masa Preparado para recibir Petición para transmitir Preparado para transmitir Indicador de llamada

Tabla 1-15 : RS232 - Especificaciones funcionales NOTA: Las indicaciones E/S están datas desde el punto de vista del DTE(PC). O sea, una indicación E indica entrada al PC, y una S indica salida desde el PC

1.3.2.4.1

SEÑALES DE DATOS DEL CANAL PRINCIPAL:

 La señal RxD (received data). Es la línea por la que llegan los datos al DTE (PC). Esta señal siempre será necesaria para poder recibir datos de otro equipo.  La señal TxD (transmitted data). Es la línea por la que se transmiten los desde el DTE (PC). Esta señal siempre será necesaria para poder transmitir datos del se el PC hacia otro equipo cualquiera. Las dos señales anteriores (RxD/TxD) son por tanto señales obligatorias que deben cablearse cruzadas para permitir la reopción y el envío respectivamente entre los dos equipos intervinientes en la comunicación. 1.3.2.5 CONTROL DE FLUJO. Las técnicas y los protocolos de control de flujo se emplean durante la comunicación para que el receptor pueda indicarle al emisor el momento en que debe interrumpir o reanudar la transmisión. Son necesarios siempre que la velocidad de procesamiento de los datos recibidos es inferior a la velocidad de transmisión. En el estándar RS232, hay dos maneras de controlar el flujo (denominado en inglés Handshaking literalmente apretón de manos): por software, o por hardware.  Control de flujo hardware mediante líneas adicionales (en este caso de dos parejas de líneas adicionales de nombres DTR/DSR y RTS/CTS).  Control de flujo Software (Xon/Xoff). Según el control de flujo que presente nuestro programa de comunicaciones, serán necesarias más o menos líneas en la configuración del cable de comunicaciones a utilizar.

1.3.2.5.1

© Julián A.

CONTROL DE FLUJO HARDWARE

144/144

Documentos Alumnos

Como se ha comentado, el control de flujo hardware se realiza interconectando equipos emisor y receptor con líneas adicionales (que se ponen por parejas), y que tratan de indicar el estado “receptivo” de un equipo a las peticiones de transmisión del otro (y viceversa). Las parejas de hilos para este cometido en este caso son:


Apuntes alumnos

 DTR/DSR: Son solamente importantes al principio y la final de la transmisión de datos. Estas líneas del control aseguran que hay realmente dos dispositivos presentes, y que uno desea comunicarse con el otro. El procedimiento de activación/desactivación de estas líneas es el siguiente: El DTE fija la línea DTR nivel alto, entonces el DCE contesta fijando la línea DSR a nivel alto. Estas dos líneas no vuelven a ser otra vez preguntadas durante el proceso de comunicación posterior, ya que a partir de ese momento, quienes hacen el verdadero control de flujo son las líneas RTS/CTS. No obstante, si la transmisión tiene que ser interrumpida (debido a un retraso del módem por ejemplo), el DCE pone su línea DSR a nivel bajo, de forma que en caso de pausa en la transmisión, el DTE sepa que la transferencia debe concluir (si la transmisión no está pausada dicha acción no suele tener ninguna repercusión).  RTS/CTS: Éstas son las líneas reales del control de flujo: El emisor fija la línea RTS a nivel alto (listo enviar). En respuesta a ello, el receptor fija la línea CTS a nivel alto (se puede enviar). Si el receptor necesita una pausa ( por ejemplo, por desbordamiento de su buffer interno, por ejemplo), pone la línea CTS a nivel bajo, con lo que informa al emisor haga una pausa en la transmisión. La transmisión será reanudada cuando el receptor ponga de nuevo la línea CTS a nivel alto. De esta forma se asegura que no se pierde ningún dato. En la figura siguiente se muestra un a conexión en la que se hace el control de flujo hardware mediante el par de líneas DTR/DSR (en general el control de flujo podría hacerse mediante el par de líneas RTS/CTS o DTR/DSR o ambos pares, en función del caso específico en el que nos encontremos).

© Julián A.

145/145


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

En este estado (recepción de datos), si el receptor (DCE ) necesita una pausa (por ejemplo desbordamiento del buffer), simplemente desactiva la salida RTS propia (que estará cableada con la CTS del DTE, lo que le informa al DTE la indisponibilidad para continuar con la recepción. Al volver a estar de nuevo disponible (vaciado sufriente del buffer de recepción), volvería a activar RST (por tanto llegaría al CST del DTE, para continuar en el estado donde se dejó.

Figura 1-125 : RS232 – Control de flujo hardware

1.3.2.5.1.1 SEÑALES DE CONTROL DE FLUJO HARDWARE: Algunas de las principales señales que se tienen en la transmisión por RS-232 se ven a continuación:  TxD () Transmit Data – Transmisión de datos. Es el pin de transmisión de datos, cuando no se emite, TxD permanece a nivel alto. Para comenzar a transmitir, DSR, DTR, RTS y CTS han de estar activas.  RxD () Receive Data – Recepción de datos. Por este pin se reciben los datos del DCE en el formato descrito para la transmisión.  CD () Carrier Detect – Detección de portadora. Con este pin el DCE informa que esta recibiendo portadora (señal en línea).  DTR () Data terminal Ready – Terminal de datos preparado. Esta patilla es activada por el DTE para indicar que esta listo para enviar y recibir datos. Con DTR se conecta y desconecta el DCE de3l canal.  DSR () Data Set Ready – Terminal de comunicación preparado. El DCE indica al DTE que esta preparado para enviar y recibir datos.  RTS () Request to Send – Petición de envío. Activada por el DTE para indicar al DCE que desea transmisitir: o El DCE debe prepararse para recibir datos (espera y activa CTS indicando que puede recibir los datos a enviar). o Cuando el DTE no desea enviar más datos desactiva RTS (y el DCE desactiva CTS en respuesta).  CTS () Clear to Send – Listo para enviar. El DCE indica al DTE que esta preparado para recibir datos del DTE (se activa en respuesta a RTS, DSR y DTR) © Julián A.

146/146

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

 GND Masa de datos.  RI () Ring Indicator – Indicador de llamada. El DCE indica al DTE que se esta recibiendo una llamada. No obstante, en aquellas comunicaciones en las que no se realice un control de flujo por hardware, las señales RTS/CTS y DTR/DSR no serán necesarias. No obstante, tal y como se describe en el apartado 1.3.2.6 Tipo de cables y conexionado RS232, la utilización de cables que puentean hacia los propios equipos estas señales, ofrece la posibilidad de “engañar” a los equipos participantes en la comunicación, haciéndoles llegar señales de control de flujo hardware cuando en realidad son los propios equipos las que se las mandan a sí mismos. Este es el diagrama de transmisión de un dato: 1) El receptor indica el transmisor que puede enviarle datos, activando para ello la salida RTS (que le llega al que será el emisor como señal de entrada por la línea CTS). 2) El emisor comienza transmitiendo el bit de inicio (un 0, o un nivel alto), antes de los datos, y uno o más bits de paro al concluir estos. 3) Si el receptor quiere más datos, volverá a activar (incluso podrá mantener) la líea RTS (que llegará como petición de emisión por CTS). 4) En caso de que el tiempo de procesamiento de datos del receptor sea demasiado, éste retirará la petición de emisión (RTS) que ya no llegará al emisor por la línea CTS y significará una petición de espera en la emisión hasta que el receptor esté libre para recibir más datos.

Emisor

Receptor

CTS  Datos 

 RTS  Datos

Figura 1-126 : RS232 - Control de flujo

RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send) son las señales a través de las que se ejecuta el control del flujo Hardware. RTS/CTS o DTR/DSR El aparato terminal indica la disposición de aceptar datos poniendo la salida Handshake en "ON". Correspondientemente se señaliza la "No disponible" con "OFF". Por otro lado el aparato terminal sólo envía datos al socio, si su entrada Handshake propia está en nivel ON. Dependiendo del tipo y fabricante pueden diferenciarse las combinaciones de las entradas y salidas de Handshake. Así pues, utilizan p. ej. controles de industria por regla general las señales RTS/CTS mientras que la mayoría de las impresoras envían su mensaje de disponibilidad a través de DTR/DSR. En caso de duda debe respetarse la documentación del fabricante.

© Julián A.

147/147


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-127 : RS232 - Líneas principales

1.3.2.5.2

CONTROL DE FLUJO SOFTWARE

En este caso solo son necesarias para la comunicación tres líneas (TX, RX y GND), no siendo precisas las líneas de control. Se emplean los caracteres especiales de control XON (Ctrl-Q, ASCII 0x11) y XOFF (Ctrl-S, ASCII 0x13) que se transmiten por la línea de comunicación, y que hacen que se ocupe parte del ancho de banda del cable. Por una parte, el emisor (DTE) va depositando en un buffer de transmisión de tamaño determinado (por ejemplo 1000 bytes, aunque en todo caso, el buffer debe tener un tamaño suficiente para poder albergar la máxima trama a transmitir). Estos caracteres van siendo transmitidos automáticamente por el puerto serie del transmisor, por medio de su UART. Por otro lado, el receptor (DCE) va recibiendo uno por uno los caracteres que llegan por el puerto serie, y los va depositando en un buffer de tamaño determinado (por ejemplo 1000 bytes, aunque en todo caso, el buffer debe tener un tamaño suficiente para poder albergar la máxima trama a recibir). Cuando el buffer de recepción llega a un límite máximo (por ejemplo 900 bytes), el receptor envía al emisor el carácter XOFF para indicarle que no envíe mas mientras no se vacíe el buffer. Cando el buffer del receptor llega al límite inferior (por ejemplo 100 bytes), éste envía al emisor el carácter especial XON, para que reanude el envío. Cada vez que al receptor le llega un carácter XON pone a “1” una variable interna de tipo bool (por ej IS_RX_OK), y cada vez que le llega un carácter XOFF la pone a “0”. Un esquema simplificado de lo anterior se muestra en la figura siguiente:

© Julián A.

148/148


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Ç

Figura 1-128 : RS232 - Control de flujo XON/XOFF

1.3.2.6 Tipo de cables y conexionado RS232 Existen numerosas configuraciones ce cables a utilizar para conectar dos equipos por el puerto serie RS232. Ello es así en parte debido a los diferentes softwares que se ejecutan para realizar dicha comunicación. En todo caso, se presentan a continuación las configuraciones de cables más habituales.

1.3.2.6.1

CABLE DTE (PC) CON DCE (módem):

DB9 1 2 3 4 5 6 7 8 9

© Julián A.

DTE ( PC) DB25 SEÑAL 8 CD 3 RX 2 TX 20 DTR 7 GND 6 DSR 4 RTS 5 CTS 22 RI

DCE ( MODEM) DB9 DB25 SEÑAL 1 8 CD 2 3 RX 3 2 TX 4 20 DTR 5 7 GND 6 6 DSR 7 4 RTS 8 5 CTS 9 22 RI

149/149


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-129 : RS232 – Paralelo pina a pin

1.3.2.6.2

CABLE NULL MODEM (PC-PC) SIN CONTROL DE FLUJO HARDWARE:

Se denomina MODEM nulo (NULL MODEM) ya que se conectan dos DTE’s (PC’s) entre sí sin intervención de ningún MODEM intermedio. Debido a que las líneas de control de flujo (RTS/CTS , DSR/DTR) no se encuentran cableadas, la identificación del estado de transmisión o espera de los equipos no se puede hacer por hardware. Por tanto, en esta conexión, la única manera de controlar el flujo es mediante o protocolo XON/XOFF.

DB9 1 2 3 4 5 6 7 8 9



Figura 1-130 : RS232 – Cable null modem (PC-PC) sin control de flujo hardware

1.3.2.6.3

CABLE NULL MÓDEM (PC-PC) CON CONTROL DE FLUJO HARDWARE:

Se denomina MODEM nulo (NULL MODEM) ya que se conectan dos DTE’s (PC’s) entre sí sin intervención de ningún MODEM intermedio En esta conexión, las líneas RTS y CTS están cruzadas, al igual que las líneas DTR e DSR. Esto permite tanto hacer un control de flujo hardware completo. Si un PC desea transmitir, avisará al otro de ello mediante la activación (ON) de su línea DTR, y esperará a que el otro equipo responda (ON) por la línea DSR. Una vez se ha recibido la respuesta, el equipo que desee enviar un carácter lo indicará activando (ON) la línea RTS, y esperará a la activación (ON) de a línea CTS) para hacer efectiva la transmisión.

© Julián A.

150/150

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

DB9 1 2 3 4 5 6 7 8 9


DB9 1 2 3 4 5 6 7 8 9

DCE ( MODEM) DB25 SEÑAL 8 CD 3 RX 2 TX 20 DTR 7 GND 6 DSR 4 RTS 5 CTS 22 RI

Figura 1-131 : RS232 – Cable null modem (PC-PC) con control de flujo hardware

1.3.2.6.4

CABLE NULL MÓDEM (PC-PC) MIXTO 1:

Se denomina MODEM nulo (NULL MODEM) ya que se conectan dos DTE’s (PC’s) entre sí sin intervención de ningún MODEM intermedio. En esta conexión, las líneas RTS y CTS son enviadas de un PC a sí mismo, de forma que no esperamos respuesta de otro equipo conectado al nuestro, pero si recibimos respuesta. Esto permite conocer al inicio si existe algún equipo conectado (identificación de conexión), aunque posteriormente, la parada de la comunicación no podría enviarse al otro equipo debido al puenteo de las líneas RTS/CTS.

DB9 1 2 3 4 5 6 7 8 9

© Julián A.



151/151


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-132 : RS232 – Cable null modem (PC-PC) mixto 1

1.3.2.6.5

CABLE NULL MÓDEM (PC-PC) MIXTO 2:

Se denomina MODEM nulo (NULL MODEM) ya que se conectan dos DTE’s (PC’s) entre sí sin intervención de ningún MODEM intermedio En esta conexión, las líneas RTS y CTS son enviadas de un PC a sí mismo, al igual que las líneas DTR y DSR, de forma que no esperamos respuesta de otro equipo conectado al nuestro, pero si recibimos respuesta. Esto permite la utilización de software que obligue a hacer un control de flujo hardware. Cada PC se avisa a sí mismo, mediante las líneas DTR y RTS, de si está o no preparado para enviar datos, aceptando mediante las líneas DSR y CTS respectivamente.

DB9 1 2 3 4 5 6 7 8 9



Figura 1-133 : RS232 – Cable null modem (PC-PC) mixto 2

1.3.2.6.6

CABLE LOOPBACK.

Este cable realmente es un conector que permite que un DTE transmita datos y los reciba por el mismo puerto. Esto es posible (como ya se indicó), debido al funcionamiento independiente de los bloques de transmisión y recepción de la UART. La utilización común de este tipo de conexionado es detectar averías (si yo transmito, y verifico que recibo lo que transmito, es que “funciono bien”. En caso contrario se que el puerto de comunicación de este equipo tiene algún fallo de funcionamiento (verifico cada puerto de cada equipo de forma individual). Si conectamos un LED en serie en el cable que va de la señal TX a RX podremos monitorizar los bits que transmitimos/recibimos. © Julián A.

152/152

Documentos Alumnos

DTE ( PC) o DCE (MODEM)


Apuntes alumnos

DB9 1 2 3 4 5 6 7 8 9

DB25 8 3 2 20 7 6 4 5 22

SEÑAL CD RX TX DTR GND DSR RTS CTS RI

Figura 1-134 : RS232 – Cable loopback

1.3.3 ESTANDARES EIA RS 449, RS 422 Y RS 485 (ISO 8482) La norma RS 232 presenta algunas limitaciones: las conexiones pueden ser únicamente de tipo punto a punto, y además dada la naturaleza de las señales, que son referenciadas a masa, las velocidades y distancias de transmisión que se pueden lograr no son muy elevadas.

Figura 1-135 : Señal balanceada vs No balanceada

Para solucionar algunos de estos problemas existen normas basadas en transmisión diferencial © Julián A.

153/153

Documentos Alumnos

balanceada. En este tipo de transmisión el voltaje producido por el driver aparece como diferencia de dos tensiones en dos líneas de señal.

Apuntes alumnos

Típicamente se producen voltajes entre 2 y 6 voltios entre los terminales A y B de salida. Aunque la conexión a masa es importante para el funcionamiento de los dispositivos de forma individual, ésta no se usa como una de los hilos de comunicación.


En transmisión diferencial el voltaje producido por el driver aparece como diferencia entre las tensiones existentes en la línea A y B.

Si la tensión diferencia de entrada Vab es mayor que + 200 mV, entonces el receptor interpretará un “0” lógico, y si dicha tensión diferencial esta invertida y es menor de – 200 mV, entonces interpretará un “1” lógico. Por tanto el salto de tensión entre el “0” y el “1” lógicos es de 400mV (en principio un salto bastante bajo comparado con normas como la RS-232).

También se dispone de un terminal de habilitación (enable) que se utiliza para conectar el driver a la línea e transmisión; si la señal enable se encuentra desactivada, las salidas se encuentran en alta impedancia (desconectado de la línea), con lo que se posibilita que cualquier otro equipo pueda utilizar en ese momento la línea de comunicación. Esta señal de control es necesaria en RS 485 y opcional en RS 422.

Las ventajas del empleo de este tipo de transmisión son evidentes: cualquier ruido inducido en la línea de transmisión afectará por igual a ambos conductores, sobre todo si se utiliza cable simétrico como par trenzado, con lo que se eliminará al obtener el nivel lógico como diferencia de sus tensiones. De este modo se pueden conseguir velocidades de transmisión mucho mayores con longitudes de cable muy superiores a las utilizadas con norma RS 232. Las normas RS 422 y RS 485 utilizan este tipo de transmisión diferencial, con características muy similares en cuanto al modo de transmisión, pero también con notables diferencias en cuanto al número de nodos que pueden estar implicados en la comunicación. La norma RS-232C ha existido desde años, pero la restricción de velocidad con que se puede enviar información, que no puede ser superior a los 20 Kbps, y al no ser aconsejables los cables con distancias superiores a los 15 metros, hizo que se generaran estándares de comunicación basados en la norma RS232-C. La EIA formulo una nueva norma compatible con la anterior RS232, y la denomino RS449. Esta norma se publico en 1977 por la EIZ con objeto de corregir deficiencias de la norma RS232C. Prácticamente incluye varias normas en una. Los procedimientos, mecanismos y funcionalidad de la interfaz están considerados en la RS-449, en tanto que la interfaz eléctrica esta establecida en varias normas diferentes:  RS-422 (CCITT X.27 o V.11): Interfaces equilibradas  RS-423 (CCITT X.26 o V.10): Interfaces no equilibradas  RS-485: Interfaces equilibradas con transmisión multipunto.

1.3.4 ESTANDÁR EIA RS - 422 La interface RS-422A usa transmisión diferencial de datos sobre una línea balanceada. Una señal diferencial requiere dos hilos, uno para datos no invertidos y otro para datos invertidos. Esta es transmitida sobre una línea balanceada, usualmente un par de alambres trenzados con un resistor © Julián A.

154/154


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

terminal en uno de los extremos (el lado del receptor). Tal como puede observarse en la figura 83 a, un circuito integrado driver convierte niveles lógicos normales a un par de señal diferencial para la transmisión. Un receptor convierte la señal diferencial de nuevo a niveles lógicos. El dato recibido es la diferencia entre el dato no invertido (A) y el dato invertido (/A), tal como es mostrado en las formas de onda de la figura xxxx. Nótese que no es requerido un alambre de tierra entre el receptor y el transmisor, puesto que las dos líneas de señal están referenciadas una con respecto a la otra. Sin embargo, existe un máximo voltaje de modo común (referenciado a tierra) sobre cualquiera de las dos líneas entre –0.25 a +6V, tal como se observa en la tabla 4. Esto es debido a que la mayoría de los circuitos integrados transmisores y receptores RS-422A son alimentados por la misma fuente de poder de +5V como otros circuitos integrados lógicos.

Figura 1-136 : RS-422 - Especificaciones

Este esquema de señal diferencial permite el uso de tasas de transferencias de datos muy altas (hasta de 10 Mbps) sobre tramos de cable largos (hasta de 1200 metros) debido a su alta inmunidad al ruido. Si una señal de ruido se induce sobre la línea de transmisión, ésta será la misma en ambos conductores (A y /A). El receptor cancelará este ruido de modo común tomando la diferencia entre las dos líneas, tal como se puede observar en la figura xxxx.

© Julián A.

155/155


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-137 : RS-422 - Señal diferencial

Una interfase RS-422A puede manejar múltiples receptores (máximo 10) sobre la misma línea con un simple transmisor. Esto es útil para aplicaciones que requieran transmisión de datos desde una fuente simple hacia múltiples localidades remotas. Existen algunas variaciones en los conectores y asignaciones de pines usadas para las interconexiones RS-422A. La mayoría de las tarjetas de interfase RS-422A para PC usan conectores tipo DB-9, pero la designación de pines empleada varía de un fabricante a otro. Las líneas de señal para AUXOUT son salidas y pueden ser utilizadas para implementar una función RTS. Las líneas de señal para AUXIN son entradas y pueden ser usadas para implementar una función CTS. En este caso, la tarjeta RS-422A puede operar como una tarjeta típica RS-232C en un PC (y usar el mismo software de control). Alternativamente, las líneas AUXOUT y AUXIN pueden ser enviadas para enviar y recibir señales de reloj, para uso en esquemas sincrónicos. La EIA define el estándar RS 422-A en su documento “Características Eléctricas de circuitos de Interfaz Digitales de Voltaje Diferencial”. Sus principales características son:  Un transmisor y hasta 10 receptores simultáneamente.  Se puede emplear en transmisiones punto a punto y multipunto con un emisor y hasta 10 receptores.  Tensión de transmisión diferencial de ± 2 V a ± 6 V.  Los niveles lógicos se representan por: o A< B  1 lógico (marca o señal de control desactivada) o B
156/156


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

 Hasta 32 emisores receptores en la misma línea (ampliable dependiendo del tipo de driver empleados).  Transmisión diferencial con niveles de salida de ± 1.5 V a ± 5 V.  Los niveles lógicos se representan por: o A< B: 1 lógico (marca o señal de control desactivada) o B< A: 0 lógico (espacio o señal de control activada). Siendo la sensibilidad de entrada de 200 milivoltios.  El voltaje en modo común puede variar en el rango de + 12 V a -7 V (se recomienda utilizar línea de masa para mantener el Vcm en este rango).  Longitud de cable de hasta 1200 m.  Protección contra sobre corriente de 250 mA.  Velocidad de transmisión de hasta 10 Mbps, dependiendo de la longitud del cable. Para velocidades elevadas se requiere el empleo de terminadores en la línea. 1.3.5.1 Consideraciones de velocidad en RS 485. La velocidad de transmisión en dispositivos en modo diferencial balanceado esta limitada por la longitud de cable existente entre los mismos.

tb

tr

Figura 1-138 : Velocidad de transmisión vs Longitud en modo diferencial balanceado. En la zona 1 mostrada en la

Figura 1-138 : Velocidad de transmisión vs Longitud en modo diferencial balanceado., la velocidad esta limitada por el tiempo de subida de la señal de salida del generador (en ITU-T V. 11 tr < 0.1 * tb y en ISO 8482 tr < 0.3 * tb ) La velocidad de transmisión puede alcanzar los 10 Mbps con longitudes de entre 1 y 10 m. En la zona 2 mostrada en la

Figura 1-138 : Velocidad de transmisión vs Longitud en modo diferencial balanceado., la velocidad esta limitada por la distorsión causada por perdidas en la línea de transmisión ( como por ejemplo el efecto pelicular o efecto piel). Las velocidades van de 10 Mbps a 100 Kbps con longitudes de 10 m a 1200 m. En la zona 3 mostrada en la

Figura 1-138 : Velocidad de transmisión vs Longitud en modo diferencial balanceado., la atenuación más importante es la producida por la resistencia óhmica del cable (un cable de par trenzado de 1000 m y 0.6 mm de diámetro tiene una resistencia de aproximadamente 100 Ohmios). © Julián A.

157/157

Documentos Alumnos

Como regla de cálculo general se tiene:


Apuntes alumnos

Velocidad (bps )  longitud linea (m)  108

SALIDAS

ENTRADAS

Figura 1-139 : Niveles RS485 Entradas y salidas

1.3.5.2 Conexionado de redes en RS 485 El estándar RS 485 se puede emplear para conexiones de tipo punto a punto, o bien para conexiones en bus de tipo multipunto con hasta 32 emisores- receptores. El estándar no define la configuración de las redes en sus especificaciones, por lo que el usuario puede emplear la configuración que mejor se adapte a las necesidades de su sistema.

1.3.5.2.1

CONEXIÓN A 2 HILOS.

Gracias a la capacidad de los drivers de tipo 485 de permanecer en modo Tri estado, es posible emplear un único par de hilos que será común a todos los driver de transmisión y de recepción. Resulta recomendable conectar las líneas de masa para evitar tensiones en modo común elevadas y conseguir una mayor inmunidad al ruido. Por supuesto, tan solo uno de los dispositivos podrá estar transmitiendo (línea enable habilitada), mientras el resto permanecen a la escucha. El modo de acceso más común en estos casos es de tipo maestro – esclavo; que tan sólo podrán transmitir a petición del maestro. En este caso la comunicación es de tipo semiduplex, por tratarse de un medio compartido. Este tipo de conexión podemos apreciarlo en la figura xxxxx:

© Julián A.

158/158


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-140 : RS-485 - :Conexión a 2 hilos

1.3.5.2.2

CONEXIÓN A 4 HILOS.

Es una configuración típica para sistemas maestro esclavo, en la que se emplean dos hilos para el driver de transmisión del maestro, a los que se conectarán todos los de recepción del resto de dispositivos (esclavos). Un segundo par de hilos se emplean para conectar el driver de recepción del maestro, a los que se conectan todos los driver de emisión de los esclavos. De esta manera, y empleando la mecanica de este tipo de comunicación, el maestro puede mantener una comunicación en modo dúplex completo con cada uno de los esclavos secuencialmente (el resto de driver de transmisión deberan estar en alta impedancia).

La conexión a cuatro hilos podemos evidenciarla en la

Figura 1-141 : RS-485 Conexión a 4 hilos.

© Julián A.

159/159


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-141 : RS-485 Conexión a 4 hilos.

La longitud total del “bus”, las posibles variaciones en los parámetros de la línea de uno de los hilos (el “A” por ejemplo), frente al otro (el “B”), puede acabar provocando retrasos en las señales que provoque una incorrecta interpretación de los datos enviados o recibidos.

Figura 1-142 : Efectos debidos a diferencias en los hilos de in mismo par.

1.3.5.3 CONTROL TRIESTADO EN DRIVER RS-485 El control del pin triestado en los driver conectados a la red 485 es fundamental para controlar el tiempo que dichos dispositivos se encuentran transmitiendo (el resto del tiempo deben permanecer en tri estado). Es común aplicar la misma señal de habilitación al driver de emisión y al de recepción de cada nodo, de modo que dicho nodo no reciba los datos cuando esta transmitiendo. En ocasiones el © Julián A.

160/160

Documentos Alumnos

receptor se deja siempre habilitado para recibir eco de todas las transmisiones.


Apuntes alumnos

Existen dos formas de controlar la señal de habilitación en los drivers de transmisión: Emplear el pin de control RTS de la UART que se encarga de las transmisiones en el nodo conectado a la red. Para ello la señal RTS se debe activar un instante antes de iniciar la transmisión para habilitar el driver, y desactivarse justo después de terminar la misma para liberar el bus. Como puede apreciarse en la figura

Figura 1-143 : Ejemplo de conversor RS 232 a RS 485 con control por RTS

Figura 1-143 : Ejemplo de conversor RS 232 a RS 485 con control por RTS Realizar el control de habilitación en modo automático durante el tiempo que dure la transmisión de datos. Para ello ha de emplearse un circuito que sea capaz de detectar el flanco descendente del BIT de inicio para habilitar el driver de transmisión como puede observarse en la figura

Figura 1-144 : Ejemplo conversor RS232/RS485 - control automático por temporización.

© Julián A.

161/161


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-144 : Ejemplo conversor RS232/RS485 - control automático por temporización

El circuito estará temporizado para generar un pulso que mantenga la línea activa durante toda la transmisión. Típicamente se producirá un retardo igual a la duración de un carácter tras la transmisión del último BIT. 1.3.5.4 Terminadores Los terminadores se emplean para ajustar la impedancia de un nodo a la impedancia de la línea de transmisión que se está utilizando. Si dichas impedancias difieren, la señal transmitida no es totalmente absorbida por la carga y una parte es reflejada en la línea. Si las impedancias de la fuente, la línea de transmisión y el receptor son iguales estas reflexiones son eliminadas. El uso de terminadores tiene el inconveniente de aumentar la complejidad de la instalación y modificar los valores requeridos para resistencias de PULL – UP y PULL-DOWN. La decisión del empleo de terminadores se suele basar en la velocidad y longitud de cable utilizados en el sistema. Una buena regla de diseño es la siguiente: si el retardo de propagación en la línea de datos es mucho menor al ancho de un BIT, los terminadores no son necesarios. Esta regla supone que las reflexiones se atenuaran hasta perderse en trayectos de ida y vuelta en la línea de transmisión mucho antes del centro del BIT transmitido, que es el momento en que la UART del receptor hace la lectura. Por ejemplo, si tenemos una línea de 500 metros, el tiempo de propagación puede ser calculado como la longitud por la velocidad de propagación del cable. Este valor oscila entre un 66 y un 75 % de la velocidad de la luz, y es especificado por el fabricante. Hay muchos métodos para terminar líneas de transmisión de datos. El más frecuente se denomina terminación en paralelo, y consiste en añadir una resistencia en paralelo con las líneas de transmisión con un valor igual al de la impedancia característica del cable, que es independiente de su longitud (normalmente 120 OHMIOS en cables de par trenzado). Se colocan dos terminadores, uno en cada final de la línea. El problema de este tipo de terminador es que añade una carga en continua elevada, que puede sobrecargar convertidores RS232 – RS485 que se alimenten del propio puerto del ordenador. © Julián A.

162/162

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Para ello se puede colocar un pequeño condensador en serie con el terminador, que elimina el efecto de carga en continua y en alterna.

Figura 1-145 : Terminadores en DC y AC

1.3.5.5 Resistencias de polarización (bias) Cuando en una red RS 485 todos los nodos están a la escucha (todos los transmisores en modo de lata impedancia) el estado de las líneas de transmisiones está indeterminado. Para evitar esto es conveniente añadir resistencias de Bias ( pull-up y pull-down) que fuercen el estado de las líneas a un nivel lógico estable cuando se produzca esta condición. Las resistencias de Bias consisten en una resistencia de pull – up en la línea B (a + 5 V) y una resistencia de pull – down (a masa) en la línea A. El valor de las resistencias de Bias depende el número de nodos y del valor de las resistencias de terminación. El objetivo es conseguir una corriente de Bias en continua suficiente para generar una tensión de un mínimo de 200 mV entre las líneas de datos B y A. Estas resistencias se pueden colocar en cualquier punto de la red o incluso se pueden repartir en varios nodos. La ilustración de las resistencias de Bias se pude ver en la figura

Figura 1-146 : Conexión de las resistencias de Bias (pull-up Y pull-down):

Figura 1-146 : Conexión de las resistencias de Bias (pull-up Y pull-down)

© Julián A.

163/163

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.3.5.6 EJEMPLO CONEXIONADO S7-200 Y MICROMASTER - RS-485. Como ejemplo de utilización del sistema de conexionado RS-485 muy utilizado en la actualidad, se presenta a continuación es el conexionado que existe entre los controladores y accionamientos de la empresa SIEMENS que actúan mediante el protocolo USS (universal serial Interface Protocol) – protocolo liberado). El protocolo USS es un protocolo de transmisión en serie sencillo, diseñado y elaborado por la firma Siemens AG (por tanto protocolo propietario), para cubrir las exigencias en la técnica de accionamientos. En la especificación "Protocolo universal de interface en serie USS (referencia para número de pedido de SIEMENS: E20125-D0001-S302-A1) se encuentra documentada una descripción detallada de la especificación del protocolo, de la interface física, de la estructura del bus, así como la definición de los datos útiles a transmitir para la aplicación en la técnica de accionamientos. La comunicación USS, es un tipo de comunicación entre equipos que actúa según el siguiente esquema:  Como controladores pueden utilizarse PLC S7-200 o superiores  Como accionamientos equipos MICROMASTER o SIMOVERT MASTERDRIVES (variadores de frecuencia) El conexionado se realiza mediante bus RS-485 según el esquema de la

Figura 1-147 : Ejemplo de uso RS-485:

Figura 1-147 : Ejemplo de uso RS-485 Un conexionado como el anterior pero más simple, en el que únicamente existes dos equipos (un controlador maestro y en accionamiento esclavo), y donde puede verse en detalle el conexionado relativo a las resistencias terminadoras y de polarización sería el indicado en la

Figura 1-148 : Termiadores RS-485:

© Julián A.

164/164


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-148 : Termiadores RS-485 - I

Figura 1-149 : Termiadores RS-485 - II Cuando se conectan varios controladores mediante este tipo de bus RS-485 (como es el caso de controladores presentes en PROFIBUS, deben utilizarse conectores tipo SUBD-9 (ver

Figura 1-150 : Conector RS-485 utilizado en PROFIBUS/I):

© Julián A.

165/165


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Switch de configuración de los terminadores del bus: ON / OFF

Conector PROFIBUS

Conector PROFIBUS abierto

Figura 1-150 : Conector RS-485 utilizado en PROFIBUS/I

Este tipo de conectores se llevan a puerto serie del controlador teniendo presente que en los extremos del bus los conectores sólo tendrán un cable dentro (el bus empieza o termina), pero los controladores intermedios tendrán conectores a los que llegan 2 cables (entrada y salida). Los conectores de los equipos extremos deben estar puestos con sus resistencias terminadoras, mientras que los conectores de los equipos intermedios deben estar puestos sin las resistencias terminadoras (utilizando el switch de configuración de dichos conectores.

Figura 1-151 : Conector RS-485 utilizado en PROFIBUS/II

1.3.5.7 EJEMPLOS RS-485: RED MULTIPUNTO:

© Julián A.

166/166

Documentos Alumnos

Se presentan a continuación varios casos reales de conexionado de equipos mediante el estándar RS-485.

EQUIPOS DE REFRIGERACIÓN EN SUPERFICIE COMERCIAL:


Apuntes alumnos

1.3.5.7.1

© Julián A.

167/167


Documentos Alumnos

© Julián A.

168/168

Documentos Alumnos

1.3.6 CONVERSIÓN ENTRE NORMAS FÍSICAS.


Apuntes alumnos

Debido a la incompatibilidad existente a nivel de capa física de algunos equipos de comunicación presentes en las instalaciones, se plantea la necesidad de utilizar elementos de conversión y adaptación de señales entre las distintas normas de capa física. En los siguientes apartados trataremos algunas de las soluciones tanto comerciales como alternativas al respecto. 1.3.6.1 CONVERSOR RS-232 / RS-485 (PC / PLC S7-200) El cable que sirve para interconectar un PC con el software MicroWIN, y el PLS S7-200, es un cable que el fabricante (SIEMENS) denomina cable PPI. Para el correcto funcionamiento de la comunicación entre sus equipos, el cable PPI debe adaptar las señales existentes en el PC (que funcionan bajo norma RS-232), con las señales existentes en el PLC S7-200 (que funcionan bajo norma RS-485). Para ello, el cable cuenta con un conversor y adaptador de señales entre las normas RS-232 y RS485. Para su correcto funcionamiento, dicho circuito conversor obtiene alimentación por el propio PLC (24Vcc). La configuración de pines usados en cada caso se refleja en la

Figura 1-152 : Cable PPI adaptador de señales RS-232 vs PROFIBUS RS485:

Figura 1-152 : Cable PPI adaptador de señales RS-232 vs PROFIBUS RS485

RS232 (PC): 2 - Received Data (RxD - PC listens) © Julián A.

169/169


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

3 - Transmitted Data (TxD - PC Sends) 5 - Signal Common (GND) RS485 (PLC): 1 - Shield (blindaje / tierra) 2 – 24V hilo de retorno (GND) 3 - Signal B 7 - +24V hilo de alimentación 8 - Signal A Las velocidades de transmisión seleccionables son: 600, 1200, 2400, 9600, 19200 y 38400. La figura siguiente muestra una configuración con un PC conectado a varias CPUs S7-200. STEP 7-Micro/WIN 32 se ha diseñado para comunicarse con una varias CPU’s S7-200. Se puede acceder a cualquier CPU que intervenga en la red. Las CPUs pueden ser tanto maestras como esclavas. Debe recordarse que una CPU S7-200 actúa generalmente de esclavo, miestras los paneles o pantallas de visualización (como el TD 200) actúan como unidades maestras

Figura 1-153 : Conexión directa cable PPI

Los PLC’s S7-200 pueden ser conectador al terminal de programación (PC) a través de modem’s. El cable PC/PPI de 4 interruptores DIP se puede utilizar para conectar el puerto de comunicación RS232 de un módem a una CPU S7-200. Por lo general, los módems utilizan las señales de control RS-232 (tales como RTS, CTS y DTR) para que un PC pueda controlar el módem. Este cable PC/PPI no utiliza ninguna de estas señales. Por tanto, si un módem se utiliza con un cable PC/PPI de 4 interruptores DIP, el módem se deberá configurar para que no utilice ninguna de estas señales. Como mínimo, se deberán ignorar las señales RTS y DTR. Al conectarse los dispositivos, los pines para transmitir y recibir datos se deberán invertir utilizando para ello un adaptador de módem nulo. La figura siguiente muestra una configuración típica y la asignación de pines de un adaptador de módem nulo.

© Julián A.

170/170

Apuntes alumnos

Documentos Alumnos


Figura 1-154 : Conexión cable PPI mediante MODEM.

© Julián A.

171/171

Documentos Alumnos

1.3.6.1.1

ESQUEMA DE UN ADAPTADOR RS-232/PPI ALTERNATIVO.


Apuntes alumnos

Las imágenes siguientes muestran tanto el esquema como la PCB para un adaptador RS-232 vs PPI alternativo al oficial de SIEMENS.

Figura 1-155 : Adaptador alternativo cable PPI.

© Julián A.

172/172

Documentos Alumnos

En el esquema simplificado anterior se puede ver como las señales RS232 son pasadas a niveles TTV (utilizan el circuito Integrado MAX 232), y luego, estas señales TTL son pasadas a niveles RS485 (utilizan el circuito Integrado LTC485N).


Apuntes alumnos

1.3.6.2 CONVERSORES GENÉRICOS RS-232 / RS-485 Las ventajas del estándar de conexión RS-485 son evidentes respecto al RS-232C. El mayor problema en su implementación general es el precio. Este el motivo por el que se sigue manteniendo generalmente el estándar RS-232-C en la fabricación de ordenadores personales. En el caso de desear utilizar un ordenador personal como elemento principal de la red, es muy común encontrarse con el problema de la conversión entre los dos estándares. Si estamos en un ambiente de laboratorio puede ser suficiente con utilizar una placa de comunicación que se pueda configurar como un puerto estándar de PC. En el caso de encontrarnos en la industria, estos elementos suelen ser poco resistentes a interferencias o sobrecargas provocadas por la proximidad de elementos eléctricos. La solución para estos casos es la utilización de un conversor opto-aislado (aislado de corrientes externas mediante un sistema basado en diodos), que transforma la señal generada por el RS-232-C a RS-485, aislando totalmente las dos redes y con la posibilidad de soportar sobrecargas inducidas superiores a los 500 voltios.

Figura 1-156 : Conversores RS232-RS485 utilizados comercialmente (el de la izquierda opto-aislado, el resto sin aislar).

Las señales necesarias para conectar el ordenador al conversor y el conversor al resto de elementos de la red suelen ser las especificadas en la figura siguiente.

Figura 1-157 : Conexión entre un PC y un dispositivo RS-485 utilizando un conversor.

En dicho esquema, la pareja de señales RTS/CTS entre el ordenador (PC) y el conversor (RS232) es utilizada por el elemento principal (en este caso el PC) para indicar al conversor que cambie de modo receptor a emisor. Como se ha comentado anteriormente, en el modelo 2D-RS-485, los equipos deben estar siempre en modo receptor, excepto en el momento que deban transmitir, que pasan a modo de envío. En otros conversores sin embargo se utilizan la pajera de señales DTR/DSR con idéntica función. © Julián A.

173/173

Documentos Alumnos

El estado de la línea de salida RTS desde la conexión RS232 hacia la conexión RS485 indica :  Equipo RS485 activo (transmite datos al bus)  Equipo RS485 incativo (en triestado o modo escucha, sin salida de datos al bus).

A este modo de funcionamiento es al que muchos softwares de comunicación le denominan “control de flujo RS485” o en inglés “RS485 Transceiver Control”. En algunos equipos, quizás sea necesario puentear las señales RTS con CTS y DTR con DSR, dependiendo de la gestión que el software de comunicaciones haga de dichos pines. Siempre que exista duda sobre de si el programa interno gestiona estas señales, puede procederse a realizar dichos puentes ya que en general, si el software utiliza dichas señales, los puentes “engañan” al software, y si no los utiliza es irrelevante el estado de dichos pines.


Apuntes alumnos

RTS=1 RTS=0

Figura 1-158 : Bornero de un conversor RS232-RS485 Datacon

1.3.6.3 CIRCUITOS INTEGRADOS PARA CONVERSIÓN. En este apartado se presentan algunos circuitos integrados comunes ampliamente utilizados en la conversión y adaptación de las señales utilizadas en los distintos estándares de comunicación estudiados anteriormente.

© Julián A.

174/174

Documentos Alumnos

1.3.6.3.1

EL CIRCUITO INTEGRADO MAX232.


Apuntes alumnos

Este Circuito Integrado posibilita el paso de los niveles de tensión definidos en la norma RS232 a niveles de tensión TTL (o CMOS). Su estructura y conexionado se muestra en las siguientes figuras:

Figura 1-159 : MAX232 - adaptación entre niveles de tensión TTL/CMOS y RS-232

1.3.6.3.2

EL CIRCUITO INTEGRADO SN75176A.

Este circuito integrado posibilita el paso de los niveles de tensión TTL, a los niveles definidos en la norma RS485. Su estructura y conexionado se muestra en las siguientes figuras:

Figura 1-160 : El circuito integrado SN75176A - RS-232 a RS 485

1.3.6.3.3

EL CIRCUITO INTEGRADO MAX3162.

Un circuito integrado comercial que puede utilizarse para hacer la conversión de señales entre las normas RS232-C y la RS-485 es el MAX3162. El circuito contiene dos receptores y transmisores RS-232 y RS-485. la figura siguiente muestra el uso de este circuito integrado para hacer una © Julián A.

175/175

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

conversión bidireccional entre una conexión RS-232 y una RS-485 para una conexión simple punto a punto.

Figura 1-161 : Circuito integrado MAX3162 (CI Multiprotocol Transceiver)

Para la conversión de señales RS232  RS485, la línea RTS ofrece una forma de controlar el estado del bus RS485 convertido. Ésta línea del Puerto RS232 controla si el Puerto RS485 funciona como transmisor o se queda como receptor (desconectado del bus RS485 en triestado).

RS232

RS485

Figura 1-162 : El circuito integrado MAX3162 convirtiendo señales RS-232 a RS-485.

No obstante, la utilización de este circuito integrado para la conversión de señales RS232  © Julián A.

176/176

Documentos Alumnos

RS485 no está demasiado extendida, usándose para dicho tarea combinaciones de circuitos integrados del tipo MAX232 y SN75176A que son descritos en los apartados siguientes.

En la siguiente tabla aparecen algunas de las características más relevantes correspondientes a los distintos estándares de capa física estudiados en los párrafos anteriores.

“1” Lógico en la salida (emisor) “1” Lógico en la entrada (receptor) “0” lógico en la salida (emisor) "0" lógico en la entrada (receptor) Tercer estado en la salida (tree-state) Conexión entre emisor y receptor Máxima tensión aplicada a la línea de salida Sensibilidad del receptor Número de emisores y receptores en una línea Longitud máxima Velocidad / Distancia

Características eléctricas

Concepto

Prestaciones


Apuntes alumnos

1.3.7 COMPARACIÓN ENTRE NORMAS.

Máxima

CCITT V.28 (EIA RS-232 C) -5;-15 (Volt)

CCITT V.10 y X.26 (EIA RS-423 A) -3,6;-6 (Volt)

CCITT V.11 y X.27 (EIA RS-422 A) -2;-6 (Volt)

EIA RS-485

EIA RS-449

-0.5;-1.5 (Volt)

-

Bucle de corriente de 20mA 20 + 60 mA

-3;-15 (Volt)

-0.2;-12 (Volt)

-0.2;-7 (Volt)

-0.2;-7 (Volt)

-

20 + 60 mA

+5;+15 (Volt)

+3,6;+6 (Volt)

+2;+6 (Volt)

+0.5;+1.5 (Volt)

-

Ausencia de corriente

+3;+15 (Volt)

+0.2;+12 (Volt)

+0.2;+7 (Volt)

+0.2;+12 (Volt)

-

Ausencia de corriente

No

No

No

Si

RS-422/423

No

No equilibrada (emisor y receptor) ± 25 (Volt)

No equilibrada (emisor) y diferencial (receptor) ± 6 (Volt)

Diferencial (emisor y receptor) -0.25;+6 (Volt)

Diferencial (emisor y receptor) -7;+l2 (Volt)

-

No equilibrada (emisor y receptor) No especificada

±3 (Volt)

±200 (mVolt)

±200 (mVolt)

±200 (mVolt)

-

1 Emisor 1 Receptor

1 Emisor 10Receptores

1 Emisor 10Receptores

32 Emisores 32 Receptores

-

-

Depende nº bits resolución conversor AD Ilimitado (restricciones eléctricas) 450m

15m

1200m

1200m

1200m

60m

20 Kbps/15m

300 Kbps/12m

10 Mbps/12 m

10 Mbps/12 m

2Mbps/6m

9.6Kbps/450m

Media

30 Kbps/120m

1 Mbps/120m

1 Mbps/120m

—

-

Mínima

3 Kbps/1200 m

I00Kbps/l200m

I00Kbps/l200m

20Kbps/60m

-

Tabla 1-16 : Comparación entre distintas normas de capa física

LONGITUDES PROFIBUS

© Julián A.

177/177


Documentos Alumnos

© Julián A.

178/178


Documentos Alumnos

© Julián A.

179/179

Documentos Alumnos

1.4 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN


Apuntes alumnos

1.4.1 INTRODUCCIÓN. En cualquier comunicación entre máquinas, siempre hay una serie de normas que regulan el proceso, las cuales son establecidas por organismos internacionales de normalización y empleadas por los ordenadores según el protocolo (software) que se esté utilizando. Al conjunto de reglas que usan dos equipos informáticos para dialogar entre sí, de forma que puedan establecer y mantener una comunicación libre de errores se le denomina protocolo. Estos programas se instalan tanto en el terminal origen como en el destino y añaden una serie de datos de control a la información original que se pretende transmitir, que también son incluidos en el terminal emisor y suprimidos en el receptor antes de hacer la entrega a su destino. 1.4.2 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN. DEFINICIÓN Y EJEMPLOS Una vez decidida la forma en la que va a realizarle la comunicación entre equipos, (formato de transmisión, tipo de cable, simultaneidad, red punto a punto o multipunto, etc), se presenta la necesidad de ponerse una serie de reglas en diálogo entre estaciones. Estas reglas se denominan protocolos.

Figura 1-163 : Tramas visualizadas mediante software analizador de líneas y/o protocolos.

Supongamos que un equipo (A) quiere comunicarse con otro equipo (B) enviándole 2 tipos de datos (por ejemplo, estado de las entradas I0.00 a I0.7, y estado de las entradas I1.0 a I1.7). Cuando A envíe datos a B deberá antes identificar a que corresponden los datos que va a enviar. Esto podría hacerse haciendo que A envíe a B primero un nº (código) que identifique el tipo de datos que va a enviar, y luego envíe los datos en si, de forma que B pueda recibir los datos e identifica a que corresponden. Si lo anterior lo ampliamos suponiendo que A puede necesitar enviar 10 grupos de datos (estado de entradas, estado de salidas, contadores, temporizadores, variables analógicas, etc), y que además A puede necesitar enviarle a B la petición de alguno de estos 10 grupos de datos presentes en B, veremos que finalmente necesitamos enviar en cada comunicación números que corresponden a códigos de operación, y luego datos correspondientes a operándoos. De esta forma, acabamos de implantar un “protocolo de comunicaciones”, que consiste en que ambos equipos (A), y (B) conozcan el significado de cada código de operación, de forma que sepan © Julián A.

180/180

Documentos Alumnos

interpretar los datos que vienen después de cada código de operación presente en la red.


Apuntes alumnos

Supongamos el caso de 4 equipos (por ejemplo 4 PLC’s que denominaremos A,B,C,D) conectados a un medio de transmisión.

A

B

C

D

Figura 1-164 : Esquema interconexión 4 PLC’s a través del mismo bus

Y consideremos que se desea realizar una comunicación de cualquiera de los equipos hacia otro. Quizás pudiéramos pensar que sería necesario identificar el remitente de una información concreta que llega a un equipo imponiendo que se envíe como dato inicial un nº que identifique el equipo que envía el mensaje, según el siguiente significado:

Nº enviado 0 1 2 3

Equipa a que corresponde A B C D

Tabla 1-17 : Ejemplo de protocolo - numeración de equipos

De forma que si una comunicación comienza con en valor de 23 esa comunicación será errónea ya que según estamos diciendo pensamos imponer la limitación de 4 equipos que puedan comunicarse Además de esto, para identificar el tipo de comando (orden) que se desea enviar, pudiéramos pensar que necesitamos identificar ese tipo de comando (función a realizar), por ejemplo según la siguiente tabla:

Nº enviado 0 1 2

Tipo de dato que identifica Se envían estado de entradas del PLC emisor Se envían estado de salidas del PLC emisor Se envían estado de marcas del PLC emisor Tabla 1-18 : Ejemplo de protocolo - comandos

De forma que para este caso hipotético simplificado, si una comunicación en este campo tiene un valor de 3 esa comunicación será errónea, ya que según estamos diciendo, tenemos impuesta la posibilidad de mandar una de las opciones indicadas y no otra. Asimismo, si queremos dar la posibilidad de mandar varias longitudes en los datos (bits individuales, bytes, palabras de 16 bits, dobles palabras, et), podemos pensar en la posibilidad de identificar el número de datos a enviar, por ejemplo según la siguiente tabla:

© Julián A.

181/181

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Nº enviado 0 1 2

Tipo de dato que identifica Se envían 8 bits (1 carácter) Se envían 16 bits (2 caracteres) Se envían 32 bits (4 caracteres)

Tabla 1-19 : Ejemplo de protocolo – longitud de datos

A continuación de estos “códigos de control”, podemos ya querer que viajen los datos propiamente dichos (los valores de las entradas, salidas o marcas que correspondan). En este estado de cosas, si por ejemplo a un equipo le llega la información siguiente (paquete):

0

2

1

0

0

Tabla 1-20 : Ejemplo de protocolo - paquete

Teniendo presente el significado de las distintas tablas que definen este hipotético protocolo “inventado”, así como el orden representado, el significado de dicho paquete sería :     

0  El envío lo hace el equipo A 2  Nos envía el estado de marcas internas 1  nos envía 16 bits de marcas internas 0  valor de los primeros 8 bits de las marcas internas del equipo emisor (A) 0  valor de los 8 siguientes bits de las marcas internas del equipo emisor (A)

Con esto, acabamos de crear un “formato” de envío de los datos entre los equipos, de forma que todos conozcan el significado y orden de los datos que se envían/reciben, o sea, acabamos de crear un protocolo de comunicación. Lógicamente el protocolo descrito dispone de muy pocas funciones y es simplemente un ejemplo didáctico que lo hemos limitado tanto en cuanto a equipos que pudieran intervenir en la comunicación, en cuanto a tipo de datos a enviar (por ejemplo, posibilitar envío de temporizadores, contadores, etc), o en cuanto a identificación de entradas/salidas/marcas enviadas, etc. El caso es que estamos diseñando un protocolo con sus limitaciones y posibles mejoras. Es evidente que siempre que existe comunicación entre equipos, es necesaria la presencia de algún protocolo, ya que la comunicación no es posible si no existe un protocolo conocido por los intervinientes en dicha comunicación. A continuación se presenta un ejemplo de una red multipunto en el que el maestro controlador de la red envía una orden a uno de los esclavos presentes en la misma. El protocolo utilizado en este caso es el protocolo MODBUS, y se puede apreciar el significado de cada uno de los campos enviados, así como el orden de envío de los mismos (que debe ser perfectamente conocido tanto para el emisor como para el receptor):

© Julián A.

182/182

Documentos Alumnos

Figura 1-165 : Ejemplo de paquete enviado según protocolo MODBUS


Apuntes alumnos

NOTA: Si desea saber más acerca del significado del paquete MODBUS indicado, puede revisar el apartado xxxx Atendiendo al conocimiento o no (publicación) de la información referente al significado y usos de las tablas del protocolo, un protocolo puede ser:  Abierto, cuando se conoce el significado de los códigos de operación que se envían en la red, y ninguna empresa específica lo ha patentado como propio.  Propietario pero publicado, cuando se conoce el significado de los códigos de operación que se envían en la red, y alguna empresa lo ha patentado como propio.  Propietario y cerrado, cuando no se conoce el significado de los códigos de operación que se envían en la red, y alguna empresa lo ha patentado como propio. Hoy en día, los protocolos cerrados son progresivamente abandonados por sus fabricantes/creadores, ya que si acaban teniendo éxito dichos protocolos son finalmente “hackeados” por personas que dedicando horas al estudio de los diversos envíos que se realizan en una red, logran averiguar el significado de los códigos de operación y de los datos que se envía en cada momento por la red. Esto ha sucedido, desde protocolos cerrados utilizados en comunicaciones industriales específicas (como el protocolo PPI, utilizado en la comunicación de PLC’s SIEMENS S7-200 y el PC), o protocolos informáticos como el e2k (popular protocolo de comunicaciones creado por una empresa de software de nombre Metamachine. Dicho protocolo e2k o “edonkey” fue muy utilizada para el intercambio de archivos equipos en Internet. Ese intercambio “fraudulento” en la mayoría de los casos obligó a la empresa Metamachine a acordar el cierre del programa de intercambio con la RIAA - Recording Industry Association of América - Asociación de Industria Discográfica de Estados Unidos, sin embargo ya era tarde. El protocolo edk había tenido tanto éxito que fue “hackeado” y publicado su funcionamiento en Internet, hecho aprovechado por los desarrolladores del software libre emule, lo que hubiera condenado en todo caso a la desaparición de la empresa creadora original). En lo que se refiere a los protocolos utilizados o reconocidos por las CPUs S7-200, a éstas les asisten diversos métodos de comunicación (en función del tipo de CPU S7-200 utilizada), tenemos protocolos PPI y MPI. Ambos se implementan en una red ”token ring” (red de anillo con testigo) conforme al estándar Process Field Bus (PROFIBUS) que se describe en la norma europea EN 50170. 1.4.3 PROTOCOLOS DE CONTROL DEL ENLACE DE DATOS El propósito del control del enlace de datos es resolver los problemas planteados por la falta de fiabilidad de los circuitos. Las responsabilidades de estos protocolos son las siguientes:     

Sincronización de trama y transparencia Control de errores de transmisión Coordinación de la comunicación Comparición del circuito físico Recuperación ante fallos

1.4.3.1 SINCRONIZACIÓN DE TRAMA Y TRANSPARENCIA Una vez que dos ordenadores se ponen en contacto comienzan a intercambiarse información, de forma estructurada en bytes, sin embargo lo que cada uno de ellos envía son secuencias de bits en serie. El procedimiento para identificar el primer bit de cada carácter se conoce con el nombre de sincronismo de carácter. © Julián A.

183/183

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Si se pretende enviar datos muy largos, estos se dividen en bloques o tramas más pequeños, de forma que si se produce un error se transmite solo la parte afectada. El primer carácter de cada lote es identificado por el sincronismo de trama. En los siguientes apartados se examinarán los diferentes procedimientos de sincronización de trama y transparencia. Existen tres formas básicas de sincronización de trama:  Principio y fin  Principio y cuenta

1.4.3.1.1

MÉTODO DE PRINCIPIO Y FIN

El comienzo y final de cada trama se indica mediante sendos caracteres de control. El terminal de destino sabe cuál es el primer carácter de la trama. Hay situaciones en que determinados tipos de comunicaciones necesitan que cada trama contenga una serie de datos adicionales; los cuales se suelen colocar al comienzo formando una cabecera. Estas contienen lo siguiente:  Identificación del terminal origen, destino y de la trama  Prioridad de la información  Enrutamiento Dado que en la línea de transmisión pueden aparecer ruidos y distorsiones que producen errores, es necesario incluir información redundante que permita controlarlos, llamada secuencia de verificación de trama, SVT.

1.4.3.1.2

MÉTODO DE PRINCIPIO Y CUENTA

Los protocolos de principio y cuenta utilizan una cabecera de trama de longitud fija, especificando en ella, entre otros datos, la longitud en bytes del campo de texto. En este caso, no hay problemas de transparencia, ya que el terminal receptor sabe cuántos bytes de datos tiene cada trama, por lo que, aunque reciba dentro del campo de textos un carácter que coincida con uno de control, éste será interpretado como dato de información. 1.4.4 PROTOCOLOS PARA COORDINACIÓN DE LA COMUNICACIÓN Cuando se conectan simplemente dos ordenadores entre sí, cada uno de los ordenadores sabe que de recibirse algún mensaje, éste procede del terminal al cual está conectado. Conexiones de este tipo son, por ejemplo, las conexiones de ordenadores mediante circuitos punto a punto o la conexión de dos PC a través de la red telefónica. No obstante, no todas las conexiones entre ordenadores tienen esta estructura, también existen sistemas en los que un ordenador central atiende a varios terminales remotos simultáneamente, bien sea dentro de una red de área local o a través de redes de área extensa. En estos casos tiene que existir un procedimiento mediante el cual el ordenador central sepa exactamente cómo identificar cada uno de los mensajes que recibe. A este procedimiento se le conoce como coordinación de la comunicación. En el nivel de enlace existen dos métodos básicos de coordinación de la comunicación:  Métodos centralizados © Julián A.

184/184

Documentos Alumnos

 Métodos distribuidos:


Apuntes alumnos

Asimismo, en cuanto a la posibilidad de poderse determinar el tiempo máximo que debe esperar un equipo (un nodo) para poder utilizar el medio físico, podemos hacer la clasificación siguiente:  Métodos determinísticos:  Métodos de contienda:

1.4.4.1 Métodos centralizados Estos sistemas son conocidos como centralizados, primario/secundario o maestro/esclavo y se basabas en una estructura donde existen al menos dos “roles” entre los equipos participantes. Los maestros y los esclavos. Existen al menos dos posibilidades en cuanto a métodos centralizados:  Métodos de sondeo (polling).

1.4.4.1.1

MÉTODO DE SONDEO (POLLING)

Se utiliza para controlar el flujo de datos del terminal al ordenador central. El equipo central (maestro) es único y va “pasando lista” preguntando a cada uno de los equipos esclavos (numerados), preguntándoles si disponen de información para transmitir. En caso afirmativo, los esclavos emiten dicha información, de lo contrario rechaza la invitación y pasa a sondear el siguiente equipo en la lista. Este tipo de control de acceso al medio es mayoritariamente utilizado en buses y sistemas automáticos industriales donde el determinismo es fundamental (saber que los datos de cualquier estación va a tener tratamiento en menos de un tiempo determinado y concreto), y prácticamente nada en redes informáticas (redes LAN), La ventaja de este método es que proporciona control total sobre las comunicaciones, mientras que el inconveniente es que si falla la estación de control, falla todo el sistema. Es utilizado en redes con topología bus y tipo de control principal/secundario o maestro/esclavo (master/slave). La estación principal realiza una "encuesta" mediante el envío de trama especial, cada cierto tiempo. Las demás estaciones responden en un orden, si es que en mensajes que transmitir. Además lo hacen en un o bien en un tiempo establecido. Se denomina tiempo de al tiempo necesario para interrogar a todas las estaciones secundarias. Si la estación secundaria (la que recibe la pregunta) tiene datos que transmitir entonces envía, simplemente, trama de control vacía. Así se realizan enlaces punto a entre la estación central y cada estación secundaria. Resulta un método equitativo pues, en general, se encuesta a cada estación en cada ciclo de sondeo de la red en un tiempo definido y fijo, con lo que puede determinarse el tiempo que tarda el maestro en hacer un “barrido” de consultas por todos los equipos. Es por tanto éste un método determinístico. 1.4.4.2 Métodos distribuidos Estos sistemas son conocidos como distribuidos debido a que el uso del medio físico no está © Julián A.

185/185

Documentos Alumnos

gobernado por un equipo con rol de “maestro”, sino que todos los equipos tienen rol equivalente, y por tanto el control está distribuido entre todos los participantes que tienen todos los mismos derechos de acceso y control sobre el medio físico.


Apuntes alumnos

Existen al menos dos posibilidades en cuanto a métodos distribuidos:  Paso de testigo (token).  Métodos de contienda.

1.4.4.2.1

PASO DE TESTIGO (TOKEN)

Los métodos de paso de testigo se basan en hacer que todas las estaciones participantes se comuniquen un “paquete” de datos (testigo o token) en un orden prefijado (para lo cual las estaciones deberán estar numeradas). El testigo se compone de diversos campos. Con este método se pone en circulación una trama especial que se transmite y recibe por todas las estaciones conectadas. Este paquete especial se denomina testigo (token). El testigo es una trama uniforme para todas las estaciones. Dispone de varios campos entre los que destacan: Campo Testigo libre u ocupado Dirección destino Dirección origen Aceptación o Reconocimiento Prioridad Datos Errores

Descripción El testigo está libre y puede ser utilizado por cualquier estación. O está ocupado, y debe retransmitirse si no es la estación destino. Del testigo, sólo se analiza si el testigo está ocupado. Del testigo, sólo se analiza si el testigo está ocupado. Indica que una trama ha sido aceptada sin errores. Por si hay que introducir dicho esquema de control. Datos a enviar Según el sistema de detección de errores utilizado Tabla 1-21 : Tabla. Campos del testigo.

La estación que quiere transmitir observa, cuando lo recibe, el campo de dirección. Si no va destinada a ella misma, retransmite el testigo a la siguiente estación, y así sucesivamente hasta llegar a la estación destino. Si el testigo está libre (marcado como vacío), significa que puede transmitir, y llena el mismo con los datos a enviar marcándolo como “lleno”. Como el testigo incluye el campo de dirección destino, los datos tienen un destino explícito, Así las estaciones no destinatarias actúan como simples repetidores de la trama, al observar el campo de dirección indicado. Cuando una estación recibe un testigo lleno que va dirigido a ella, marca el testigo como “leído”, y lo devuelve a la red para que siga retransmitiéndose. Si el testigo “leído” vuelve a la estación que lo emitió (llega con la dirección de la propia estación), entiende que el mensaje ha sido recibido sin errores y por tanto marca el testigo como “libre” para que otra estación pueda hacer uso del mismo. Existe un tiempo límite de posesión del testigo para las estaciones. Así, si se supera este testigo es liberado por la siguiente estación a la que llega. Este tiempo puede ser un campo de la trama que se modifica cada vez que se retransmite por una estación. Además permite la implantación de esquemas de prioridades, dejando de ser equitativo a todas las estaciones participantes. Este método es utilizado en los sistemas de comunicación industrial, los conocidos entornos MAP (Manufacturing Automation Protocol). © Julián A.

186/186

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

El tiempo de pertenencia del testigo, así como el tiempo utilizado en cada cambio de testigo está perfectamente prefijado y por tanto se puede determinar el tiempo que se va a tardar en hacer un “barrido” por todos los equipos presentes. Son por tanto éstos métodos determinísticos. El método de paso de testigo presenta al menos dos variantes:  Testigo en bus (token bus).  Testigo en anillo (token ring). 1.4.4.2.1.1 Paso de testigo en bus (token bus) En este método, el conexionado de las estaciones se realiza a un mismo “bus” (que en general tendrá los terminadores correspondientes). Se necesita que cada estación conozca la dirección o identificación de la estación anterior y posterior, respecto a la circulación del testigo. La dirección de la estación de la que se recibe y la dirección de la estación a la que se transmite, se establecen al configurar la red. Así se independizan la topología física y lógica. La disposición física es independiente del orden lógico en el que transita el testigo.

Figura 1-166 : Paso de testigo en bus (token bus)

Una estación está encargada de iniciar el testigo, y el orden o secuencia de posesión del testigo. Así, aunque las estaciones están conectadas en bus, la posesión del medio se pasa de una a otra según una lista, que puede ser un campo de datos del testigo. En este caso, y aunque la topología de conexionado es en bus, realmente el funcionamiento “lógico” se realiza en anillo, ya que se crea un anillo de estaciones. 1.4.4.2.1.2 Paso de testigo en anillo (token ring) En este caso, el conexionado de las estaciones se realiza con una topología física en anillo (un bus cerrado). Por dicho anillo físico circula, en un sentido, un testigo similar al anterior. El testigo dispone de diversos campos de bits. Un bit indica si el testigo está libre o no. Si ninguna estación transmite, se retransmite el testigo y éste circula por el anillo. Cuando el testigo está libre, circulando por anillo, la estación que quiera transmitir modifica el bit del testigo, inserta información -en el campo de dirección y de datos - y lo retransmite a la siguiente estación.

© Julián A.

187/187


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-167 : Paso de testigo en anillo (token ring)

Al llegar el testigo a la estación destino, ésta extrae la información. Después copia el testigo, modifica un bit de aceptación de la trama recibida, y retransmite el testigo. La estación destino es ahora la misma que realizó la transmisión. Cuando este último vuelve a la estación que realizó la transmisión, ésta intentará enviar otra trama, realizando el mismo proceso. Esto lo podrá realizar si no ha expirado su tiempo, entonces el testigo se libera para ser utilizado por otra estación. Al igual que en el caso de token bus, se requiere mantenimiento del anillo. Entre las diferentes funciones que aparecen: recuperación ante errores, iniciación del anillo, supervisión del testigo (para evitar que quede uno flotante, ante la desaparición de una estación destino y fallo de la temporización). Normalmente existe una estación que actúa como monitor de la red. La velocidad de transmisión y la longitud del testigo deben corresponderse con cuidado, para que "quepa" el testigo en todo el anillo. Obsérvese que ante una velocidad de transmisión de 2,5 Mbps, cada bit tiene una duración de 1/(2,5x106), es decir 400 ns. Si el medio adolece de una velocidad de propagación de 250.000 Kmps, cada bit ocupa 100 m en el anillo (2,5x109/2,5x106 ms-1/s). Así en un anillo de 500 m sólo caben 5 bits, sin contar los retardos de las estaciones. Es decir, que la longitud del anillo debe ser suficiente para albergar a todos los bits que componen al testigo por completo. Una solución será usar la fibra óptica, lo que da origen a otro tipo de anillo que puede llegar a 100 Mbps. Se comentará brevemente. La principal ventaja de token ring es su adaptación natural a la topología del anillo y la garantía del reparto equitativo del medio de transmisión. Habrá que tener en cuenta la longitud del anillo formado, es decir, la longitud de la red. © Julián A.

188/188


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

No queremos dejar de nombrar, al menos, los sistemas de control de acceso utilizados para la red de alta velocidad FDDI (Fiber Data Distributed Interface) de alta velocidad, cuyas características se enuncian en la tabla siguiente. También existe una nueva opción que es la conexión a redes tipo ATM (Asynchronous Transfer Mode), tipo de red asíncrona de alta velocidad, utilizada para interconexión de redes LAN a distancia. Se comentará cuando abordemos la interconexión de redes. Es decir, permite la interconexión de redes LAN remotas, por medio de una red tipo ATM. RED

Topología y control MAC


Velocidad

FDDI

Doble anillo de fibra óptica. Un segundo testigo circula detrás de cada trama.

Fibra óptica, 1.000 nodos a 2 km como máximo.

100 Mbps Codificación 4B5B

Tabla 1-22 : Otros tipos de control de acceso para redes de alta velocidad

1.4.4.3 MÉTODOS DE CONTIENDA En los métodos de control de acceso al medio denominados métodos de contienda, cada terminal controla su comunicación, pudiendo iniciar una transmisión sin tener que esperar a que otro le dé permiso. El problema estriba en que si dos o más terminales tratan de transmitir en el mismo instante, se produce una colisión. Para lo cual los sistemas disponen de una serie de procedimientos, a saber:  Acceso múltiple por detección de portadora con detección de colisiones (CSMA/CD).  Acceso múltiple por detección de portadora evitando colisiones (CSMA/CA).  Aloha puro y Aloha ranurado

1.4.4.3.1

CSMA/CD vs CSMA/CA

CSMA/CD, siglas que corresponden a Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (en español, "Acceso Múltiple con Escucha de Portadora y Detección de Colisiones"), es una técnica usada en redes Ethernet. Anteriormente a esta técnica se usaron las de Aloha puro y Aloha ranurado (ver final de este apartado), pero ambas presentaban muy bajas prestaciones. Por eso apareció primeramente la técnica CSMA, que fue posteriormente mejorada con la aparición de CSMA/CD Tanto los métodos CSMA/CD como los CSMA/CA son métodos con detección de colisión si estas se producen (si bien en el segundo caso se intentan evitar). En ellos, cada estación supervisa la línea continuamente, y espera a que ésta quede libre antes de intentar la transmisión. Si dos estaciones comienzan a transmitir al mismo tiempo, aparece la colisión. En este caso, las señales que se transmiten se distorsionan y producen componentes eléctricas que se interpretan erróneamente. Se denomina tiempo de propagación (T), al tiempo que tarda una señal en propagarse para comunicar los equipos más alejados del canal. Veamos la versión inicial de acceso múltiple por detección de portadora (CSMA). El principio es escuchar antes de hablar.

© Julián A.

189/189


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-168 : Métodos CSMA

1) El bus se encuentra libre de uso (los equipos no detectan ninguna portadora presente) 2) El equipo central ve el bus libre y decido comenzar una transmisión de datos 3) Si el resto de equipos ve la señal presente, deben esperar a que el bus quede libre. Sin embargo, en este caso, al poco de comenzar la transmisión del equipo central, el equipo de la derecha ve aún el bus libre y también decide comenzar una transmisión de datos. 4) Se produce una colisión en el bus cerca del equipo de la derecha que es el primero en detectarla. 5) El resto de equipos detectan también la colisión 6) El equipo que primero detectó la colisión transmite una señal “jam” para avisar de las colisiones a aquellos equipos que aún no la hubieran detectado (nos aseguramos que todos han detectado la colisión) 7) Con el aviso de colisión, los equipos dejan de utilizar el bus durante un tiempo generalmente aleatorio (cada uno el suyo). Una vez esperado dicho tiempo, se inicia de nuevo el ciclo descrito Cuando se produce una colisión las estaciones dejan de transmitir, esperan un tiempo y vuelven a intentarlo. Sin embargo otro método pudiera ser establecer un turno concreto de acceso al medio (y por tanto dar prioridades). Este último caso es el utilizado por el sistema CSMA/CA donde para evitar colisiones se marcan turnos de uso si se producen estas, o sea se establece un esquema de prioridades donde si no se fija un tiempo límite, las estaciones que no adquieran el medio en primer lugar, pueden © Julián A.

190/190

Documentos Alumnos

apenas llegar a transmitir (el último en la lista de prioridades apenas pueda utilizar el medio, ya que en cada colisión se vuelve a quedar el último de la lista).


Apuntes alumnos

Para evitar estos problemas se utilizan los métodos CSMA/CD

Figura 1-169 : CSMA/CD

Existen tres tipos de formatos de funcionamiento de CSMA/CD:  1-Persistent CSMA  Non-Persistent CSMA  P-Persistent CSMA 1.4.4.3.1.1 1-Persistent CSMA Cada estación "escucha" el medio, para ver si está ocupado, y sólo transmite si está libre. Si está ocupado espera escuchando de forma que comenzará la transmisión cuando el canal que quede libre. Cuando se está transmitiendo, se hace un reconocimiento individual de cada trama, observándose el canal para descubrir si existe una colisión. En cuanto una estación detecta colisión deja de transmitir y envía un paquete jam. Jam es una señal enviada por una estación cuya trama (48 bits) informa a las demás para que dejen de transmitir, se espera un tiempo aleatorio tiempo aleatorio (back-off), tras el cual se vuelve a intentar la transmisión. El protocolo es llamado 1-persistente porque el equipo emisor transmite con una probabilidad de 1 siempre que encuentra libre el canal. 1.4.4.3.1.2 Non-Persistent CSMA La diferencia con el anterior (1-Persistent CSMA), es que cada estación "escucha" el medio, para ver si está ocupado, y en caso de estar ocupado, se espera un tiempo aleatorio para volver a “escuchar” si el canal sigue ocupado (no escucha consantemente el medio, sino que lo escucha a intervalos aleatorios). Una vez detecte el canal libre, el resto del proceso es idéntico al descrito en el modo 1Persistent CSMA. 1.4.4.3.1.3 P-Persistent CSMA Cada estación "escucha" el medio, para ver si está ocupado. Si el medio está ocupado se espera un tiempo igual al tiempo de propagación del canal (T), para volver a escuchar el canal pasado dicho tiempo. Una vez el canal se encuentra libre, se comienza la transmisión con una probabilidad p determinada (es decir, si se establece p=0.5, la mitad de las ocasiones se comenzará la transmisión, y la otra mitad se continuará esperando otro tiempo T). Cuando se está transmitiendo, se hace un reconocimiento individual de cada trama, observándose el canal para descubrir si existe una colisión. En cuanto una © Julián A.

191/191


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

estación detecta colisión deja de transmitir y envía un paquete jam. Jam es una señal enviada por una estación cuya trama (48 bits) informa a las demás para que dejen de transmitir, se espera un tiempo aleatorio tiempo aleatorio (back-off), tras el cual se vuelve a intentar la transmisión. El protocolo es llamado p-persistente porque el equipo emisor transmite con una probabilidad de p siempre que encuentra libre el canal. La forma más eficiente de establecer el valor de “p" es hacerlo de forma dinámica. Por ejemplo, si en promedio, hay 2 nodos que están a la espera de una transmisión a fin, entonces el valor a establecer p = 1/2 = 0.5 ; si por el contrario en la media, hay 3 nodos que están esperando para una transmisión para terminar, entonces el valor a establecer p = 1/3 = 0.3333; y así sucesivamente ...

a)

b)

c)

Figura 1-170 : CSMA/CD Diferencias a) Non-Persistent / Persistent ; b) 1-Persistent ; c) p-Persistent

Dado que el tiempo necesario para detectar una colisión en el peor caso (equipos extremos) es de 2T (siendo T el tiempo de propagación de la señal desde un extremo al extremo contrario), y teniendo en cuenta que por ejemplo a 10 Mbps la norma Ethernet establece dicho tiempo como 51.2 seg, queda definida una distancia máxima permitida entre estaciones (nunca debe superar los 2500m). Si en número de colisiones sucesivas es de 16, se envía un error de transmisión a la capa de aplicación (mensaje de error). Para poder simular el método CSMA/CD existen diversas herramientas. En la dirección web: http://media.pearsoncmg.com/aw/aw_kurose_network_2/applets/csmacd/csmacd.html se encuentra accesible un applet con el que visualizar el modo de funcionamiento de este sistema.

© Julián A.

192/192


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-171 : CSMA/CD Applet

A continuación se presenta una medición estadística del éxito en el envío de paquetes (S en tanto por uno), en función del número de intentos de envío de paquetes (G) según el esquema CSMA utilizado.

Figura 1-172 : Comparando el rendimiento de varios protocolos CSMA

Donde:  Tiempo : unidad de longitud de una ranura  G : la carga ofrecida (número de intentos de transmisiones por unidad de tiempo)  S : el rendimiento (número de transmisiones exitosas por unidad de tiempo) Puede observarse como para un sistema CSMA 1-persistente, el número de transmisiones © Julián A.

193/193

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

exitosas (no colisionadas con otras) ronda el 55% con cada intento, siendo muy raras las veces que hay que llegar a realizar mas de 5 intentos (cerca del 5% de las vecesm S  0.05). También se aprecia como el rendimiento (número de transmisiones exitosas) alcanzado por el sistema 0.5-persistente, es mayor (llega al 70%) para entre 1 y 2 intentos, si bien existe un porcentaje elevado de casos (mayor al 25%) en los que deben hacerse más de 5 intentos para enviar exitosamente el paquete.

1.4.4.3.2

ALOHA PURO

Protocolo de comunicación que precede al CSMA/CD y que pertenece a la capa de enlace. Utilizado como Protocolo de Acceso Múltiple que se define por las siguientes características:  Cuando algún host desea transmitir algo lo hace sin considerar el estado del medio.  El emisor siempre escucha y se entera cuando su trama fue destruida.  Al ocurrir colisiones se destruyen las tramas colisionadas que luego serán retransmitidas.  A diferencia del Aloha ranurado no requiere sincronización en tiempo global, transmisión en tiempos aleatorios. Con este sistema, las colisiones pueden sucederse en cualquier momento (tanto al inicio de una trama como al final, por lo que el tiempo de vulnerabilidad es elevado.

1.4.4.3.3

ALOHA RANURADO (SLOTTER ALOHA)

Para mejorar las prestaciones del Aloha puro, se definió Aloha ranurado (slotted) (Roberts 1972), con el mismo funcionamiento que Aloha, y con la única diferencia de que las estaciones sólo pueden transmitir en unos determinados instantes de tiempo o slots (tiempos coincidentes con el tiempo de transmisión del canal). De esta manera se disminuye el periodo vulnerable a t. Este sincronismo hace que cuando un equipo quiera transmitir debe esperar al inicio del nuevo periodo para hacerlo.

Figura 1-173 : Aloha Ranurado

1.4.5 PROTOCOLOS SOPORTADOS POR EL PLC S7-200:  Interface punto a punto (PPI)  Interface multipunto (MPI)  Profibus © Julián A.

194/194

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

 Protocolos definidos por el usuario (FreePort), con posibilidad de encontrar implementaciones libres de ModBUS y otros. Los anteriores son todos ellos protocolos asíncronos de caracteres que utilizan un bit de inicio, ocho bits de datos, un bit de paridad par y un bit de parada. Los bloques de comunicación dependen de los caracteres especiales de inicio y de parada, de las direcciones de estación de fuente y de destino, de la longitud de dichos bloques y de la suma de verificación para garantizar la integridad de los datos. Los tres protocolos se pueden utilizar simultáneamente en una red sin que interfieran entre sí, con la condición de que usen una misma velocidad de transferencia. La red PROFIBUS utiliza el estándar RS-485 con cables de par trenzado. Ello permite interconectar hasta 32 dispositivos en un segmento de la red. Los segmentos pueden tener una longitud máxima de 1.200 m, dependiendo de la velocidad de transferencia. Es posible conectar repetidores para poder incorporar más dispositivos en la red o con objeto de utilizar cables más largos. Si se usan repetidores, las redes pueden tener una longitud de hasta 9.600 m, dependiendo de la velocidad de transferencia (v. tabla 7-6). Los protocolos prevén dos tipos de dispositivos de red: los maestros y los esclavos. Los maestros pueden enviar una petición a otros dispositivos. En cambio, los esclavos sólo pueden responder a las peticiones de los maestros, sin poder lanzar nunca una petición por su propia cuenta. En general actúan de maestros los terminales de programación (un PC con el software MicroWIN, con dirección predeterminada “0”), un panel de visualización y operador (ej: los visualizadores de textos TD 200 y los paneles de operador OP3 y OP7 que tienen la dirección predeterminad a”1”). Asimismo, actúan como esclavos los PLC S7-200 (sistemas de automatización), que por defecto vienen con la dirección predeterminada “2”. Los protocolos asisten 127 direcciones (0 a 126) en una red. Una red puede comprender 32 maestros como máximo. Todos los dispositivos que formen parte de una red deberán tener direcciones unívocas para poder comunicarse entre sí. Como se ha indicado, el ajuste estándar para las unidades de programación SIMATIC y los PCs con STEP 7-Micro/WIN 32 es la dirección ”0”. Los visualizadores de textos TD 200 y los paneles de operador OP3 y OP7 tienen la dirección predeterminada ”1”. La dirección estándar de los sistemas de automatización es ”2”. 1.4.5.1 PROTOCOLO PPI PPI es un protocolo maestro/esclavo. Los maestros (otras CPUs, unidades de programación SIMATIC o visualizadores de textos TD 200) envían peticiones a los esclavos y éstos últimos responden. Los esclavos no inician mensajes, sino que esperan a que un maestro les envíe una petición o solicite una respuesta. Todas las CPUs S7-200 actúan de estaciones esclavas en la red. Estando en modo RUN, algunas CPUs S7-200 pueden actuar de estaciones maestras en la red si se encuentra habilitado el modo maestro PPI en el programa de usuario. (Consulte la descripción de SMB30 en el Anexo C). Una vez habilitado el modo maestro PPI, se podrán enviar mensajes a otras CPUs, usando las operaciones Leer de la red (NETR) y Escribir en la red (NETW). En el apartado 9.16 (Operaciones de comunicación SIMATIC) encontrará una descripción de dichas operaciones. Mientras actúa de estación maestra PPI, la CPU S7-200 sigue respondiendo en calidad de esclava a las peticiones de otros maestros. El protocolo PPI no limita la cantidad de maestros que pueden comunicarse con una CPU cualquiera que actúe de esclava, pero la red no puede comprender más de 32 maestros.

© Julián A.

195/195

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.4.5.2 PROTOCOLO MPI MPI puede ser un protocolo maestro/maestro, o bien maestro/esclavo. El funcionamiento de dicho protocolo depende de los equipos utilizados. Si el dispositivo de destino es una CPU S7-300, se establece un enlace maestro/maestro, puesto que todas las CPUs S7-300 son estaciones maestras en la red. Si es una CPU S7-200, se establece un enlace maestro/esclavo, ya que las CPUs S7-200 son unidades esclavas. El protocolo MPI crea siempre un enlace entre los dos dispositivos intercomunicados. Un enlace es una conexión privada entre los dos dispositivos. Ningún otro maestro puede interferir en un enlace establecido entre dos dispositivos. Un maestro puede establecer un enlace para utilizarlo durante un tiempo breve o indefinido. Puesto que los enlaces son conexiones privadas entre los dispositivos y utilizan recursos de la CPU, cada CPU puede asistir sólo una cantidad limitada de enlaces. Cada CPU asiste cuatro enlaces. Cada CPU reserva dos de sus enlaces; uno para una unidad de programación SIMATIC o un PC y el otro para paneles de operador. El enlace reservado para una unidad de programación SIMATIC o un PC garantiza que el usuario pueda conectar siempre por lo menos una unidad de programación SIMATIC o un PC a la CPU. Las CPUs también reservan un enlace para un panel de operador. Los enlaces reservados no pueden ser utilizados por otros maestros (p.ej. CPUs). Las CPUs S7-300 y S7-400 se pueden comunicar con las CPUs S7-200 estableciendo una conexión a través de los enlaces no reservados de éstas últimas. Las CPUs S7-300 y S7-400 pueden leer y escribir datos en las CPUs S7-200, utilizando las operaciones XGET y XPUT (consulte el manual de programación de la CPU S7-300 ó S7-400, respectivamente).

Figura 1-174 : Protocolos PPI / MPI

1.4.5.3 PROTOCOLO PROFIBUS El protocolo PROFIBUS se ha diseñado para la comunicación rápida con unidades periféricas descentralizadas (E/S remotas). Hay numerosos dispositivos PROFIBUS ofrecidos por diversos fabricantes. Dichos dispositivos abarcan desde módulos sencillos de entradas o salidas hasta controladores de motores y sistemas de automatización (autómatas programables). Por lo general, las redes PROFIBUS tienen un maestro y varios esclavos. La configuración del maestro permite detectar los tipos de esclavos que están conectados, así como sus respectivas © Julián A.

196/196

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

direcciones. El maestro inicializa la red y verifica si los esclavos coinciden con la configuración. Continuamente, el maestro escribe los datos de salida en los esclavos y lee de allí los datos de entrada. Una vez que un maestro DP haya configurado correctamente a un esclavo, éste último le pertenecerá. Si hay otro maestro en la red, tendrá apenas un acceso muy limitado a los esclavos del primer maestro.

Figura 1-175 : Ejemplo de una red profibus con token passing

En los protocolos profibus debe estar establecido el tiempo de rotación del testigo. Éste depende del tiempo que cada estación tiene el testigo en su poder. El tiempo de rotación del testigo en redes S7-200 multimaestro se puede determinar sumando los tiempos de posesión del testigo por parte de cada maestro. Si se ha habilitado el modo maestro PPI (en el protocolo PPI de la red en cuestión), es posible enviar mensajes a otras CPUs utilizando las operaciones Leer de la red (NETR) y Escribir en la red (NETW) con la CPU. Si envía mensajes utilizando las operaciones NETR y NETW, puede utilizar la fórmula siguiente para calcular el tiempo aproximado de rotación del testigo, dando por supuesto que:  Cada estación envía una petición cuando tiene el testigo en su poder.  La petición es una operación de lectura o de escritura a direcciones consecutivas de datos.  No hay conflictos de acceso al único búfer de comunicación de la CPU.  Ninguna CPU tiene un tiempo de ciclo superior a aprox. 10 ms.

Figura 1-176 : Profibus – Tiempos de posesión y rotación testigo con NETR y NETW

Las tablas siguientes muestran el tiempo de rotación del testigo en función del número de estaciones y del volumen de datos a transferir a 9,6 kbit/s, 19,2 kbit/s y 187,5 kbit/s, © Julián A.

197/197

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

respectivamente. Dichos tiempos son válidos utilizando las operaciones Leer de la red (NETR) y Escribir en la red (NETW) con la CPU u otros maestros.

Tabla 1-23 : Tiempo de rotación del testigo en función del número de estaciones y del volumen de datos a 19,2 kbit/s

Tabla 1-24 : Tiempo de rotación del testigo en función del número de estaciones y del volumen de datos a 187,5 kbit/s

1.4.5.4 PROTOCOLO USS El protocolo USS es un protocolo de transmisión en serie sencillo,diseñado y elaborado por la © Julián A.

198/198


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

firma Siemens AG para cubrir las exigencias en la técnica de accionamientos. En la especificación "Protocolo universal de interface en serie USS" se encuentra documentada una descripción detallada de la especificación del protocolo, de la interface física, de la estructura del bus, así como la definición de los datos útiles a transmitir para la aplicación en la técnica de accionamientos. Con ayuda de este protocolo se pueden cominucar por el bus un maestro de jerarquía superior y varios sistemas de esclavos. Sistemas maestros pueden ser p. ej. controladores lógicos programables (programmable logic controler PLC) o PC’s. En el sistema de bus, los accionamientos (en general variadores de frecuencia MICROMASTER, SIMOVERT MASTERDRIVES, etc) son siempre esclavos. El protocolo USS ofrece al usuario la posibilidad, tanto de realizar labores de automatización que exigen una transmisión de telegrama cíclico, así como tareas de visualización. En este caso es más favorable utilizar el protocolo con longitud de telegrama variable, ya que así se pueden transmitir textos y descripciones de parámetros con un solo telegrama sin "desmembrar" la información.

Figura 1-177 : Ejemplo conexionado USS

1.4.5.4.1

Las características principales del protocolo USS son:

 Realización de un acoplamiento de varios puntos, p. ej. Hardware EIA RS 485- o un acoplamiento punto a punto p. ej. EIA RS 232.  Técnica de acceso maestro / esclavo  Single Master-System  Máximo 32 usuarios de bus (máximo 31 esclavos)  Funcionamiento opcional con largo de telegrama fijo o variable  Marco de telegrama sencillo y seguro  La misma estructura física de bus que en PROFIBUS (DIN 19245 parte 1)  Interface de datos hacia el aparato base según el "PERFIL de accionamientos de velocidad variable". Eso significa que las informaciones para el accionamiento se transmiten con USS del mismo modo que con PROFIBUS-DP  Aplicable para puesta en marcha, servicio de asistencia y automatización  Programas de PC (p. ej. SIMOVIS) para SIMOREG y SIMOVERT  De fácil incorporación a sistemas específicos del cliente

1.4.5.4.2

Especificación del protocolo

El protocolo USS define una técnica de acceso según el principio de maestro-esclavo para la © Julián A.

199/199

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

comunicación a través de un bus en serie. También permite la comunicación punto a punto (un solo maestro, un solo esclavo). Al bus se le puede conectar un maestro y un máximo de 31 esclavos. El maestro selecciona cada uno de los esclavos a través de un signo de "dirección" en el telegrama. Un esclavo por sí mismo nunca puede tomar la iniciativa de emisión. No es posible el intercambio de información directa entre los esclavos. La comunicación se realiza con el sistema semiduplex. Antes de conectar un accionamiento (escvlavo) a una CPU S7200 mediante para ser utilizado el protocolo USS, vigile que tenga los siguientes parámetros de sistema. Utilice el teclado del accionamiento para ajustar los parámetros:

1.4.5.4.3 Configurar un accionamiento MicroMaster 4 para ser utilizado en RS-485 (ejemplificado para el protocolo USS) Antes de conectar un accionamiento al S7200, vigile que tenga los siguientes parámetros de sistema. Utilice el teclado del accionamiento para ajustar los parámetros: 1.

Restablezca los ajustes de fábrica del accionamiento (opcional): P0010=30 P0970=1 Si omite este paso, vigile que los parámetros siguientes se ajusten a estos valores: Longitud USS PZD: P2012 índice 0=2 Longitud USS PKW: P2013 índice 0=127

2. Habilite el acceso de lectura/escritura a todos los parámetros (modo avanzado): P0003=3 3. Compruebe los ajustes del motor: P0304=Tensión nominal del motor (V) P0305=Intensidad nominal del motor (A) P0307=Potencia nominal del motor (W) P0310=Frecuencia nominal del motor (Hz) P0311=Velocidad nominal del motor (rpm) Los ajustes varían dependiendo del (de los) motor(es) utilizados. Para poder configurar los parámetros P304, P305, P307, P310 y P311, deberá ajustar primero el parámetro P010 a "1" (modo de puesta en servicio rápida). Tras concluir la configuración, ajuste el parámetro P010 a "0". Los parámetros P304, P305, P307, P310 y P311 sólo se pueden cambiar en el modo de modo de puesta en servicio rápida. 4. Ajuste el modo de control (local o remoto): P0700 índice 0=5 5. Seleccione la consigna de frecuencia a USS en el puerto COM: P1000 índice 0=5 6. Tiempo de aceleración (opcional): P1120=0 a 650.00 Éste es el tiempo (indicado en segundos) que el motor necesita para acelerar hasta la frecuencia máxima.

© Julián A.

200/200

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

7. Tiempo de desaceleración (opcional): P1121=0 a 650.00 Éste es el tiempo (indicado en segundos) que el motor necesita para desacelerar hasta parar por completo. 8. Ajuste la frecuencia de referencia del puerto serie: P2000=1 a 650 Hz 9. Ajuste la normalización USS: P2009 índice 0=0 10. Ajuste la velocidad de transferencia del puerto serie RS485: P2010 índice 0 = 4 (2400 bit/s) 5 (4800 bit/s) 6 (9600 bit/s) 7 (19200 bit/s 8 (38400 bit/s) 9 (57600 bit/s) 2 (115200 bit/s) 11. Introduzca la dirección del esclavo: P2011 índice 0=0 a 31 Todos los accionamientos (31 como máximo) se pueden controlar a través del bus. 12. Ajuste el timeout del puerto serie: P2014 índice 0=0 a 65.535 ms (0=sin timeout) Éste es el intervalo máximo admisible entre la recepción de dos telegramas de datos. Esta función se utiliza para desactivar el inversor en caso de un fallo de comunicación. La temporización comienza tras haberse recibido un telegrama de datos válido. Si no se recibe otro telegrama de datos dentro del período de tiempo indicado, el inversor se desactivará y se visualizará el código de error F0070. Ajustando el valor a cero se desconecta el control. Utilice la tabla Tiempo de comunicación con los accionamientos. para calcular los intervalos de muestreo del accionamiento.

13. Transfiera los datos de la RAM a la EEPROM: P0971=1 (iniciar la transferencia) Guardar los cambios de los parámetros en la EEPROM.

© Julián A.

201/201

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.4.5.5 PROTOCOLOS DEFINIDOS POR EL USUARIO (FREEPORT) La comunicación Freeport es un modo de operación que permite al programa de usuario controlar el puerto de comunicación de la CPU S7-200. Con el modo Freeport se pueden implementar protocolos de comunicación definidos por el usuario para crear enlaces con numerosos dispositivos inteligentes. El programa de usuario controla el funcionamiento del puerto de comunicación utilizando interrupciones de recepción y de transmisión, así como las operaciones Transmitir mensaje (XMT) y Recibir mensaje (RCV). En modo Freeport, el programa de usuario controla por completo el protocolo de comunicación. El modo Freeport se habilita con la marca SMB30 (puerto 0), estando activo únicamente cuando la CPU está en modo RUN. Cuando la CPU retorna a modo STOP, la comunicación Freeport se detiene y el puerto de comunicación vuelve a utilizar el protocolo PPI normal. En el apartado 9.16 (Operaciones de comunicación SIMATIC) encontrará una descripción de las operaciones Transmitir mensaje y Recibir mensaje. 1.4.5.6 Estándar IEEE 802.3 (Ethernet) Un PLC S7-200 junto a un módulo de comunicaciones CP-243-1 o CP-243-1IT tiene la capacidad de comunicarse con el exterior vía Ethernet.

Figura 1-178 : S7-200 conectado a redes Ethernet.

En el nivel físico, las redes IEEE 802.3 utilizan codificación Manchester diferencial, que representa cada bit, no como un estado alto o bajo, sino como la transición bajo/alto o alto/bajo, dependiendo del valor del bit. Esto tiene la ventaja de que sea cual sea la secuencia binaria a transmitir, las corrientes eléctricas son iguales en un sentido o en el otro, es decir, el valor medio de la señal en cada bit es cero (físicamente, se dice que la componente de continua se anula), lo que tiene ventajas eléctricas. Los niveles de tensión que se pueden encontrar en el cable de comunicaciones de una red Ethernet es de entre -0,85 voltios y +0,85 voltios, estando a 0voltios cuando no se está realizando ninguna comunicación.

© Julián A.

202/202

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

La norma IEEE 802.3 define un modelo de red de área local utilizando el protocolo de acceso al medio CSMA/CD con persistencia de 1, es decir, las estaciones están permanentemente a la escucha del canal y cuando lo encuentran libre de señal efectúan sus transmisiones inmediatamente. Esto puede llevar a una colisión que hará que las estaciones suspendan sus transmisiones, esperen un tiempo aleatorio y vuelvan a intentarlo. Respecto a las características concretas de este estándar, entraremos en profundidad en otra UD de este mismo curso. 1.4.6 EL PROTOCOLO MODBUS Modbus es un protocolo de comunicación eutilizado en normas de comunicación serie, desarrollado por Modicon publicado por Modicon ® en 1979 para su uso con sus controladores lógicos programables (PLCs). En términos simples, es un método utilizado para la transmisión de información a través de líneas en serie entre dispositivos electrónicos. El dispositivo que solicita la información se llama el Modbus maestro (MTU) y los dispositivos de suministro de información son esclavos Modbus (RTU). En una red Modbus estándar, hay un maestro y hasta 247 esclavos, cada uno con una dirección de un esclavo único entre 1 y 247. El maestro también puede escribir información en los esclavos. Cada esclavo en una red se le asigna una dirección única unidad entre 1 y 247. Modbus es un protocolo abierto, lo que significa que es gratis para los fabricantes a construir a su equipo sin tener que pagar derechos de autor. Se ha convertido en un protocolo de comunicaciones estándar en la industria, y ahora es uno de los medios más comúnmente disponibles de la conexión de dispositivos electrónicos industriales. Se utiliza ampliamente por muchos fabricantes en muchas industrias. Modbus se utiliza normalmente para transmitir señales desde los dispositivos de instrumentación y control, a un controlador principal o sistema de recopilación de datos (por ejemplo, un sistema que mide la temperatura y la humedad y comunica los resultados a un ordenador, o un sistema de control en una planta industrial que es coordinado por un único PLC maestro de toso los demás). Modbus se utiliza también muy a menudo para conectar un ordenador de supervisión con una unidad terminal remota (esclavo - RTU) en los sistemas de adquisición de datos (SCADA) de control y de supervisión. Existen dos versiones del protocolo Modbus para normas de comunicación serie:  Modbus RTU (binario)  Modbus ASCII Asimismo, existe una versión para redes ethenrnet:  Modbus TCP. Para el caso de líneas de comunicación serie, la configuración más simple sería un único cable que conecta los puertos serie de dos dispositivos (un maestro y un esclavo) con un cable cruzado RS-232 por ejemplo. Los datos se envían como una serie de unos y ceros llamados bits. Cada bit se envía como una tensión. Los ceros se envían como voltajes positivos y queridos como un negativo. Los bits se envían muy rápidamente. Una velocidad de transmisión típica es de 9.600 baudios (bits por segundo). En el caso de necesitar conectar más de 2 dispositivos (1 maestros y varios esclavos), el conexionado físico a utilizar podría RS-485. 1.4.6.1 DIRECCIONAMIENTO MODBUS La información que se almacena en cada dispositivo esclavo Modbus, se hace en cuatro tablas diferentes. Dos tablas contienen información on / off (valores discretos o bobinas), y otras dos valores numéricos (registros). Las bobinas y los registros tienen cada uno una tabla de sólo lectura (entradas), © Julián A.

203/203

Documentos Alumnos

y de lectura-escritura (salidas). Cada tabla tiene 9999 valores.


Apuntes alumnos

En el caso de las bobinas, cada una tien una longitud de 1 bit y se les asignará una dirección de datos entre 0000 y 9998 (en hexadecimal 0000 y 270E). Para los registros, cada registro es 1 palabra = 16 bits (2 bytes) y también cuenta con direcciones entre 0000 y 9998 (en hexadecimal 0000 y 270E). Números para bobinas / Registros

Las direcciones de Datos (hexadecimal)

Tipo

1-9999 10.001-19999

0000 a 270E 0000 a 270E

Lectura-Escritura Sólo lectura

30001-39999

0000 a 270E

Sólo lectura

40.001 a 49.999

0000 a 270E

Lectura-Escritura

Nombre de la tabla Bobinas de salida discreta Bobinas de entrada discreta Registros de entradas analógicas Registros de salidas analógicas

La información que se envía entre los maestros y esclavos son direcciones de Datos (relativas), no las direcciones absolutas anteriores. Por ejemplo, el primer registro de salida (el número 40.001) tiene la dirección de datos 0000. La diferencia entre estos dos valores es el desplazamiento, de forma que la posición 1 de la tabla de bobinas o registros siempre corresponde con la dirección de datos 0000.

1.4.6.2 DIRECCIONAMIENTO MODBUS S7-200 Las operaciones para esclavos Modbus en el PLC S7-200, soportan las direcciones absolutas siguientes: DIRECCION ABSOLUTA

S7-200

00001 a 000128

Salidas digitales asignadas a Q0.0 hasta Q15.7

10.001 a 10.128

30.001 a 30.032

40.001 a 4xxxx

© Julián A.

EJEMPLOS

000001  Q0.0 000002  Q0.1 000003  Q0.2 ... ... 000127  Q15.6 000128  Q15.7 010001  I0.0 010002  I0.1 010003  I0.2 Entradas digitales asignadas a I0.0 hasta I15.7 ... ... 010127  I15.6 010128  I15.7 030001  AIW0 Registros de 16 bits correspondientes a 030002  AIW2 entradas analógicas asignados a AIW0 hasta 030003  AIW4 AIW62 ... ... 030032  AIW62 040001  HoldStart (VW200 por ej) 040002  HoldStart+2 (VW202 por ej) Registros de retención de 16 bits asignados a la 040003  HoldStart+4 (VW204 por ej) memoria V. ... ... 04xxxx  HoldStart+2 x (xxxx1)

204/204

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

1.4.6.3 FUNCIONES MODBUS El protocolo Modbus tiene definidas una serie de funciones, que son las distintas órdenes que puede enviar un maestros a sus esclavos y que éstos están diseñados para responder. Las funciones que posee un protocolo están generalmente asociadas a un número. La lista completa de funciones del protocolo Modbus es: FUNCION

COD

DIRECCION ABSOLUTA

DIRECCION RELATIVA

DISPOSITIVO/DATO S

01 (01 hex)

00001 a 09999

0 a 9998

Bobinas o Relés de salida.

05 (05 hex)

00001 a 09999

0 a 9998

Entradas Discretas

Escribe múltiples Bobinas de salida 15 (0F hex) discreta Leer bobinas de entrada discreta 02 (02 hex)

00001 a 09999

0 a 9998 0 a 9998 0 a 9998

Registros de Entrada

04 (04 hex)

10.001 a 10.9999 30.001 a 39.999

03 (03 hex)

40.001 a 49.999

0 a 9998

Registros de Memoria

06 (06 hex)

40.001 a 49.999


16 (10 hex)

40.001 a 49.999

0 a 9998 0 a 9998

Leer Bobinas de salida discreta Escribir Bobina de salida discreta

Leer registros de entrada analógicas Leer registros de memoria Escribir registros de memoria Escribir múltiples registros memoria

de

Registros de Memoria Bobinas o Relés de salida.


El campo “dirección absoluta” es utilizado internamente por los equipos para identificar la zona de memoria en la que se encuentran almacenados los vavores correspondientes. El campo “dirección relativa” es el valor que realmente viaja dentro del paquete de datos que intercambian los equipos intervinientes. 1.4.6.4 Sincronización y Estrategias de Interrogación (Polling) La sincronización de la trama se establece limitando el intervalo de tiempo (silencio o “gap”) entre caracteres sucesivos dentro de una trama. Cada nuevo mensaje debe ir precedido de un silencio (“gap”) de al menos 3,5 caracteres. A partir de este momento se evían mensajes (o tramas) compuestas por varios caracteres. La capa física se encargará del envío de éstos caracteres de forma sucesiva (teniendo en cuenta un bit de arranque inicial, un bit de paridad y un bit de stop, etc). Toda la trama se trasmite en una continua transmisión de caracteres (bytes) según dicho esquema. Todas las estaciones remotas presentes en el sistema deben ser incluidas en las Tablas o Listas de Interrogación. El Servidor de Comunicación debe interrogar a la Remota basado en el órden establecido en la Lista de Interrogación. Esta Lista depende del sistema en particular, pero básicamente contiene los siguientes parámetros:     

Secuencia de Interrogación. Tiempo entre Interrogaciones (por unidad remota). Tiempo Cumplido entre Interrogaciones. Número de intentos de interrogación de unidades remotas. Estrategias de interrogación para unidades remotas con problemas de comunicaciones.

Cuando se programa la unidad maestra en el sistema Modbus, debe considerarse que ha ocurrido un error en la comunicación si no se recibe respuesta desde la RTU dentro de un tiempo razonable. Este retardo depende del tipo de mensaje, de la distancia, de la velocidad de transmisión, de las características de los transceptores (preámbulo, tiempo de alzada, etc.) y del período de interrogación o barrido. Este tiempo se fija como el tiempo cumplido (time-out) y se incluye en la secuencia de interrogación. © Julián A.

205/205


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

En el caso de que una estación esclava no responda a un comando, la estación maestra debe retransmitir el mensaje un cierto número de veces; este número es variable (también configurable en general). Si la falla continúa, la estación maestra anotará a la dirección de dicho esclavo en la lista de interrogación y continuará con la rutina de interrogación para unidades fuera de línea. Normalmente esta rutina consiste en interrogar a los esclavos “fallantes” una sola vez por ciclo de barrido, en vez de realizar el número de interrogaciones normal establecido en la lista de interrogación. Cada dispositivo de la red Modbus posee una dirección única. En general, sólo el dispositivo maestre de la red Modbus puede enviar órdenes Modbus. Cada comando Modbus contiene la dirección del dispositivo destinatario de la orden. Todos los dispositivos reciben la trama pero sólo el destinatario la ejecuta (salvo un modo especial denominado "Broadcast"). Los comandos básicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos registros. El protocolo Modbus posee dos formatos para el intercambio Maestra/Remota: uno es el formato general de trama y el otro es el formato para “respuestas excepcionales”. Se dice que una respuesta es excepcional cuando una remota responde que el mensaje recibido es ilegal, es decir, que es un error no atribuible al medio de transmisión.

Octetos → (bytes)

3,5

1

1

Variable

n x 1 byte

2

3,5

Figura 1-179 : Formato general de la trama en modo RTU 

Campo de Direcciones. En este campo se indica siempre la dirección del esclavo destinatario de la orden, sea en comando sea en respuesta. Si el maestro desea dirigirse simultáneamente a todos los esclavos, el campo de direcciones se pone en este protocolo a CERO (00H) (mensaje de difusión o de “Broadcasting”).

 Campo de Funciones. En este campo se indica a la RTU la función que debe ejecutar. (ver tabla de funciones y códigos en Modbus de la página anterior). La RTU responde con este mismo valor si la respuesta es normal; si la respuesta es excepcional, la RTU coloca un UNO en el bit más significativo (MSB) del Campo de Funciones de la respuesta.  Campo de Información. Este campo contiene la información que la RTU necesita para realizar la función específica requerida por la MTU, o la información requerida por la MTU en respuesta a una petición suya.  CRC. En este campo va una información que le permite a la MTU y RTU verificar si se ha producido errores en la transmisión. El error se recupera mediante retransmisión de la trama en error. Para la detección de errores Modbus utiliza el sistema CRC, utilizando como polinomio generador el CRC-16 : x16 + x15 + x2 + 1 1.4.6.5 EJEMPLOS

1.4.6.5.1

READ COIL STATUS (FUNCTION CODE FC = 01)

Ejemplo de petición del maestro MTU : 11 01 0013 0025 0E84 Puesto en forma de tabla: © Julián A.

206/206


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Dirección

Función

11H

01H

Información Bobina de partida (2 bytes) Número de bobinas (2 bytes) 0013H 0025H

CRC 0E84H

Cuyo significado es: 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 01: Código de la función leer bobina de salida (Read Coil Status) 0013: La Dirección de datos de la primera bobina de leer Bonina 20 (13 hex = 19 dec + 1 = 20 absoluta) 0025: El número total de bobinas solicitados. Desde la 20 a la 56 total 37 (25 hex) 0E84: El CRC (comprobación de redundancia cíclica) de este paquete. Ejemplo de respuesta de esclavo RTU : 11 01 05 CD6BB20E1B 45E6 Puesto en forma de tabla: Dirección

Función

11H

01H

Información Número de Octetos Estado de las bobinas (1 byte) (variable) 05H CD6BB20E1BH

CRC D049H

Cuyo significado es: 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 01: Código de la función leer bobina de salida (Read Coil Status) 05: Número de bytes a enviar (25 hex = 37 bobinas / 8 bits por byte  necesita 5 bytes) CD: bobinas 27-20 (1100 1101) 6B: Bobinas 35-28 (0110 1011) B2: Bobinas 43-36 (1011 0010) 0E: bobinas 51-44 (0000 1110) 1B: 3 a “0” y resto de bobinas 56 - 52 (0001 1011) 45E6: El CRC (comprobación de redundancia cíclica) de este paquete. Los bits más significativos contienen las variables de bobina más altos. Esto demuestra que la bobina 36 por ejemplo está apagado (0) y 43 está en (1). Debido al número de bobinas solicitados, el último campo de datos 1B contiene el estado de sólo 5 bobinas, siendo los tres bits más significativos en este campo de datos rellenados con ceros.

1.4.6.5.2

READ INPUT STATE (FC = 02)

Ejemplo de petición del maestro MTU : 11 02 00C4 0016 BAA9 Puesto en forma de tabla: Dirección

Función

11H

02H

Información Bobina de partida (2 bytes) Número de bobinas (2 bytes) 00C4H 0016H

CRC BAA9H

Cuyo significado es: 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) © Julián A.

207/207

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

02: El 00C4: 0016: BAA9:

Código de Función (Leer estado de entrada) Dirección de datos de la primera entrada para leer. (C4 hex = 196 dec + 10001 = 10197) El número total de bobinas solicitados. (16 hex = 22 dec, desde la 10197 a 10218) El CRC (comprobación de redundancia cíclica) para la comprobación de errores.

Ejemplo de respuesta de esclavo RTU : 11 02 03 ACDB35 2018 Puesto en forma de tabla:

Dirección

Función

11H

02H

Información Número de Octetos Estado de las bobinas (1 byte) (variable) 03H ACDB35H

CRC 2018H

Cuyo significado es: 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 02: El Código de Función (Leer estado de entrada) 03: El número de bytes de datos a seguir (22 entradas / 8 bits por byte = 3 bytes) AC: Entradas discretas 10204 -10197 (1010 1100) DB: Entradas discretas desde 10.212 hasta 10.205 (1101 1011) 35: : 2 a “0” y resto de entradas 56 - 52 10218-10213 (0011 0101) 2018: El CRC (comprobación de redundancia cíclica). Los bits más significativos contienen las entradas discretas más altos. Esto demuestra que la entrada de 10.197 está apagado (0) y 10.204 se encuentra en (1). Debido al número de entradas solicitadas, el último campo de datos 35 contiene el estado de sólo 6 entradas. Los dos bits más significativos en este campo de datos se rellenan con ceros.

1.4.6.5.3

LEER REGISTROS DE MEMORIA (FC = 03)

Ejemplo de petición del maestro MTU : 11 03 0003 006B 7687 Puesto en forma de tabla: Dirección

Función

11H

03H

Información Bobina de partida (2 bytes) Número de bobinas (2 bytes) 0003H 006BH

CRC 7687H

Cuyo significado es: 11:La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 03: El Código de Función (leer registros de salidas analógica) 006B: La Dirección de datos del primer registro solicitado. (40.108-40.001 = 107 = 6B hex) 0003: El número total de registros solicitados. (Leer 3 registros 40.108 hasta 40.110) 7687: El CRC (comprobación de redundancia cíclica) para la comprobación de errores.). Ejemplo de respuesta de esclavo RTU : 11 03 06 5652 4340 AE41 49AD Puesto en forma de tabla: © Julián A.

208/208


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Dirección

Función

11H

03H

Información Número de Octetos Estado de las bobinas (1 byte) (variable) 06H 56524340AE41H

CRC 2018H

Cuyo significado es: 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 03: El Código de Función (leer registros de las explotaciones de salida analógica) 06: El número de bytes de datos a seguir (3 registros x 2 bytes cada uno = 6 bytes) AE41: El contenido de registro 40108 5652: El contenido de registro 40109 4340: El contenido de registro 40110 49AD: El CRC (comprobación de redundancia cíclica).

1.4.6.5.4

LEER REGISTROS DE ENTRADAS ANALÓGICAS (FC = 04)

Ejemplo de petición del maestro MTU : 11 04 0008 0001 B298 Puesto en forma de tabla: Dirección

Función

11H

04H

Información Bobina de partida (2 bytes) Número de bobinas (2 bytes) 0008H 001H

CRC B298H

Cuyo significado es: 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 04: El Código de Función (leer registros de entrada analógica) 0008: La Dirección de datos del primer registro solicitado. (30.009-30.001 = 8 en S7-200  AIW10) 0001: El número total de registros solicitados. (Leer 1 registro) B298: El CRC (comprobación de redundancia cíclica) para la comprobación de errores. Ejemplo de respuesta de esclavo RTU : 11 04 02 000A F8F4 Puesto en forma de tabla:

Dirección

Función

11H

04H

Información Número de Octetos Estado de las bobinas (1 byte) (variable) 02H 000AH

CRC F8F4H

Cuyo significado es: 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 04: El Código de Función (leer registros de entrada analógica) 02: El número de bytes de datos a seguir (1 registros x 2 bytes cada uno = 2 bytes) 000A: El contenido de registro 30009 F8F4: El CRC (comprobación de redundancia cíclica). © Julián A.

209/209

Documentos Alumnos

1.4.6.5.5

FUERZA SINGLE COIL (FC = 05)


Apuntes alumnos

Solicitud Maestro: 11 05 00AC FF00 4E8B Este comando está escribiendo el en el dispositivo esclavo con la dirección 17.

contenido

de

bobina

discreta

#

173

en

ON

11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 05: El Código de Función (Fuerza Single Coil) 00AC: la dirección de datos de la bobina. (Bobina nº 173 - 1 = 172 = hex AC) FF00: El estado de escribir (FF00 = ON, 0000 = OFF) 4E8B: El CRC (comprobación de redundancia cíclica) para la comprobación de errores. Respuesta esclavo RTU: 11 05 00AC FF00 4E8B La respuesta normal es un eco de la consulta, devuelto después de la bobina ha sido escrito. 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 05: El Código de Función (Fuerza Single Coil) 00AC: la dirección de datos de la bobina. (Bobina nº 173 - 1 = 172 = hex AC) FF00: El estado escrito (FF00 = ON, 0000 = OFF) 4E8B: El CRC (comprobación de redundancia cíclica) para la comprobación de errores.

1.4.6.5.6

PREDETERMINAR REGISTRO ÚNICO (FC = 06)

Solicitud Maestro MTU : 11 06 0001 0003 9A9B Este comando está escribiendo el contenido de la salida analógica de registro de retención # 40002 al dispositivo esclavo con dirección 17. 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 06: El Código de Función (Preset Registro Único) 0001: La Dirección de datos del registro. (# 40.002 a 40001 = 1) 0003: El valor de escribir 9A9B: El CRC (comprobación de redundancia cíclica) para la comprobación de errores. Respuesta esclavo RTU : 11 06 0001 0003 9A9B La respuesta normal es un eco de la consulta, regresó después el contenido del registro se han escrito. 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 06: El Código de Función (Preset Registro Único) 0001: La Dirección de datos del registro. (# 40.002 a 40001 = 1) 0003: El valor escrito 9A9B: El CRC (comprobación de redundancia cíclica) para la comprobación de errores.

1.4.6.5.7 © Julián A.

FORZAR BOBINAS MÚLTIPLES (FC = 15)

210/210

Documentos Alumnos

Solicitud: 11 0F 0013 000A 02 CD01 BF0B


Apuntes alumnos

Este comando está escribiendo el contenido de una serie de 10 bobinas discretas de # 20 a # 29 al dispositivo esclavo con dirección 17. 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 0F: El código de función (Fuerza Coil múltiple, 15 = 0F hex) 0013: La Dirección de datos de la primera bobina. (Bobina # 20 - 1 = 19 = 13 hex) 000A: El número de bobinas a escrito (10 = 0A hex) 02: El número de bytes de datos a seguir (10 bobinas / 8 bits por byte = 2 bytes) CD: bobinas 27-20 (1100 1101) 01: 6 titulares y Bobinas espacio 29 - 28 (0000 0001) BF0B: El CRC (verificación de redundancia cíclica) para la comprobación de errores. Los bits más significativos contienen las variables de bobina más altos. Esto demuestra que la bobina 20 está en (1) y 21 está en OFF (0). Debido al número de bobinas solicitados, el campo de datos 01 última contiene el estado de sólo 2 bobinas. Los bits no utilizados en el último byte de datos se rellenan con ceros. Respuesta : 11 0F 0013 000A 2699 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 0F: El código de función (Fuerza Coil múltiple, 15 = 0F hex) 0013: La Dirección de datos de la primera bobina. (Bobina # 20 - 1 = 19 = 13 hex) 000A: El número de bobinas a escrito (10 = 0A hex) 2699: El CRC (comprobación de redundancia cíclica) para la comprobación de errores.

1.4.6.5.8

PREDEFINIDOS DE MÚLTIPLES REGISTROS (FC = 16)

Solicitud: 11 10 0001 0002 04 0102 000A C6F0 Este comando está escribiendo el contenido de dos salidas analógicas registros de mantenimiento # 40002 y 40003 para el dispositivo esclavo con la dirección 17. 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 10: El Código de función (PRESET MULTIPLE Registros 16 = 10 hex) 0001: La Dirección de datos del primer registro. (# 40.002 a 40001 = 1) 0002: El número de registros de escribir 04: El número de bytes de datos a seguir (2 registros x 2 bytes cada uno = 4 bytes) 000A: El valor a escribir en el registro 40.002 0102: El valor a escribir en el registro 40.003 C6F0: El CRC (comprobación de redundancia cíclica) para la comprobación de errores. Respuesta : 11 10 0001 0002 1298 11: La Dirección del esclavo (17 = 11 hex) 10: El Código de función (PRESET MULTIPLE Registros 16 = 10 hex) 0001: La Dirección de datos del primer registro. (# 40.002 a 40001 = 1) 0002: El número de registros escritos. 1298: El CRC (comprobación de redundancia cíclica) para la comprobación de errores.

© Julián A.

211/211

Documentos Alumnos

1.4.6.6 MODBUS ASCII vs MODBUS RTU


Apuntes alumnos

1.4.6.6.1

DELIMITACIÓN MENSAJE

En Modbus RTU, los bytes se envían consecutivamente sin espacio entre ellas con un espacio de carácter 3-1/2 entre los mensajes de un delimitador. Esto permite que el software para saber cuándo un nuevo mensaje se está iniciando. Cualquier retraso entre los bytes causará Modbus RTU de interpretar como el comienzo de un nuevo mensaje. Esto mantiene Modbus RTU funcione correctamente con los módems. Modbus ASCII marca el inicio de cada mensaje con un carácter de dos puntos ":" (3A hex). El final de cada mensaje se termina con el retorno de carro y caracteres de avance de línea (hex 0D 0A y). Esto permite que el espacio entre los bytes a ser variable por lo que es adecuado para la transmisión a través de algunos módems.

1.4.6.6.2

BYTE TAMAÑO

En Modbus RTU, cada byte se envía como una cadena de 8 caracteres binarios enmarcadas con un bit de inicio, y un bit de parada, haciendo que cada byte 10 bits. En Modbus ASCII, el número de bits de datos se reduce de 8 a 7. Un bit de paridad se añade antes de que el bit de parada que mantiene el tamaño en bytes real en 10 bits.

1.4.6.6.3

DIVIDIR BYTES DE DATOS

En Modbus ASCII, cada byte de datos se divide en los dos bytes que representan los dos caracteres ASCII en el valor hexadecimal. Por ejemplo, Modo Modbus

datos (ASCII)

Modbus RTU

®

Modbus ASCII

A, E

datos (hex) AE 41, 45

de datos (binario) 1010 1110 100 0001, 100 0101

El rango de bytes de datos en Modbus RTU puede ser cualquier carácter de 00 a FF. El rango de bytes de datos de Modbus ASCII representan solamente los 16 caracteres hexadecimales. Por lo tanto, cada byte de datos en Modbus ASCII debe ser uno de estos 16: ASCII

Hex

binario

ASCII

Hex

binario

0

30

011 0000

8

38

011 1000

1

31

011 0001

9

39

011 1001

2

32

011 0010

La

41

100 0001

3

33

011 0011

B

42

100 0010

4

34

011 0100

C

43

100 0011

5

35

011 0101

D

44

100 0100

6

36

011 0110

E

45

100 0101

7

37

011 0111

F

46

100 0110

© Julián A.

212/212

Documentos Alumnos

1.4.6.6.4

ERROR DE SUMA DE COMPROBACIÓN – CÁLCULO DEL LRC


Apuntes alumnos

Como se mencionó anteriormente, cada mensaje Modbus RTU es terminar con dos bytes de comprobación de errores denominado CRC o comprobación de redundancia cíclica. Del mismo modo, Modbus ASCII se termina con un byte de comprobación de errores llamado LRC o Longitudinal Redundancy Check. El cálculo del LRC es mucho más fácil que el CRC. Para el cálculo del LRC: 1.

Sume todos los bytes de datos en el mensaje (antes de convertir a ASCII y sin los dos puntos iniciales y finales CR / LF). 2. Trunque cualquier resto que llevan más de 8 bits. 3. Hacer que el resultado negativo (complemento a 1+1 o sea complemento a 2) para conseguir el octeto LRC. La suma de la secuencia de bytes resultante con el CRA será entonces 0 desde la adición de la subtotal negativa hará que el cero final total. Por ejemplo, este comando muestra los bytes de datos necesarios para solicitar el contenido del holding salida analógica registra desde 40108 hasta 40110 desde el dispositivo esclavo con la dirección 17 decimal 11 03 00 6B 00 03 Añadir los bytes: decimal

Hex

binario

17

11

0001 0001

3

03

0000 0011

0

00

0000 0000

107

6B

0110 1011

0

00

0000 0000

3

03

0000 0011

Total: Suma decimal

130

Suma Hex

Suma binario

82

1000 0010

Complemento a 2 (hacer negativo) para obtener el LRC Decimal

-130

Hex

binario

7E

0111 1110

El LRC byte es 7E El byte de LRC se divide entonces en dos bytes ASCII con el resto de los datos. Los dos bytes ASCII para el LRC son entonces de 37 y 45 (el “7” es 55dec o 37 hex y la “E” 69 dec o 45 hex)

1.4.6.6.5 © Julián A.

ASCII vs RTU EJEMPLO:

213/213

Documentos Alumnos

Usando el mismo ejemplo anterior para solicitar registros de 40.108 hasta 40.110 de dirección del esclavo 17.


Apuntes alumnos

11 03 00 6B 00 03 La solicitud ASCII completo se hace agregando primero los caracteres delimitadores de mensajes. Los dos puntos se añade al principio del mensaje, se añaden el LRC, retorno de carro y avance de línea al final: : 1 1 0 3 0 0 6 B 0 0 0 3 7 E CR LF Cada símbolo ahora se trata como un carácter ASCII y se reemplaza por su valor hexadecimal para dar el mensaje final. 3A 3131 3033 3030 3642 3030 3033 3745 0D 0A Este ASCII tamaño de la petición Modbus es 17 bytes (170 bits) ............... El mensaje Modbus RTU equivalente sería: 11 03 00 6B 00 03 76 87 El tamaño de la petición Modbus RTU es de 8 bytes (80 bits)

1.4.6.7 MODBUS TCP / IP

1.4.6.7.1

TCP / IP

TCP es el Protocolo de Control de Transmisión y Protocolo de Internet IP. Estos protocolos se utilizan juntos y son el protocolo de transporte para la internet. Cuando la información modbus se envía utilizando estos protocolos, los datos se pasan a TCP en el que se adjunta la información adicional y la posibilidad de IP. IP y luego coloca los datos en un paquete (o datagramas) y lo transmite. TCP debe establecer una conexión antes de la transferencia de datos, ya que es un protocolo basado en la conexión. El maestro (o cliente de Modbus TCP) establece una conexión con el esclavo (o Server). El servidor espera una conexión entrante desde el cliente. Una vez que se establece una conexión, el servidor responde entonces a las consultas del cliente hasta que el cliente cierra la conexión.

1.4.6.7.2

MODBS RTU SOBRE TCP

En pocas palabras, se trata de un mensaje Modbus RTU que se transmite encapsulado de TCP / IP y la envía a través de una red ethernet en lugar de a líneas serie. El servidor no tiene SlaveID ya que utiliza una dirección IP en su lugar. Las principales diferencias entre Modbus RTU y Modbus TCP se describen aquí.

1.4.6.7.3

ADU y PDU

Aparte de las diferencias principales entre serie y conexiones de red mencionados anteriormente, hay algunas diferencias en el contenido del mensaje. Comenzando con el mensaje © Julián A.

214/214

Documentos Alumnos

Modbus RTU y la eliminación de la SlaveID desde el principio y la CRC a partir de los resultados finales en la, Unidad de Datos de Protocolo PDU.


Apuntes alumnos

He aquí un ejemplo de una petición Modbus RTU del contenido de salidas analógicas registros de mantenimiento # 40108 a 40110 del dispositivo esclavo con la dirección 17. 11 03 0003 006B 7687 11: La Dirección SlaveID (17 = 11 hex) 03: El Código de Función (leer registros de las explotaciones de salida analógica) 006B: La Dirección de datos del primer registro solicitado. (40.108-40.001 = 107 = 6B hex) 0003: El número total de registros solicitados. (Leer 3 registros 40.108 hasta 40.110) 7687: El CRC (comprobación de redundancia cíclica) para la comprobación de errores. Extracción de la SlaveID y CRC da la PDU: 03 006B 0003

1.4.6.7.4

MBAP HEADER

Una nueva cabecera 7-byte de la cabecera de llamada MBAP (Modbus Cabecera de aplicación) se añade al principio del mensaje. Esta cabecera tiene los siguientes datos:  Transacción Identificador: 2 bytes establecidos por el cliente para identificar de forma única cada solicitud. Estos bytes son repetidas por el servidor, ya que sus respuestas no se pueden recibir en el mismo orden que las peticiones.  Protocolo de identificación: 2 bytes establecidos por el cliente, siempre = 00 00  Duración: 2 bytes que identifican el número de bytes en el mensaje de seguir.  Identificador de la unidad: 1 byte establecido por el cliente y el eco en el servidor para la identificación de un esclavo remoto conectado a una línea serie o a otros buses.

Figura 1-180 : MBAP Header

1.4.6.7.5

RESUMEN

La solicitud equivalente a este Modbus RTU ejemplo : 11 03 0003 006B 7687 en Modbus TCP es: : 0001 0000 0006 11 03 006B 0003 Con el siguiente significado: 0001: Identificador de Transacción 0000: Protocolo de identificación © Julián A.

215/215

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

000 6: Mensaje Longitud (6 bytes a seguir) 11: El identificador de la unidad (17 = 11 hex) 03: El Código de Función (leer registros de las explotaciones de salida analógica) 006B: La Dirección de datos del primer registro solicitado. (40.108-40.001 = 107 = 6B hex) 0003: El número total de registros solicitados. (Leer 3 registros 40.108 hasta 40.110)

Figura 1-181 : Wrapper TCP / IP

© Julián A.

216/216


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

CAPÍTULO 2 – REDES DE ÁREA LOCAL (L.A.N)

© Julián A.

217/217

Documentos Alumnos

2.1 INTRODUCCIÓN


Apuntes alumnos

2.1.1 CONSIDERACIONES INICIALES

Las redes de área local (Local Area Networtk  LAN ) se distinguen de las redes de área extensa (WAN), o de las redes MAN (redes de área metropolitana), en la extensión geográfica de las mismas. Las LAN afectan en general a un área reducida (empresa, oficina, etc). Las redes MAN se extienden en general a un área metropolitana (redes de empresas que aarcan ciudades enteras, grandes compañías multinacionales que abarcan muchas plantas u oficinas, etc). Las redes WAN son redes mundiales (por ejemplo Internet). -

LAN (Local Area Network)

Son redes de pequeña extensión, donde el usuario es el dueño de la red con velocidades de 1 a 100 Mbps -

MAN (Metropolitan Area Network)

Son redes de mayor extensión, dan servicio a múltiples usuarios, se extiende dentro del área metropolitana.

-

WAN (Wide Area Network)

Son redes de gran extensión, dan servicio a múltiples usuarios, atraviesan incluso países. Un ejemplo de red pública es Internet.

-

VPN (Virtual Private Network)

Conocidas como Intranet. Son redes de gran extensión, donde los usuarios aprovechan los recursos de Internet. Utilizan medidas de seguridad para establecer conexiones privadas. Por ejemplo la Intranet de una empresa con sedes en varias ciudades.

© Julián A.

218/218

Documentos Alumnos

2.1.2 TOPOLOGÍAS


Apuntes alumnos

La topología es la forma de disponer o interconectar las estaciones para hacer la correspondiente red local.. Las más utilizadas en redes locales son: La topología se refiere tanto a la forma geométrica de la situación de los componentes de la red - estaciones

- como a la conexión del cableado para establecer la comunicación. Todas las estaciones quedan conectadas a la red, y según la forma de conexión aparecen diferentes formas, que en su conjunto definen la topología de la red. Antes de presentar sus tipos y características, indicaremos que la elección de cada una de las topologías influye en el flujo de la información. También en el control de la red (centralizado o distribuido), visto como la forma de asignar el medio y la comunicación, etc. Así, pues, a medida que avance el capítulo iremos haciendo mención a las topologías presentadas. También influyen en la forma en que se puede expandir y actualizar (incorporar nuevas estaciones la red) y en el coste final de la misma. 2.1.3 TOPOLOGÍA EN BUS Y EN ÁRBOL

La topología en bus consiste en conectar todas las estaciones a un bus común. La ventaja de esta topología es que no necesitan estar conectadas todas las estaciones a la red. Por otra parte es muy fácil incrementar o decrementar el número de estaciones de la red. Los paquetes de la red llegan a todas las estaciones, y ellas deben recoger sólo los que son para ellas. Todas las estaciones se conectan a un único medio de transmisión. Los paquetes (lo que son las tramas de bits) se transmiten por todo el canal. Esto obliga a que en cada estación se puedan resolver los aspectos de identificación, bien por software o por la tarjeta o dispositivo interfaz de red. Como la transmisión es bidireccional precisa puntos de terminación o terminadores de red, para evitar la reflexión de las ondas transmitidas y mantener la impedancia característica de la línea.

Figura. Topología en bus. Las estaciones se conectan al cable. Esta conexión recuerda a una T. La línea aparece en un extremo y se bifurca: hacia la estación del punto de conexión y hacia la siguiente estación.

© Julián A.

219/219

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Esta topología fue ampliamente utilizada en el inicio de uso de las redes LAN. Para su realización física se utilizaba cable coaxial como elemento de interconexión, y conectores BNC en T para cada uno de los equipos que se unían al bus. En los extremos del bus (en general en el extremo libre de las T extremas), se conectaban resistencias terminadores de valor igual a la resistencia de la línea (típicamente 50).

El bus recibe el nombre de canal de difusión. Mediante derivaciones se van incorporando estaciones a la red. La distancia entre estaciones se ve afectada por la velocidad de la transmisión. El fallo producido en el bus o canal de difusión, afecta a todas las estaciones. El fallo de una estación sólo afecta a la estación en cuestión, y a todas las comunicaciones en las que aquélla se ve involucrada. Este tipo de red se utiliza cuando tienen poca carga, es de fácil expansión, utilizando derivadores, para ampliar las ramas, lo que permite la ampliación de las distancias de comunicación. También usan amplificadores y repetidores. Podemos ver una red en árbol como un conjunto de redes en bus, que derivan de un bus principal o difusión. La configuración de este tipo se denomina red en árbol. Cada red derivada se denomina rama. Y así la red está dividida en ramas. Esto puede verse también como segmentos de red, que aparecen en las diferentes derivaciones en T que producen.

Figura. Superior: Topología en árbol, generalización de la topología bus. La parte inferior representa un bus lineal, con distintos segmentos.

La topología en árbol aparece como desarrollo de la interconexión de varias topologías en estrella. Esta topología en árbol es utilizada para la instalación de redes en edificios, en las que cada rama es un segmento de la red, que se corresponde con una de las plantas. Las distancias que ofrecen los fabricantes actualmente son de 400 m por segmento. La distancia total puede ser de una decena de kilómetros, utilizando fibra óptica como medio de transmisión. © Julián A.

220/220

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

2.1.4 TOPOLOGÍA EN ESTRELLA

En la topología de este tipo, cada estación está conectada a un elemento central. Se establecen así dos enlaces punto a punto, en cada estación, y para cada uno de los sentidos de la comunicación con el elemento central. Incluso cada estación puede trabajar por un medio de transmisión (medio y velocidad) distintos, si puede soportarlo el sistema de¡ nodo central. Se puede trabajar de dos formas en este tipo de topología. Por un lado, podemos realizar la comunicación entre estaciones pasando por el elemento central, actuando como una red de conmutación de circuito. Por otro lado, se puede utilizar el nodo central como elemento de difusión de información. Esta última la recibe de una estación emisora, y realiza la difusión al resto de estaciones conectadas, actuando de forma similar a la topología en bus, y si se compone de más elementos, actúa como un árbol. Una ampliación de la red no paraliza la misma

Figura. Topología en estrella. Un nodo central coordina y permite la comunicación entre las estaciones.

En este caso, el control de la red se establece:   

Por el nodo central que actúa como retransmisión de paquetes a las estaciones destino. El control puede establecerse en otra de las estacione externas no en la central. Puede estar distribuido entre todas las estaciones. La estación central actúa como elemento de arbitraje para las conexiones entre estaciones, y como retransmisor de paquetes a las estaciones destino.

La conexión en estrella descarga de las estaciones parte la resolución de los problemas de la red y los traslada a estación central. Como puede deducirse, el inconveniente este tipo de redes es que si falla la estación central, falla toda la red. Por otro lado, la carga que debe soportar la misma, disminuye la velocidad de la red. Por otro lado la necesidad de conexiones a la estación central, conlleva gran cantidad de cableado, lo que dificulta y encarece la instalación y la actualización de la red, por inserción de nuevos componentes, es decir, la expansión de la red. Esta red es la adecuada para los casos en los que se deben conectar muchas estaciones a una sola. Proporciona muchas pistas para resolver problemas en la red, facilitando la localización de averías. © Julián A.

221/221

Documentos Alumnos

Además permite la desconexión o avería de estaciones y continuar la comunicación con el resto. Incluso las conexiones físicas se podrían realizar en distintos tipos de medios de transmisión.


Apuntes alumnos

No es el tipo de red o topología utilizado en redes de área local (LAN). 2.1.5 TOPOLOGÍA EN ANILLO

Consiste en conectar todas las estaciones a un nodo común, conocido con el nombre de concentrador, Hub, Switch, Router, Gateway, etc. Esta topología es una variante de la topología en bus, el concentrador se encarga de conmutar los datos entre las distintas estaciones. Dependiendo del elemento utilizado como nodo (Hub, Router...) los datos llegan a todas o sólo a la estación adecuada, con el consiguiente ahorro de ancho de banda de datos para el resto de estaciones.. En la actualidad es el sistema más extendido. Un inconveniente de esta topología es que si una estación se avería la red deja de funcionar adecuadamente. Si cerramos los dos extremos de una red en bus, tenemos una conexión en anillo. La conexión y comunicación se establece entre estaciones contiguas, y punto a punto. Los paquetes de información viajan por el anillo formado, y en un sentido o dirección. Los paquetes salen de la estación origen o emisora, y se van repitiendo de estación en estación, hasta llegar a la estación receptora. Las estaciones necesitan un sistema de identificación, y han de detectar si el paquete que recibe se debe retransmitir y obviar, o aceptar y pasarlo por la pila de protocolos para su procesamiento. La interfaz de red, para el caso de topología en anillo, dispone además de una característica que permite el reenvío automático de la información. Esto permite que la información viaje por el anillo, hasta que al pasar por la estación receptora, llega o vuelve a la estación emisora, se anula y no se retransmite a la siguiente. Los dispositivos encargados de esta tarea son los repetidores. Además proporcionan el punto de acceso al medio. Hoy en día existen LAN en anillo, con dos sentidos de flujo de la información, lo realizan por medio de dos canales de transmisión, uno para cada sentido. Una ampliación de la red paraliza la mima.

Figura. Topología en anillo. Detalle equipos MAU o MSAU (MultiStation Access Units) para conexión en anillo

Dado que todos los elementos tienen acceso al medio, se ""debe garantizar la equidad del mismo, para que todas las estaciones dispongan de las mismas posibilidades de comunicación. La red no depende de un nodo o estación central. El índice de errores es pequeño, dado que los enlaces son © Julián A.

222/222

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

punto a punto. Como el enlace punto a punto se establece entre estaciones contiguas, al insertar nuevas estaciones o reconfigurar la red, se deben tener presentes las estaciones y el punto en el que se desea introducir la nueva estación. Las estaciones se conectan formando un anillo donde ningún nodo controla totalmente el acceso al medio.

-

Sus principales características son:  



El cable forma un doble anillo de seguridad con sentidos opuestos. Todos los ordenadores que forman parte de la red se conectan a ese anillo a través de las MSAU o MAU (Multistation Access Unit: Unidad de Acceso de Múltiples Estaciones). El cableado suele ser par trenzado o fibra óptica (FDDI). Habitualmente las redes en anillo utilizan corno método de acceso al medio el modelo «paso de testigo» definido por el IEEE 802.5

Los principales inconvenientes son los siguientes:

 

Es más compleja de instalar debido al cableado. Requiere un mayor mantenimiento que el resto.

La ventaja es que si se rompe el enlace entre dos MAU, éstas conmutan automáticamente habilitando el anillo de seguridad, con lo que el tráfico en la red puede continuar de manera transparente (Fig. 14.4).

© Julián A.

223/223

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

2.1.6 OTRAS TOPOLOGÍAS. TOPOLOGÍA FÍSICA Y TOPOLOGÍA LÓGICA

Una de las primeras observaciones que podemos hacer sobre las topologías es la gran derivación de distintas redes que se pueden detener utilizando mezcla o subtipos de las topologías básicas. La primera que hemos encontrado es la de tipo árbol. De un bus central, hemos obtenido derivaciones. En realidad según la conexión del cableado y la distribución de las estaciones, se pueden utilizar pocas variaciones más. Existen diferentes tipos de topologías, que se basan en los ti . pos básicos ya mencionados. Son redes que utilizan un modo de comunicación distinto al que sería lógico utilizar por su topología de conexión. Es decir, físicamente o desde el punto de vista de la conexión se establece un tipo de topología de la red, pero desde el punto de vista de los métodos de transmisión de las tramas de datos y resolución de problemas, se realizan como otro de los tipos básicos. Para conseguir estos tipos de topología se utilizan dispositivos específicos (más utilizados: repetidores, concentradores - Hubs - y puentes -Bridges -), que incluso incluyen cierto grado de computación o bien simplemente retransmiten las señales a otros segmentos de la red. Estos dispositivos serán tratados más adelante, aquí los introduciremos desde un punto de vista funcional. Así, pues, comentaremos brevemente los siguientes tipos de topologías mixtas:

• Estrella compuesta. En este caso nos encontramos con una estación central, que actúa como controlador de una red remota, o secundaria, también en estrella. • Bus-estrella. La inclusión de dispositivos repetidores tipo hub, permite la conexión de estaciones en topología física de estrella, realizando el denominado hub la concentración de las conexiones. El elemento hub recibe las conexiones de las estaciones, y actúa como repetidor de las mismas. Pero desde el punto de vista lógico, se trata de un bus. Al recibir la transmisión de una estación la retransmite al resto de las estaciones que tiene conectadas, produciéndose la difusión de la información a todas las estaciones. Además, al actuar como repetidor, permite aumentar las longitudes del medio de transmisión. • Bucle. En este tipo de red en anillo existe una estación especial de control del acceso a la red y de la resolución de conflictos en la misma. • Anillo-estrella. Se conserva la estructura lógica de la topología en anillo, de modo que los mensajes se pasan de una estación a otra, pero la conexión física es en estrella. Las estaciones se conectan a través de una unidad de acceso, realizando las tareas de nodo central en cuanto a la conexión física. Además, si una estación o segmento de cable falla, la unidad de acceso lo puede dejar fuera de servicio y continuar el anillo lógico con el resto de la red: estaciones y anillo. • Token-bus, Es utilizada por ejemplo en los buses industriales tipo profibus (se crea un anillo de maestros sobre un bus físico de comunicación.

Figura. Topología bus-estrella.

© Julián A.

224/224

Documentos Alumnos

Los niveles de protocolos OSI, que se incorporan en la LAN, tienen por función establecer la composición de la trama para su correcto tratamiento (envío y recepción) en la red.


Apuntes alumnos

Nivel físico:

Se encarga de Transmisión y recepción de bits, La codificación y decodificación de señales, La generación, inserción y eliminación de las cabeceras de sincronismo, etc.

En las redes LAN en general este nivel es el determinado por el estándar ethernet (802.3 si es cableado – ver apartado siguiente), con sus características (transmisión serie síncrona full duplex, balanceada) Nivel enlace de datos (LLC+MAC): La IEEE subdividió la capa de enlace de datos en dos subcapas:  

La subcapa LLC (Logical Link Control) o subcapa de control de enlace lógico La subcapa MAC (Media Access Control) o subcapa de control de acceso al medio

La subcapa LLC Fue creada con el propósito de proporcionar a las capas superiores (capa de red) una interfaz independiente de la tecnología empleada en la capa de enlace de datos y en la capa física. La subcapa MAC se encarga de la topología lógica de la red y del método de acceso a ésta. Cada tecnología de red tiene una subcapa MAC diferente. En la subcapa MAC residen las direcciones denominadas “direcciones MAC”. En conjunto, esta capa se encarga de:  Control de acceso al medio (MAC, Medium Acces Control)  Especificación de la estructura de la trama o tramas de datos.  Generación y composición de datos en tramas con e pos de direccionamiento y detección de errores.  Descomposición de tramas, reconocimiento de direcciones y detección de errores.  Control de acceso al medio de transmisión utilizado la red.  Control de enlace lógico (LLC, Logic Link Control):  Control del flujo de información: envío de tramas, espera y reconocimiento de las mismas.  Control de errores de las tramas y retransmisión.  Se encarga de mantener la comunicación orientada a conexión o no orientada a la conexión.

En las redes LAN, esto se realiza también a través del estándar ethernet (802.3 si es cableado), según las dos divisiones que se establecen a este nivel de enlace de datos (entre los que se reparten las tareas anteriormente citadas). Estos dos sub-niveles son:  

Acceso al medio de transmisión, cuyas siglas del inglés son MAC Control del enlace de datos, LLC.

Nivel de red (IP): Este nivel va a ser el encargado del encaminamiento a través de varias redes (es decir, jugará su papel fundamental cuando los mensajes (las tramas) deban abandonar la red local (LAN).. © Julián A.

225/225


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

En cuanto a IP (Internet Protocol) y TCP (Transport Control Protocol), se refieren a dos de las capas resueltas por la arquitectura de protocolos que predomina hoy en día en las redes de comunicaciones de datos. A ambos les hemos dedicado un apartado específico. Incluso, la denominación de cada unidad de datos es diferente, dependiendo del nivel en el que se genera la unidad de datos. Así:    

Datos: unidad de datos. Transporte(TCP): segmento. Red (IP): datagrama. Control del enlace de datos (LLC) y control del acceso al medio (MAC: trama.

2.1.7 ESTÁNDARES EN REDES DE ÁREA LOCAL

Los estándares internacionalmente reconocidos sobre de área local, son los publicados por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). No quiere esto decir todos los productos LAN que comercializan las grandes corporaciones sigan los documentos del IEEE al pie de la letra. Pero la normalización es un hecho y se intenta, como mínimo que los productos cohabiten con los modelos estándares. Los estándares se desarrollan por el comité 802, lo que origina el conjunto de normas IEEE 802. Éstas tienen su equivalente en el organismo internacional de normalización ISO 8802. Además, tienen como referencia la pila de protocolos abiertos definidos como OSI. Los comités se organizaron como sigue: Comité IEEE

Desarrolla

802.1

General, arquitectura, gestión, interconexión (puentes MAC).

802.2

802.3

Control del enlace lógico: Modos de conexión para el enlace de datos.

802.3a 802.3b … 802.3as

1985 1985

MAC, CSMA/CD, cables coaxial y trenzado. Banda base y ancha. Velocidades de 1 a 100 Mbps.

en proceso

802.4

Bus con paso de testigo (token bus). Cables coaxial y fibra óptica. Ancha. Velocidades de 1 a 20 Mbps.

802.5

Anillo con paso de testigo (token ring). Cable trenzado. Banda base. Velocidades de 4 o 16 Mbps.

802.6

Área metropolitana.

802.7

Redes locales en banda ancha.

802.8

Fibra óptica.

802.9

Voz y datos.

802.10

Seguridad.

802.11

Redes, inalámbricas wireless (WiFi). Modulación FSQ, PSK. Hasta 300 m.

802.12

Estrella en Malla, 100VG-AnyLAN, 100 Mbps y 4 pares trenzados.

Tabla. Comités IEEE 802.

© Julián A.

226/226


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

En cuanto a los estándares de redes locales industriales, existen en este momento diferentes sistemas, pero en estos tipos se deja sentir con más fuerza la incompatibilidad entre fabricantes. Según la zona geográfica de residencia dispondremos de elementos más o menos estandarizados, pero siempre existirán grandes marcas comerciales detrás de las mismas. En cuanto a la especificación de una red local industrial debe incluir las posibilidades de comunicación con los dispositivos de campo. Es decir, nos encontraremos con una especificación de bus de campo, en el plano de los dispositivos, que se incorporan en las máquinas de control de procesos. Encontraremos una red basada en los estándares de IEEE, generalmente situada en la gestión de la fábrica. Y, además, la especificación de una red en la que los ordenadores, A.P., control numérico y robots, pueden realizar todas las funcionalidades de las redes locales: comunicación y compartición de recursos. Y al mismo tiempo que los dispositivos realizan el intercambio las especificaciones, ya que los distintos niveles implican tipos de redes, y por tanto técnicas y medios de comunicación distintas entre sí. Además, para conseguir la denominación de estándar deben cumplir los requisitos que impone el sistema de referencia abierto OSI. Para ello, cada aspecto de la comunicación se resuelve en un nivel de referencia, similar al OSI de siete niveles, o al TCP/IP, de implantación real y reciente. Por ello podemos encontrar casos como: Niveles de protocolos OSI especificados

Nombre MAP Manufacturing Automation Protocol Industrial Ethernet Estándar europeo CAN Control Area Network

1,2,3,7

Estándares IEEE802.4

1,2,7

IEEE802.2 IEEE802.3 EN50170

2

IS011898

1,2,3,7

Tabla. Estándares de redes industriales abiertas.

El objetivo de este tipo de protocolos abiertos de red local es la integración de los tipos de red que se incorporan en las industrias, dentro de la pirámide de comunicaciones CIM. Mediante el uso de A.P. se consigue comunicar los niveles de mayor nivel, como el de información o de fábrica, con los de sensor/actuador o máquina. Así, pues, en el capítulo sobre buses de campo realizaremos la descripción de los tipos de redes industriales y sus especificaciones más importantes.

© Julián A.

227/227

Documentos Alumnos

2.2 CABLES Y CABLEADO ESTRUCTURADO


Apuntes alumnos

Se treta de distribuir a todas las estancias donde se necesiten, el cableado y los elementos necesarios para transmitir señales de voz, datos o imágenes. Elementos principales del cableado estructurado:

© Julián A.

228/228

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

2.3 FIBRA ÓPTICA La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un LED. Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio y superiores a las de cable convencional. Son el medio de transmisión por excelencia al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, también se utilizan para redes locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica sobre otros medios de transmisión. Dentro de los medio de transmisión de datos la fibra óptica pertenece a los medios denominados guiados, dado que la información que llevan, va a un lugar determinado que es elegido, a diferencia de los medios no guiados en los que la información se radia siendo casi imposible dirigir dicha información a un lugar concreto.

Medios de transmisión Guiados  Las señales están confinadas en el medio  Protección frente a interferencias  La potencia no se dispersa  Nexo físico entre emisor y receptor  Cables de cobre: señales eléctricas

No guiados  Las señales evolucionan “libremente” en el medio  Las señales tienden a dispersarse  Atenuación de las señales  Gran flexibilidad  Aire, agua, vacío Radiación

 Cables de fibra óptica: señales ópticas (luz) TX

Antena emisora

Antena receptora

RX

3

© Julián A.

229/229


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Características: La fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica que opera a frecuencias ópticas. Cada filamento de fibra consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y germanio) con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material similar (o sea, también o plástico o cristal), pero con un índice de refracción ligeramente menor. Cuando la luz llega a una superficie que limita con un índice de refracción menor, se refleja en gran parte, cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, se habla entonces de reflexión interna total. En el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro. De este modo, se pueden guiar las señales luminosas sin pérdidas por largas distancias. A lo largo de toda la creación y desarrollo de la fibra óptica, algunas de sus características han ido cambiando para mejorarla.

© Julián A.

230/230


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS

© Julián A.

231/231

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Comparación de fibras ópticas FIBRA MONOMODO

MULTIMODO DE INDICE GRADUAL

MULTIMODO DE SALTO DE INDICE

FUENTE

Láser

Láser o LED

Láser o LED

ANCHO DE BANDA

 3 GHz

200 MHz a 3 GHz

 200 MHz

CONEXIÓN

Difícil debido al núcleo pequeño

Difícil

Difícil

APLICACIÓN

Cables submarinos

Enlaces telefónicos entre centrales

Líneas de datos

COSTE

Menos costosa

Costosa

La más costosa 10

© Julián A.

232/232

Documentos Alumnos

2.3.1 TIPOS DE CONECTORES PARA FIBRAS ÓPTICAS


Apuntes alumnos

Existen muchos tipos, de los cuales en la actualidad los más utilizados son los conectores SC y los conectores ST.

Debe tenerse presente que para enlaces full duplex (802.8), deben ponerse las fibras por pares (una para transmitir y la otra para recibir).

Elementos de un enlace de fibra óptica Conectores

(SMA, ST, SC) i

i

LED o Láser

Fibra óptica

LED - Velocidades  50 Mbps - Económico - Estabilidad de funcionamiento - Amplio margen de temperaturas

Fotodiodo

Diodo Láser - Más de potencia que un LED - Más caros - Luz monocromática:  única

11 © Julián A.

233/233

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Transmisión de información por fibra  La transmisión de informaciones analógicas a través de fibra óptica se lleva a cabo mediante la digitalización y codificación de la información (modulación)

Emisor

. .. .

A/D

Receptor

Enlace Fibra óptica

COD

DEC

.. ..

D/A

Información recuperada

Driver

Información analógica

Pérdida de potencia en un enlace de fibra 13  Ejemplo: - Emisor: 120 W de luz,  = 820 nm

- Receptor: sensibilidad 1,5 W para fibra de 100/140 m - Fibra óptica: Atenuación = 4,3 dB/Km a  = 820 nm,  = 100 m - Conectores: atenuación máxima 1,5 dB

Potencia mínima recibida: 1,5 W

Potencia generada: 120 W

Pérdidas en el conector P C1

At,máx  10 log

120  Pc1 1,5  Pc 2

Atenuación

1,5dB  10 log

Pérdidas en el conector PC2

120  Pc1 120  PC1

1,5dB  10log

1,5  Pc 2  Pc 2 1,5 12

© Julián A.

234/234

Documentos Alumnos

2.4 TÉCNICAS DE ACCESO AL MEDIO EN REDES LAN.


Apuntes alumnos

El MAC es el mecanismo encargado del control de acceso de cada estación al medio de transmisión. El medio es la parte de la red por la que compiten todas las estaciones conectadas a la misma. El medio estará accesible por medio de:   

Puerto de comunicaciones, o reserva de recursos de la estación para las mismas. Protocolo físico de transmisión (RS422, RS485 o tarjeta conexión a la red). Conjunto de cables de conexión, o fibra óptica o radioenlaces.

Los dispositivos que están incluidos en la red, a medida que van accediendo y conectándose a la misma, van incorporando sus señales, eléctricas u ópticas, a los cables o líneas de transmisión. ¿Cómo se resuelve la interacción entre las señales, al mezclarse en un mismo cable? Habrá que decidirse por una estación. Lo ideal será disponer de un método de control que resuelva rápidamente y sea poco sensible a los fallos de las estaciones. También será deseable que la ampliación de la red no afecte mucho al sistema de control MAC. La cantidad de tráfico y la longitud de los mensajes a transmitir serán características propias de cada uno de los métodos. Si existen tramas de control de la red, el método de acceso debe ser capaz de asumir esta cantidad de tráfico añadida, o carga. Además, la posibilidad de espera puede ser interesante en algunos casos. Las técnicas de control de acceso al medio son asíncronas. Nos podemos encontrar los métodos siguientes: 

Centralizado: Polling o Sondeo



Distribuido: - Detección de colisión • Acceso múltiple por detección de portadora (CSMA). • Acceso múltiple por detección de portadora detección de colisiones (CSMA/CD). • Acceso múltiple por detección de portadora evitando colisiones (CSMA/CA). - Paso de testigo. • Testigo en bus (token bus). • Testigo en anillo (token ring).

Ethernet utiliza en su capa de enlace (subcapa denominada MAC o de control de acceso al medio), el método CSMA/CD (método de contienda distribuido). 2.4.1 CENTRALIZADO: SONDEO

Este tipo de control de acceso al medio no es utilizado en redes LAN, y si es muy utilizado en redes o buses Industriales donde el determinismo es fundamental (saber que los datos de cualquier estación va a tener tratamiento en menos de un tiempo determinado y concreto). El control es centralizado cuando lo realiza un control o estación central. La ventaja de este método es que proporciona control sobre prioridades y rechazo, y es capaz de ver colisiones entre estaciones de la misma prioridad, necesidad de mecanismos especiales. El inconveniente es que si falla la estación control puede fallar toda la red. Es utilizado en redes con topología bus y tipo de control principal/secundario -en algunos encontrará el lector maestro/esclavo, del inglés master/slave. El método más utilizado es polling o sondeo. Una estación principal realiza una "encuesta" mediante el envío de trama especial, cada cierto tiempo. © Julián A.

235/235

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Las demás estaciones responden en un orden, si es que en mensajes que transmitir. Además lo hacen en un o bien en un tiempo establecido. Se denomina tiempo de al tiempo necesario para interrogar a todas las estaciones secundarias. Si la estación secundaria (la que recibe la pregunta) tiene datos que transmitir entonces envía, simplemente, trama de control vacía. Así se realizan enlaces punto a entre la estación central y cada estación secundaria. Este método es muy utilizado en los niveles de comunicación industriales de máquina. En el caso de las redes local ser de difusión y multipunto, las estaciones pueden en tramas a otras estaciones, pero lo harán a través de la es maestro Resulta un método equitativo pues, en general, se encuesta a cada estación en cada ciclo de sondeo de la red. 2.4.2 DISTRIBUIDO: COLISIONES

El control también puede ser distribuido, si todas las estaciones cooperan para determinar cuál y cuándo puede a la red. Existen dos principios sobre los que se han desarrollado técnicas de control de acceso al medio distribuido, control de este tipo resuelve el intento de acceso de múltiples estaciones al medio de transmisión. 2.4.2.1 Detección por colisión

CSMA/CD, siglas que corresponden a Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (en español, "Acceso Múltiple con Escucha de Portadora y Detección de Colisiones"), es una técnica usada en redes Ethernet para mejorar sus prestaciones. Anteriormente a esta técnica se usaron las de Aloha puro y Aloha ranurado (ver final de este apartado), pero ambas presentaban muy bajas prestaciones. Por eso apareció primeramente la técnica CSMA, que fue posteriormente mejorada con la aparición de CSMA/CD Los métodos CSMA son métodos con detección de colisión. EN ellos, cada estación supervisa la línea continuamente, y espera a que ésta quede libre antes de intentar la transmisión. Si dos estaciones comienzan a transmitir al mismo tiempo, aparece la colisión. En este caso, las señales que se transmiten se distorsionan y producen componentes eléctricas que se interpretan erróneamente. Se denomina tiempo de propagación (T), al tiempo que tarda una señal en propagarse para comunicar los equipos más alejados del canal. Veamos la versión inicial de acceso múltiple por detección de portadora (CSMA). El principio es escuchar antes de hablar. © Julián A.

236/236

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

¿Cómo se resuelve la colisión? Una forma es que las estaciones dejan de transmitir, esperan un tiempo y vuelven a intentarlo. Otro método puede establecer un turno de acceso al medio. Una forma de evitar colisiones es coordinar la transmisión entre extremos, mediante la utilización de tramas adicionales de reconocimiento, ACK. Al enviar una o varias tramas (número finito), el emisor queda a la espera. El receptor, transmite una trama ACK, que indica al emisor que las tramas recibidas han llegado con éxito. Al recibir el ACK, el transmisor vuelve a enviar otra trama o grupo de tramas. Así, si a cada trama enviada - por el emisor - se le asigna un tiempo máximo para recibir la trama de reconocimiento -que envía el receptor -, se tendrá un criterio para reenviar las tramas no aceptadas, si expira dicho tiempo. Este método básico introduce carga en la red, debido a los reenvíos. Además los tiempos de espera hasta que dejan de retransmitir las estaciones simultáneamente, no está garantizado. Si la red es grande (número elevado de estaciones y distancia entre las mismas), la carga crece y las posibilidades de colisión también. Para evitar estos problemas se utilizan los métodos CSMA/CD y CSMA/CA.

Existen tres tipos de formatos de funcionamiento de CSMA/CD:  1-Persistent CSMA  Non-Persistent CSMA  P-Persistent CSMA La forma en la que funcionan es la siguiente: 1-Persistent CSMA  Cada estación "escucha" el medio, para ver si está ocupado, y sólo transmite si está libre. Si está ocupado espera escuchando de forma que comenzará la trasmisión cuando el canal que quede libre. Cuando se está transmitiendo, se hace un reconocimiento individual de cada trama, observándose el canal para descubrir si existe una colisión. En cuanto una estación detecta colisión deja de transmitir y envía un paquete jam. Jam es una señal enviada por una estación cuya trama (48 bits) informa a las demás para que dejen de transmitir, se espera un tiempo aleatorio tiempo aleatorio (back-off), tras el cual se vuelve a intentar la transmisión. El protocolo es llamado 1-persistente porque el equipo emisor transmite con una probabilidad de 1 siempre que encuentra libre el canal. Non-Persistent CSMA  La diferencia con el anterior (1-Persistent CSMA), es que cada estación "escucha" el medio, para ver si está ocupado, y en caso de estar ocupado, se espera un tiempo aleatorio para volver a escuchar si el canal sigue ocupado. Una vez se encuentre el canal libre, el resto del proceso es idéntico al descrito en el modo 1-Persistent CSMA. © Julián A.

237/237

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

P-Persistent CSMA  Cada estación "escucha" el medio, para ver si está ocupado. Si el medio está ocupado se espera un tiempo igual al tiempo de propagación del canal (T), para volver a escuchar el canal pasado dicho tiempo. Una vez el canal se encuentra libre, se comienza la transmisión con una probabilidad p determinada (es decir, si se establece p=0.5, la mitad de las ocasiones se comenzará la transmisión, y la otra mitad se continuará esperando otro tiempo T). Cuando se está transmitiendo, se hace un reconocimiento individual de cada trama, observándose el canal para descubrir si existe una colisión. En cuanto una estación detecta colisión deja de transmitir y envía un paquete jam. Jam es una señal enviada por una estación cuya trama (48 bits) informa a las demás para que dejen de transmitir, se espera un tiempo aleatorio tiempo aleatorio (back-off), tras el cual se vuelve a intentar la transmisión. El protocolo es llamado p-persistente porque el equipo emisior transmite con una probabilidad de p siempre que encuentra libre el canal.

Dado que el tiempo necesario para detectar una colisión en el peor caso (equipos extremos) es de 2T (siendo T el tiempo de propagación de la señal desde un extremo al extremo contrario), y teniendo en cuenta que dicho tiempo está definido por la norma como 51.2 seg, queda definida una distancia máxima permitida entre estaciones (nunca debe superar los 2500m). Si en número de colisiones sucesivas es de 16, se envía un error de transmisión a la capa de aplicación (mensaje de error). A

CSMA/CD em Redes Ethernet

B

1

A

B

2

A

colisión

B

A

back-off

B

3

4

En cuanto al acceso múltiple por detección de portadora evitando colisiones (CSMA/CA), aparece un esquema, dinámico o estático, de prioridades para transmitir. Si una estación detecta que el medio está libre, indica su intención de transmitir. Al encontrarse varias estaciones esperando, la transmisión se realiza en el orden que haya fijado el esquema de prioridades. Como se puede deducir, si no se fija un tiempo límite, las estaciones que no adquieran el medio en primer lugar, pueden apenas llegar a transmitir. A continuación se presenta una medición de los intentos de envío de paquetes según el esquema CSMA utilizado

© Julián A.

238/238

Documentos Alumnos

2.4.2.2 Aloha puro


Apuntes alumnos

Protocolo de comunicación que precede al CSMA/CD y que pertenece a la capa de enlace. Utilizado como Protocolo de Acceso Múltiple que se define por las siguientes características:    

Cuando algún host desea transmitir algo lo hace sin considerar el estado del medio. El emisor siempre escucha y se entera cuando su trama fue destruida. Al ocurrir colisiones se destruyen las tramas colisionadas que luego serán retransmitidas. A diferencia del Aloha ranurado no requiere sincronización en tiempo global, transmisión en tiempos aleatorios.

Con este sistema, las colisiones pueden sucederse en cualquier momento (tanto al inicio de una trama como al final, por lo que el tiempo de vulnerabilidad es elevado. 2.4.2.3 Aloha rasurado (slotter Aloha)

Para mejorar las prestaciones del Aloha puro, se definió Aloha ranurado (slotted) (Roberts 1972), con el mismo funcionamiento que Aloha, y con la única diferencia de que las estaciones sólo pueden transmitir en unos determinados instantes de tiempo o slots (tiempos coincidentes con el tiempo de transmisión del canal). De esta manera se disminuye el periodo vulnerable a t. Este sincronismo hace que cuando un equipo quiera transmitir debe esperar al inicio del nuevo periodo para hacerlo.

2.4.3 DISTRIBUIDO: PASO DE TESTIGO

Con este método se pone en circulación una trama especial que se transmite y recibe por todas las estaciones conectadas. Este paquete especial se denomina testigo (token). El testigo es una trama uniforme para todas las estaciones. Dispone de varios campos entre los que destacan: Campo Testigo libre u ocupado Dirección destino Dirección origen Aceptación o Reconocimiento Prioridad

Descripción El testigo está libre y puede ser utilizado por cualquier estación. O está ocupado, y debe retransmitirse si no es la estación destino. Del testigo, sólo se analiza si el testigo está ocupado. Del testigo, sólo se analiza si el testigo está ocupado. Indica que una trama ha sido aceptada sin errores. Por si hay que introducir dicho esquema de control. Tabla. Campos del testigo.

Este método de control de acceso al medio es aplicable tanto a topologías en bus como en anillo. © Julián A.

239/239

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

2.4.3.1 Testigo en anillo (token ring)

Se trata de un anillo por el que circula, en un sentido, un testigo similar al anterior. El testigo dispone de diversos campos de bits. Un bit indica si el testigo está libre o no. Si ninguna estación transmite, se retransmite el testigo y éste circula por el anillo. Cuando el testigo está libre, circulando por anillo, la estación que quiera transmitir modifica el bit del testigo, inserta información -en el campo de dirección y de datos - y lo retransmite a la siguiente estación. Al llegar el testigo a la estación destino, ésta extrae la información. Después copia el testigo, modifica un bit de aceptación de la trama recibida, y retransmite el testigo. La estación destino es ahora la misma que realizó la transmisión. Cuando este último vuelve a la estación que realizó la transmisión, ésta intentará enviar otra trama, realizando el mismo proceso. Esto lo podrá realizar si no ha expirado su tiempo, entonces el testigo se libera para ser utilizado por otra estación. Figura. Token ring. El testigo circula y vuelve a la estación de la que salió.

Al igual que en el caso de token bus, se requiere mantenimiento del anillo. Entre las diferentes funciones que aparecen: recuperación ante errores, iniciación del anillo, supervisión del testigo (para evitar que quede uno flotante, ante la desaparición de una estación destino y fallo de la temporización). Normalmente existe una estación que actúa como monitor de la red. La velocidad de transmisión y la longitud del testigo deben corresponderse con cuidado, para que "quepa" el testigo en todo el anillo. Obsérvese que ante una velocidad de transmisión de 2,5 Mbps, cada bit tiene una duración de 1/(2,5x106), es decir 400 ns. Si el medio adolece de una velocidad de propagación de 250.000 Kmps, cada bit ocupa 100 m en el anillo (2,5x109/2,5x106 ms-1/s). Así en un anillo de 500 m sólo caben 5 bits, sin contar los retardos de las estaciones. Es decir, que la longitud del anillo debe ser suficiente para albergar a todos los bits que componen al testigo por completo. Una solución será usar la fibra óptica, lo que da origen a otro tipo de anillo que puede llegar a 100 Mbps. Se comentará brevemente. La principal ventaja de token ring es su adaptación natural a la topología del anillo y la garantía del reparto equitativo del medio de transmisión. Habrá que tener en cuenta la longitud del anillo formado, es decir, la longitud de la red. No queremos dejar de nombrar, al menos, los sistemas de control de acceso utilizados para la red de alta velocidad FDDI (Fiber Data Distributed Interface) de alta velocidad, cuyas características se enuncian en la tabla siguiente. También existe una nueva opción que es la conexión a redes tipo © Julián A.

240/240

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

ATM (Asynchronous Transfer Mode), tipo de red asíncrona de alta velocidad, utilizada para interconexión de redes LAN a distancia. Se comentará cuando abordemos la interconexión de redes. Es decir, permite la interconexión de redes LAN remotas, por medio de una red tipo ATM. RED

Topología y control MAC


FDDI

Doble anillo de fibra óptica. Un segundo testigo circula detrás de cada trama.

Fibra óptica, 1.000 nodos a 2 km como máximo.

Velocidad 100 Mbps Codificación 4B5B

Tabla 4.5. Otros tipos de control de acceso para redes de alta velocidad

2.4.3.2 Testigo en bus (token bus)

En este método se necesita que cada estación conozca la dirección o identificación de la estación anterior y posterior, respecto a la circulación del testigo. La dirección de la estación de la que se recibe y la dirección de la estación a la que se transmite, se establecen al configurar la red. Así se independizan la topología física y lógica. La disposición física es independiente del orden lógico en el que transita el testigo. Una estación está encargada de iniciar el testigo, y el orden o secuencia de posesión del testigo. Así, aunque las estaciones están conectadas en bus, la posesión del medio se pasa de una a otra según una lista, que puede ser un campo de datos del testigo. El testigo se compone de diversos campos. La estación que quiere transmitir observa, cuando lo recibe, el campo de dirección.  



Si no va destinada a ella misma, retransmite el testigo a la siguiente estación. Si está libre el testigo, significa que puede transmitir y enviar datos. Como el testigo incluye el campo de dirección destino, los datos tienen un destino explícito, Así las estaciones no destinatarias actúan como repetidores de la trama, al observar el campo de dirección indicado. Si el testigo vuelve con la dirección de la propia estación y con el campo de aceptación modificado, el dato ha sido recibido sin errores en la estación destino. En este caso el testigo debe ser liberado, ya que el mismo fue modificado por la estación destino. Es la estación transmisora la que libera el testigo, cuando éste ha realizado una rotación, pasando por el destino.

Las estaciones que no precisan transmitir quedan a la escucha, permitiendo que circule el testigo. Parte de los recursos de una o más estaciones se dedican a:   

Control de recuperación ante fallos. Inserción y eliminación del anillo lógico, por parte de las estaciones, cuando deben transmitir o cuando dejan de hacerlo. Iniciación del anillo, con la circulación del primer testigo, cuando se inicia la red por primera vez o por un fallo.

Existe un tiempo límite de posesión del testigo para las estaciones. Así, si se supera este testigo es liberado por la siguiente estación a la que llega. Este tiempo puede ser un campo de la trama que se modifica cada vez que se retransmite por una estación. Además permite la implantación de esquemas de prioridades, dejando de ser equitativo a todas las estaciones participantes. Este método es utilizado en los sistemas de comunicación industrial, los conocidos entornos MAP (Manufacturing Automation Protocol). © Julián A.

241/241

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

2.5 ESTÁNDAR ETHERNET: IEEE 802.3 Se trata de la especificación IEEE de una LAN, muy difundida y de gran uso. Sobre esta especificación se desarrollaron tanto Ethernet (hasta 10 Mbps), como Fast Ethernet (hasta 100 Mbps) versión más rápida que la original. Aunque IEEE 802.3 y Ethernet no siguen exactamente los mismos patrones, sin embargo sí pueden cohabitar.Está especificada por el organismo internacional ISO, descrita en ISO 8802.3. DEC, Intel y Xerox fueron las compañías que inicialmente se desarrollaron en los años 80. Una red que busca el comportamiento. Ethernet define las características de cableado y señalización de nivel físico y los formatos de trama del nivel de enlace de datos del modelo OSI. Ethernet se refiere a las redes de área local y dispositivos bajo el estándar IEEE 802.3. La topología es en bus, el protocolo MAC es de acceso múltiple por detección de portadora con detección de colisiones (CSMA/CD). En el nivel físico, las redes IEEE 802.3 (Ethernet) utilizan la comunicación serie sincronía balanceada, full-duplex, utilizando hoy en día cables categorías 5 (5e) o 6, con longitudes máximas de segmento de 100m y longitud total de 500m sin repetidor (distancias que pueden perfectamente ampliarse con repetidores). Se implementa sobre topologías en estrella físicas, y utiliza codificación Manchester diferencial con control de acceso al medio CSMA/CD. Categorías de Cables UTP Tipo

Uso

Categoría 1

Actualmente no reconocido por TIA/EIA. Fue usado para comunicaciones telefónicas POTS, ISDN y cableado de timbrado.

Categoría 2

Actualmente no reconocido por TIA/EIA. Fue frecuentemente usado para redes token ring (4 Mbit/s).

Categoría 3

Actualmente definido en TIA/EIA-568-B. Fue (y sigue siendo) usado para redes ethernet (10 Mbit/s). Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 16 MHz.

Categoría 4

Actualmente no reconocido por TIA/EIA. Frecuentemente usado en redes token ring (16 Mbit/s). Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 20 MHz.

Categoría 5

Actualmente no reconocido por TIA/EIA. Frecuentemente usado en redes ethernet, fast ethernet (100 Mbit/s) y gigabit ethernet (1000 Mbit/s). Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 100 MHz.

Categoría 5e

Actualmente definido en TIA/EIA-568-B. Frecuentemente usado en redes fast ethernet (100 Mbit/s) y gigabit ethernet (1000 Mbit/s). Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 100 MHz.

Categoría 6hp

Actualmente definido en TIA/EIA-568-B. Usado en redes gigabit ethernet (1000 Mbit/s). Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 250 MHz.

Categoría 6a

Actualmente definido en TIA/EIA-568-B. Usado en redes 10 gigabit ethernet (10000 Mbit/s). Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 500 MHz.

Categoría 7

Caracterización para cable de 600 Mhz según la norma internacional ISO-11801 Usado en redes 10 gigabit ethernet y comunicaciones de alta confiabilidad.

Categoría 7a

Caracterización para cable de 1000 Mhz según la norma internacional ISO-11801 Ad-1 de 2008 Usado en redes 10 gigabit ethernet y futuras comunicaciones de mayor velocidad de transmisión de datos.

© Julián A.

242/242


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

La categoría 7 permite un ancho de banda de hasta 600 Mhz mientras que la categoría 7a alcanza hasta los 1000 Mhz. La categoría 7 tiene el mismo problema que la categoría 6: no existe ninguna aplicación creada exclusivamente para ella. Además, tanto la categoría 7 como la categoría 7a utilizan unos conectores especiales distintos de los habituales RJ-45 de las categorías inferiores (ISO / IEC 61076-3-104). Estos conectores son más gruesos que los RJ-45 y eso los descarta de una aplicación masiva en equipos portátiles, por lo que será extremadamente difícil que finalmente esta categoría triunfe en el mercado. En la siguiente imagen se muestra una toma de telecomunicaciones categoría 7a y un latiguillo también de categoría 7a

Es preciso tener en cuenta que aunque se puede construir una instalación con cableado de categoría 7 o 7a y utilizarla únicamente para 10GBASE-T, si los patch panel, tomas de telecomunicación y latiguillos son de categoría 6a, toda la instalación será de categoría 6a. La categoría 7a (1000 Mhz) está pensada para utilizarse con aplicaciones de velocidades de 40 Gbps o incluso 100 Gbps, pero la utilización de tan altas velocidades en redes locales mediante cableado de cobre hoy por hoy eso es una incógnita sin resolver. No se puede descartar que futuras revisiones de los estándares incorporen nuevas categorías que soporten anchos de banda de 1200 Mhz, 1600 Mhz o incluso 2000 Mhz, dejando en el camino a la categoría 7a. También puede suceder que finalmente la fibra óptica llegue al puesto de trabajo, permitiendo esas velocidades de una forma más sencilla, pero de momento eso también tiene muchas dificultades por vencer. Recordemos aquí que la gran diferencia entre la norma internacional (ISO-IEEE) y la norma americana (EIA) estriba en que la EIA no habla de clases sino de categoría de cables, mientras que ISO habla de clases y no de la categoría de cables a utilizar. En ésta última se especifica las distancias permitidas, el ancho de banda conseguido y las aplicaciones para las que es útil en función de estas características. Es decir, la norma ISO definen la instalación y como debe hacerse. Hablamos entonces ya de enlaces (cables y componentes ya instalados en el cableado estructurado del edificio), no solo de cables y componentes sueltos, sin instalar, como ocurría en el caso de las categorías.

© Julián A.

243/243

Documentos Alumnos

CATEGORIA DEL MEDIO CLASE

APLICACION

A

Voz y baja frecuencia f ≤ 100 KHz

Datos con capacidad de transmisión baja 100 KHz < f ≤ 1 MHz Datos con capacidad de C transmisión alta 1 MHz < f ≤ 16 MHz Datos con capacidad de D transmisión muy alta 1 MHz < f≤100 MHz Datos con capacidad de E transmisión muy alta 1 MHz < f≤250 MHz Cualquier aplicación para OPTI-CA (F) la cual la banda pasante de la Fibra Optica sea suficiente


Apuntes alumnos

B

Categoría Categoría Categoría Categoría F.O. F.O. 3 4 5e 6 Multimodo Monomodo 2 Km

3 Km

3 Km

500 m

500 m

700 m

100 m

150 m

160 m

100 m

100 m

100 m

2 Km

3 Km

En este modo de funcionamiento, cada bit de la trama a transmitir se representa no como un estado alto o bajo, sino como la transición bajo/alto o alto/bajo, dependiendo del valor del bit. Esto tiene dos ventajas. Por un lado sea cual sea la secuencia binaria a transmitir, las corrientes eléctricas son iguales en un sentido o en el otro, es decir, el valor medio de la señal en cada bit es cero (físicamente, se dice que la componente de continua se anula), lo que tiene ventajas eléctricas. Por otro lado, la transmisión es síncrona, con lo que las velocidades de transmisión pueden ser considerables. En cualquier instante el cable puede estar en alguno de estos tres estados posibles: 

Transmisión de un cero lógico. El cero lógico está constituido por una señal de 0,85 voltios seguida de otra de +0,85 voltios.



Transmisión de un uno lógico. El uno lógico es la inversión del cero lógico, es decir, una señal de +0,85 voltios seguida de otra de -0,85 voltios.



Canal inactivo, sin transmisión. Se caracteriza por tener el canal a 0 voltios.

La longitud máxima permitida para el bus en que se basa una red IEEE 802.3 es de 500 metros. Sin embargo, es posible conectar varios segmentos a través de unos dispositivos especiales llamados repetidores. El repetidor opera en la capa física y se encarga de amplificar la señal eléctrica para que su amplitud sea la adecuada y llegue correctamente a posibles receptores. 2.5.1 ACCESO AL MEDIO MAC. TRAMA EHTERNET

Como ya estudiamos en el apartado anterior, según la técnica CSMA/CD, para la transmisión reinformación de una estación a otra, se seguirá el siguiente protocolo:

© Julián A.

1. Al encontrar libre el medio, la estación transmite. 2. Si el medio está ocupado, la estación pasa a la escucha hasta que éste quede libre y, entonces, comienza a transmitir. 3. Si la estación que se encuentra transmitiendo detecta colisión, cesa la misma y genera y emite una señal –jamming- de colisión. De este modo el resto de las estaciones pueden reconocer la colisión. 4. En este paso espera un tiempo aleatorio y vuelve a transmitir, regresando al punto primero. 244/244

Figura. Colisiones en una red con topología en bus.

En esta red, al igual que en todas las de tipo bus, se debe tener presente la velocidad de propagación, que es finita. Para que el esquema de control de las colisiones tenga sentido, se debe garantizar que las señales de colisión lleguen a las estaciones que transmiten antes de finalizar la emisión de sus tramas. Las dos estaciones más alejadas del bus pueden llegar a necesitar dos veces el tiempo de propagación del medio, para detectar una colisión. El encuentro de una señal con otra en un extremo más la vuelta de la señal mezcla, que es la que detectan las estaciones como colisión. La trama Ehternet tiene la siguiente configuración: Trama de Ethernet

7 bytes

© Julián A.

1 byte

6 bytes

Origen 6 bytes



1 byte

6 bytes

6 bytes

Tipo

Datos

FCS

2 bytes

46 a 1500 bytes

4 bytes

2 bytes

campo de datos de 46 a 1500 bytes

Relleno.

Preámbulo

Destino

Campo de Tipo

7 bytes

SOF

Longitud LLC

Preámbulo

Delimitador


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

frame check sequence CRC32

1 byte

4 bytes

Nombre

Tamaño bytes

Objetivo

Preámbulo. Delimitador de comienzo. Dirección MAC de destino.

7 1 6

Dirección MAC de origen.

6

Longitud LLC. Datos LLC. Relleno LLC. Secuencia de verificación, FCS.

2 3 Variable 4

Establecimiento y sincronización. Comienzo de la trama. Dirección de conexión física del destino. Dirección de conexión física del origen. 1 Número de bytes de datosLLC. Datos para LLC. Relleno para LLC. CRC-32 para corrección de errores. 245/245

Documentos Alumnos

Tabla. Estructura de trama MAC en Ethernet, IEEE 802.3.

El significado de dichos campos es el siguiente:


Apuntes alumnos

2.5.1.1

Formato de la trama de Ethernet 

Preámbulo

Campo de 7 bytes (56 bits) que contiene una secuencia de bits usada para sincronizar y estabilizar el medio físico antes de iniciar la transmisión de datos. El patrón del preámbulo es: 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 Estos bits se transmiten en orden de izquieda a derecha y en la codificación Manchester representan una forma de onda periódica. 

SOF (Start Of Frame) Inicio de Trama

Campo de 1 byte (8 bits) que contiene un patrón de 1 y 0 alternados, y que termina con dos 11 consecutivos. El patrón del SOF es: 10101011 . Indica que el siguiente bit será el bit más significativo del campo de dirección (MAC) de destino. Aunque se detecte una colisión durante la emisión del preámbulo o del SOF, el emisor debe continuar enviando todos los bits de ambos hasta el fin del SOF. 


Campo de 6 bytes (48 bits) que especifica la dirección MAC de tipo EUI-48 hacia la que se envía la trama. Esta dirección de destino puede ser de una estación, de un grupo multicast o la dirección de broadcast de la red. Cada estación examina este campo para determinar si debe aceptar el paquete. 


Campo de 6 bytes (48 bits) que especifica la dirección MAC de tipo EUI-48 desde la que se envía la trama. La estación que deba aceptar el paquete conoce a través de este campo la dirección de la estación origen con la cual intercambiar datos.  Tipo Campo de 2 bytes (16 bits) que identifica el protocolo de red de alto nivel asociado con el paquete, o en su defecto la longitud del campo de datos. Es interpretado en la capa de enlace de datos. 

Datos

Campo de 46 a 1500 Bytes de longitud. Cada Byte contiene una secuencia de valores cuya información proviene de niveles superiores. Este campo, incluirá las cabeceras H3 y H4 (cabeceras de los niveles 3 y 4), provenientes de niveles superiores. 

FCS (Frame Check Sequence - Secuencia de Verificación de Trama)

Campo de 32 bits (4 bytes) que contiene un valor de verificación CRC (control de redundancia cíclica). Este CRC-32 se calcula por el emisor sobre todo el contenido de la trama, y se vuelve a calcular por el receptor para compararlo con el recibido y verificar la integridad de la trama. © Julián A.

246/246

Documentos Alumnos

2.5.2 DIRECCIONES MAC (DIRECCIONES FÍSICAS)


Apuntes alumnos

La dirección MAC (Media Access Control address) es un identificador hexadecimal de 48 bits que se

corresponde de forma única con una tarjeta o interfaz de red (es como un número de serie, por eso se la denomina dirección física, ya que viene físicamente grabada de fábrica y no puede modificarse). Es individual, cada dispositivo tiene su propia dirección MAC determinada y configurada por el IEEE (los ultimos 24 bits) y el fabricante (los primeros 24 bits). Se expresa normalmente en hexadecimal (por ejemplo: 00-09-6B5F-4E-DB es una dirección MAC). La mayoría de los protocolos que trabajan en la capa 2 del modelo OSI usan una de las tres numeraciones manejadas por el IEEE: MAC-48, EUI-48, y EUI-64 las cuales han sido diseñadas para ser identificadores globalmente únicos. No todos los protocolos de comunicación usan direcciones MAC, y no todos los protocolos requieren identificadores globalmente únicos. La dirección MAC es utilizada en varias tecnologías entre las que se incluyen:  Ethernet  802.5 o redes en anillo a 4 Mbps o 16 Mbps Token Ring  802.11 redes inalámbricas (WIFI).  ATM Las direcciones MAC operan en la capa 2, encargada de hacer fluir la información libre de errores entre dos máquinas conectadas directamente según la trama de datos indicada en el apartado anterior, que contienen en su cabecera las direcciones MAC correspondiente al emisor y receptor de la información. La dirección MAC consta de 48 bits, por lo que hay potencialmente 2^48 o 281,474,976,710,656 direcciones MAC posibles. Cada uno de los tres sistemas numéricos usan el mismo formato y difieren solo en el tamaño del identificador. Las direcciones pueden ser "direcciones universalmente administradas" o "localmente administradas". Una "dirección universalmente administrada" es únicamente asignada a un dispositivo por su manofacturador, estas algunas veces son llamadas "burned-in addresses." Los tres primeros octetos (en orden de transmisión) identifican a la organización que publicado el identificador y son conocidas como "identificador organizacionalmente único" (OUI). Los siguientes tres (MAC-48 y EUI-48) o cinco (EUI64) octetos son asignados por esta organización a su decisión, conforme al constreñimiento de la unicidad. La IEEE espera que el espacio de la MAC-48 se acabe no antes del año 2100; De las EUI-64 no se espera que se agoten en un futuro previsible. Podemos conocer la dirección MAC de las interfaces de red (o tarjetas de red) presentes en un equipo concreto ejecutando el comando ipconfig en la consola seguida del parámetro /all (ipconfig /all). Al ejecutar este comando se muestran todas las interfaces de red en el sistema y su información, junto con la dirección MAC correspondiente a cada una, expresada en hexadecimal. Existe además un programa ejecutable, muy sencillo de utilizar; llamado winipcfg, que brinda información sobre todas las interfaces de red de forma completa y muy organizada. Sólo funciona en las versiones windows 95 y windows 98. Para versiones de Windows XP, podemos utilizar desde el Símbolo de Sistema (Antiguo MS-DOS) el comando "ipconfig /all", que nos dará la información sobre los interfaces de red del equipo. Lo siguiente mostrará el comando ipconfig /all:

© Julián A.

247/247

Documentos Alumnos

Donde: Dirección física. . . . . . . . . : 00-03-0D-12-09-2A es la dirección MAC.


Apuntes alumnos

2.5.2.1 Influencia del medio de transmisión: 10BASE y 100BASE

Si en la recepción de una trama alguno de estos campos resulta inválido, o bien la secuencia FCS no resulta aceptada, la trama se rechaza y no se pasan los datos LLC al nivel del mismo nombre.El método de codificación utilizado es el Manchester diferencial. Este método se caracteriza por ser un código autosincronizable (es decir, permite la comunicación síncrona de la información enviando datos y señal de sincronismo mezclada en la misma línea de transmisión.. Para el caso de banda ancha, la técnica más utilizada es el desplazamiento de Fase PSK y precisan, por tanto, modulación. Existen dos versiones o grupos de especificación según la velocidad de transmisión. Una para 10 Mbps y otra para 100 Mbps. Las velocidades se especifican para dos tipos de cable. La arquitectura de la red admite segmentos, por medio de la utilización de repetidores, lo que permite aumentar la distancia y el número de estaciones participantes. Figura. Bus lineal con distintos segmentos.

El comité estableció una notación para reconocer las diferentes versiones de IEEE802.3. Ésta se presenta en tres campos:  velocidad en Mbps  método de transmisión  Máxima longitud/100 m, o tipo de cable  “5”, “2”, “T” y “F” nos dan información del tipo de cable utilizado, distancia máxima entre nodos y topología de red: 5: Cable coaxial grueso: longitud máxima de un segmento de red 500 metros. Topología de red bus. 2: Cable coaxial fino: longitud máxima en segmento de red 185 metros. Topología física en bus. T: Cable de pares trenzado:longitud máxima en una rama de red 100 metros.Topología física en estrella. F: Fibra óptica. Topología bus. Longitud máxima en una rama de red 2.000-5.000 metros.

Así encontramos para la velocidad de 1 a 10 Mbps (en la actualidad Gigaethernet ya utiliza velocidades de 1000Mgbs = 1Gbps). Nombre 10BASE2 10BASE5 10BASE-T 10BROAD36 10BASE-F

© Julián A.

Transmisión

Cable

Longitud del segmento, (m)

Top., estaciones por segmento

Banda base. Manchester Coaxial 50 ohm RG58 185 Bus, 30 Banda base. Manchester Coaxial 50 ohm RG58 500 Bus, 100 Banda base. Manchester Par trenzado UT-3, UT-5 100 Física en estrella Banda ancha. Dual PSK, Coaxial 75 ohm 1800 Bus, árbol AnchoB: 14MHz Manchester Par de fibra óptica 825 nm 2 Km Estrella Tabla. Versiones a 10 Mbps, para el medio de transmisión en IEEE 802.3.

Longitud total de la red (m) 925 2500 500 3600 -

248/248

Documentos Alumnos

VELOCID AD

ALCAN CE

CONECT OR

TOPOLOG IA

ISO 8802-3

10 Mbps

500 m

SUB D-15

BUS

ISO 8802-3

10 Mbps

185 m

BNC THINNET

BUS

ISO 8802-3

10 Mbps

100 m

PARES TRENZADOS

RJ 45

ESTRELLA

100 BASE T

IEEE 802.3U

100 Mbps

1000 BASE T

ISO / IEC 1180A 02/9

100 m

UTP / FTP / STP

RJ 45

ESTRELLA

1 Gbits

100 m

UTP / FTP / STP

RJ 45

ESTRELLA

ISO 8802-5

4/16 Mbps

100 m

STP

ISO 8802-5

4/16 Mbps

100 m

UTP / FTP

RJ 45

ANILLO

FDDI

ISO 9314-2

100 Mbps

2 Km

FIBRA OPTICA

FIBRA OPTICA

ESTRELLA

TPPMD

ANSI X3 T9.5

100 Mbps

100 m

UTP / FTP

RJ 45

ESTRELLA

NOMBRE NORMA ETHERNET 10 BASE 5


Apuntes alumnos

ETHERNET 10 BASE 2 ETHERNET 10 BASE T

TOKEN RING IBM © TOKEN RING CAT. 5

CABLE COAXIAL RG 11 COAXIAL RG 58

HERMAFR.

ANILLO

IBM ©

A este respecto indicar que en la actualidad las configuraciones más utilizadas son la denominadas 10BaseT y 100BaseT, que utilizan por lo general cables UTP o FTP, siendo ya configuraciones 1000BaseT las que utilizan fibra óptica. Las configuraciones 10Base2 y 10Base5 han sido ya relegadas debido a su alta tasa de fallos.

Cable Coaxial

Cable de pares trenzado (UTP)

Cable de pares trenzado y apantallado (FTP)

Cable de pares trenzado y apantallado por pares (STP)

Fibra óptica

No obstante, si tomamos catálogos de fabricantes (por ejemplo LEGRAND), al respecto de los tipos de conductores se indican como tipo de cables utilizados el de 4 pares trenzados “twisteados” (trenzados 2 a dos), que es el que permite aplicaciones VDI. En él, un par sirve para transmitir y recibir la voz, otro par es para los datos y los dos pares restantes son para transmitir y recibir imágenes. Por el tipo de aislamiento los cables de pares trenzados pueden ser: • UTP (100 Ω): Cable “Twisteado” no blindado (Unshielded Twisted Pair) • FTP (120 Ω): Cable “Twisteado apantallado (Foiled Twisted Pair) • STP (150 Ω): Cable “Twisteado” blindado (Shielded Twisted Pair) • SFTP : Cable "Twisteado" apantallado y blindado (Shielded Foiled Twisted Pair)

© Julián A.

249/249

Documentos Alumnos

Tipos de pares trenzados Tipo


Apuntes alumnos

UTP Sin apantallar

STP

FTP

Malla metálica

Lámina metálica

Nº de pares

Aplicaciones

1ó2

Telefonía

4

Cable estructurado

10, 20, 25, 50, 100, 300

Troncales de telefonía Datos baja velocidad Datos velocidad media Instrumentación

1, 2, 4, 25

Instrumentación 4

Cable estructurado

25

Telefonía, datos Instrumentación - Un poco difícil de maneja - Mas costoso 5

Las diferencias en los usos de los cables en cada caso viene como consecuencia de los distintos cableados de las instalaciones europeas y americanas. Por ejemplo en los Estados Unidos, los cables se llevan por conductos de acero, que es el que suministra la pantalla y el blindaje a la instalación, por lo que los cables que se utilizan son generalmente UTP. Mientras que en Europa los cables se llevan por conductos plásticos, por lo que la tendencia en algunos países, como Francia, es utilizar cables apantallados (FTP) o en otros países, como Alemania, blindados (STP). Es la gran diferencia entre la norma internacional (ISO) y la norma americana (EIA). La norma EIA no habla de clases sino de categoría de cables. La norma ISO habla de clases y no de la categoría de cables a utilizar. En ésta última se especifica las distancias permitidas, el ancho de banda conseguido y las aplicaciones para las que es útil en función de estas características. Es decir, la norma ISO definen la instalación y como debe hacerse. Hablamos entonces ya de enlaces (cables y componentes ya instalados en el cableado estructurado del edificio), no solo de cables y componentes sueltos, sin instalar, como ocurría en el caso de las categorías.

© Julián A.

250/250


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Extracto del catálogo de un fabricante

Por ejemplo, los cables categoría 6 sin pantalla (izquierda), y con pantalla (derecha), son como se muestran en la siguiente imagen:

© Julián A.

251/251


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Se puede ver como en este caso, unas membranas internas hacen que cada uno de los pares esté separado de los otros (en la medida de lo posibles), y no se trencen. Con ello se consigue reducir la influencia de las interferencias debidas a diafonía (acoplamiento electromagnético entre líneas que discurren paralelas). En cualquiera de los casos, las versiones de red (10BaseT y 100BaseT), los cables de pares utilizados son de 4 pares de hilos (8 hilos), de los que sólo se utilizan 2 pares (4 hilos) para la transmisión y para la recepción de datos. La transmisión y recepción de datos se realiza balanceada (o lo que es lo mismo, sin referencia a masa concreta), por lo que es mucho más inmune al ruido que los errores (interferencias electromagnéticas, diafonía, etc). Los otros 2 pares (4 hilos) restantes, se dejan libres para poder con ellos realizar transmisión de voz (se posibilita así conectar líneas telefónicas sin necesidad de utilizar nuevos cables).

Conectores RJ45 macho (izquierda) y hembra (derecha)

Los conectores utilizados en los extremos de los latiguillos (trozos de cable que interconectan los PC’s con el resto) son RJ45, que se diferencian de los conectores RJ11 de telefonía en ser algo mayores, y poseer 8 terminales de conexión en lugar de los 4 del Terminal telefónico.

Conector RJ45 macho (izquierda) y RJ11 macho (derecha)

Según el estándar EIA/TIA 568, se establecen dos esquemas de conexión: el EIA/TIA 568A (o ISDN) y el EIA/TIA 568B (o AT&T). En las figuras siguientes podemos ver ambos estandares, con la indicación de la función de cada uno de los pares en cada caso

© Julián A.

252/252


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Las diferencias básicas entre uno y otro radican en que en el 568A, el par 2 del cable (naranja) termina en los contactos 3 y 6, y el par 3 del cable (verde) en los contactos 1 y 2; mientras que el 568B esto es justo al revés. Teniendo en cuenta que dichos hilos corresponde precisamente con la transmisión y la recepción de datos, se puede concluir que hacer un latiguillo que tenga en sus extremos el conector realizado según la norma 568A, será un latiguillo paralelo (también llamado directo, o Straight Trough), mientras que un latiguillo que tenga en un extremo la configuración 568A, y en el otro la 568B será un cruzado (también llamado Cross-Over). Los latiguillos a utilizar para conectar los equipos presentes en una red son en ocasiones directos y en ocasiones cruzados, y deteniendo del caso concreto en el que nos encontremos se necesitarán unos u otros.

Existen equipos (por ejemplo cámaras de vigilancia IP), que utilizan alguno de los pares libres para alimentar el equipo, así no es necesario poner fuente de alimentación a dicho equipo, siendo para todo su funcionamiento únicamente necesario un único cable. Este estándar se denomina: alimentación a través de Ethernet (Power over Ethernet, PoE) © Julián A.

253/253

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

En cuanto a las especificaciones para las redes de alta velocidad de IEEE 802.3, cuyo objetivo es suministrar al mercado una LAN de no muy alto coste, compatible con Ethernet y a la velocidad de 100 Mbps. Se denomina Fast Ethernet, y las especificaciones se pueden observar en la tabla 4.8 siguiente: Nombre

Transmisión

Cable

Longitud del segmento [m] Topología

100BASE-TX

NRZI

2 Par STP 2Par UTP-5

100

100BASE-FX

NRZI

2 Fibra óptica

100

100BASE-T4

NRZI

4 pares UTP-3, 5

100

Busestrella Busestrella Busestrella

Longitud total de la red 200 400 200

Tabla. Versiones a 100 Mbps, Fast Ethernet

Los elementos físicos que describe la especificación son:   

MDI: Medium Dependet Interface. MAU: Medium Attachement Unit. AUL Atachment Unit Interface.

Medio (cable): utilizado para llevar las señales Ethemet entre las diferentes estaciones. MDI (Medium Dependet Interface): pieza física utilizada para realizar la conexión física y eléctrica con el cable de red (medio). Si utilizamos cable de par trenzado, el MDI es el elemento de conexión RJ-45 (similar al conector de cable telefónico). Si utilizamos cable coaxial, el MDI será el elemento de conexión BNC. MAU (Medium Attachment Unit): recibe también el nombre de transceiver, ya que es el dispositivo que se encarga de transmitir y recibir señales sobre el medio (cable). El MDI forma parte del MAU. AUI (Attaement Unit Interface): es el cable del transceptor (transceiver, transmite y recibe) y permite la conexión entre el transceiver y el adaptador (tarjeta) Ethemet. Ethernet Interface: tarjeta Ethernet u otra tarjeta hardware. Incorpora los chips con el software necesario para ejecutar el nivel físico y el de enlace de datos. Recordamos aquí que si se trata de una topología en bus, y en banda base, la propagación de las señales por el medio es bidireccional. En las siguientes imágenes se muestra a modo de resumen algunas de las versiones IEEE 802.3. para el conexionado físico:

© Julián A.

254/254


Documentos Alumnos

© Julián A.

255/255


Documentos Alumnos

© Julián A.

256/256


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

2.5.3 PROTOCOLOS MÁS COMUNES EN LAS REDES LAN

Los protocolos que se utilizan en las comunicaciones son una serie de normas que deben aportar las siguientes funcionalidades:

    

Realizar una conexión con otro ordenador. Localizar un ordenador de forma inequívoca. Intercambiar información entre ordenadores de forma segura, independiente del tipo de máquinas que estén conectadas (PC, macintosh, Alpha, AS-400, Digital VAX, etc.). Abstraer a los usuarios de los enlaces utilizados (línea dedicada, red telefónica, radioenlaces, microondas, satélite ... ) para el intercambio de información. Permitir liberar la conexión de forma ordenada, siguiendo un orden preestablecido.

Debido a la gran complejidad que conlleva la interconexión de ordenadores, se han tenido que dividir todos los procesos necesarios para realizar las conexiones en diferentes niveles. Cada nivel se ha creado para dar una solución a un tipo de problema particular dentro de la conexión. Cada nivel tendrá asociado un protocolo, el cual entenderán todas las partes que formen parte de la conexión. Recordemos además que el sistema de encapsulación de mensajes, permite la utilización de protocolos específicos de capas superiores (capa de Aplicación por ejemplo) encapsulados en paquetes que son enviados utilizando capas de niveles inferiores. Así podríamos estar hablando de utilizar programas específicos de comunicación de información entre equipos informáticos (web, mail, p2p, etc) sobre redes IP.

© Julián A.

257/257

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Web

Email TCP

MP3

UDP IP

Web

Email TCP

MP3

UDP IP

IP datagrams

IP datagrams

Diversas empresas han dado diferentes soluciones a la conexión entre ordenadores, implementando distintas familias de protocolos, y dándole diferentes nombres (DECnet, TCP/IP. IPX/SPX, NETBEUI, etc.). Nos centraremos en el protocolo que más éxito ha tenido, y por tanto de mayor implantación, esto es, TCP/IP. Tenemos que tener cuidado cuando hablamos del protocolo TCP/IP, IPX/SPX.... pues en realidad nos referimos a la familia de protocolos TCP/IP, familia de protocolos IPX/SPX, etc. 2.5.3.1 NetBEUI

NetBIOS Extended User Interface o NetBEUI es un protocolo desarrollado por IBM en 1985. Este protocolo da soporte a pequeñas redes; es simple y fácil de utilizar. Se utilizó en las redes LAN Manager de IBM. No se puede enrutar, es decir, saltar de una red a otra, por lo que sólo es aplicable a redes de área local. Se suele utilizar en las redes de igual a igual o peer to peer, por ejemplo, la red de puestos Microsoft, que son aquellas en las que todos los puestos pueden ser clientes o servidores de recursos hacia la red. Cuando fue desarrollado el protocolo NetBEUI, se consideró que las redes locales estarían segmentadas en grupos de trabajo de entre 20 y 200 computadoras y que se utilizarían pasarelas (gateways) para conectar cada segmento de red local con otro segmento de red local, o con una computadora principal. Desde el punto de vista técnico, el protocolo utiliza un sistema de ventanas de envío o recepción, lo que le hace especialmente idóneo para las redes de área local. Los parámetros de la ventana los ajusta el propio protocolo, por lo que no requiere una mayor intervención del usuario. La Tabla siguiente muestra un resumen de las características de NetBEUI:

© Julián A.

258/258

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Tabla. NETBEUI, resumen de características.

Ventajas

Inconvenientes

Concebido expresamente para la comunicación dentro de redes locales pequeñas y, por tanto, muy rápido. Buena protección frente a errores. Utiliza poca memoria.

No admite encaminamiento. Su rendimiento en redes de área amplia (WAN) es pobre.

2.5.3.2 IPX/SPX

Es el conjunto de protocolos que define Netware para sus redes Novell. IPX/SPX representan una combinación de protocolos de red y transporte que proporcionan una transmisión de datos de muy alta fiabilidad. Netware es un conjunto de protocolos que se basa en el antiguo Xerox Network System, XNS, pero con varias modificaciones. Netware de Novell es previo a OSI y no se basa en él; si acaso, se parece más a TCP/IP que a OSI (Fig. 14.23). IPX (Internet Packet Exchange) controla los niveles inferiores y se encarga de proporcionar un servicio de entrega sin conexión (datagrama) a varios protocolos de los niveles superiores. Cubre los niveles 1 a 3 del modelo OSI de ISO. Este protocolo transfiere paquetes de origen al destino de forma transparente, aun si la fuente y el destino se encuentran en redes diferentes. En lo funcional, IPX es similar a IP, excepto que usa direcciones de 10 bytes en lugar de direcciones de 4 bytes. SPX (Secuenced Packet Exchange) es un protocolo orientado a la conexión que proporciona: • Entrega fiable de paquetes. • Corrección de errores. • Control del flujo. • Servicio de paquetes secuenciales. Aplicación

Nivel 7

NLM Módulo cargable Netware

Presentació Nivel 6 n Sesión

Terminal Protocolo Virtual de Núcleo Novell de Netware

Nivel 5

Transporte Nivel 4

SPX

Red

Nivel 3

IPX

Enlace.

Nivel 2

ODI Controlador de la red

Físico

Nivel 1

Soporte físico: tarjeta de red

OSI

Novell Netware Figura. Protocolos Netware.

SPX, a diferencia de lo que podamos pensar, no se utiliza de manera masiva en Netware. Se usa, sobre todo, en ciertas utilidades como sesiones remotas de consola, para la transmisión de las tareas de impresión o copia de seguridad de datos. En estos casos se requiere la entrega garantizada de la información que SPX proporciona. © Julián A.

259/259

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Por encima de IPX está también un protocolo de transporte orientado a la conexión que se llama NCP (Network Core Protocol: Protocolo Central de Red). El NCP proporciona otros servicios además del de transporte de datos de usuario y en realidad es el corazón de Netware. Las capas de sesión y de presentación no existen. 2.5.3.3 TCP/IP

TCP/IP o Transport Control Protocol/Internet Protocol (Protocolo de Control de transporte/Protocolo de Inter-red) es una familia de protocolos que se relaciona automáticamente con el protocolo sobre el que funciona la red Internet. Esto, en cierta forma, es cierto, ya que se le llama TCP/IP a la familia de protocolos que nos permite estar conectados a la red Internet. Este nombre viene dado por los dos protocolos de esta familia:  

El protocolo TCP, que funciona en el nivel de transporte del modelo de referencia OSI, proporcionando un transporte fiable de datos. El protocolo IP, que funciona en el nivel de red del modelo OSI, que nos permite encaminar nuestros datos hacia otras máquinas.

Pero estos dos protocolos no son suficientes para solventar todos los problemas y necesidades que pueden surgir en la comunicación entre estaciones de una red. Necesitaremos un conjunto más amplio de protocolos que a continuación describiremos. 2.5.3.3.1

Características de TCP/IP

Las principales características son:    

Utiliza conmutación de paquetes. Proporciona una conexión fiable entre dos máquinas en cualquier punto de la red. Ofrece la posibilidad de interconectar redes de diferentes arquitecturas y con diferentes sistemas operativos. Se apoya en los protocolos de más bajo nivel para acceder a la red física (Ethernet, Token-Ring).

Para poder solucionar los problemas que van ligados a la comunicación de ordenadores dentro de la red Internet, se han de tener en cuenta una serie de particularidades sobre las que ha sido diseñada TCP/IP:

   

Los programas de aplicación no tienen conocimiento del hardware que se utilizará para realizar la comunicación (módem, tarjeta de red ... ). La comunicación no está orientada a la conexión de dos máquinas; eso quiere decir que cada paquete de información es independiente y puede viajar por caminos diferentes entre dos máquinas. La interfaz de usuario debe ser independiente del sistema; así, los programas no necesitan saber sobre qué tipo de red trabajan. El uso de la red no impone ninguna topología en especial (distribución de los distintos ordenadores).

De esta forma, podremos decir que dos redes están interconectadas si hay una máquina común que pase información de una red a otra. Además de poder ser una máquina común la que una dos redes, también puede ser una red o conjunto de redes (por ejemplo Internet) la que sirva de pasarela. Todo esto es independiente de las máquinas que implementen estas funciones y de los sistemas operativos éstas utilicen. 2.5.3.4 Descomposición en niveles de TCP/IP

© Julián A.

260/260

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Toda arquitectura de protocolos se descompone en una serie de niveles, usando como referencia el modelo OSI. Esto se hace para poder dividir el problema global en subproblemas de más fácil solución. En la Tabla siguiente se compara la arquitectura de protocolos TCP/IP del modelo OSI de ISO: Internet

OSI de ISO

Aplicación

TCP

UDP

IP RARP ARP Topología física

Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace Físico

7 6 5 4 3 2 1

Tabla. Comparación de niveles TCP/IP con OSI. 2.5.3.5 Direcciones IP

Cuando se interconectan equipos informáticos en red, cada host (ordenador) tiene una dirección física que lo identifica (dirección MAC) que es única, y que viene grabada en cada adaptador de red (tarjeta de red). Estas direcciones son números de 6 bytes (48 bits), que se corresponden con 12 dígitos en hexadecimal. (por ejemplo: 00-03-0D-12-09-2A) Estas direcciones se utilizan para comunicar dos ordenadores que pertenecen a la misma red, enviándose paquetes en el formato de la trama ethernet ya estudiada. La interconexión de equipos informáticos en redes que a su vez se conectan entre sí, ha propiciado la aparición de redes cada vez mayores compuestas de grupos de redes menores (redes MAN y WAN que dan lugar a la llamada red de redes que es Internet). Sin embargo, para enviar información de un equipo (que pertenecerá a una red cualquiera) a otro equipo (que en general pertenecerá a otra red cualquiera), la mera utilización de direcciones físicas (MAC) tiene un serio problema. Veámoslo con un ejemplo. Supongamos que tenemos un grupo de personas dentro de un local. Si una persona se quiere comunicar con otra, con decir el nombre del destinatario bastaría para identificar al remitente, ya que dicho destinatario, al estar en el mismo local, escuchará el aviso del remitente y se pondrá a recibir el mensaje. Sin embargo, si ambos intervinientes (emisor y destinatario) no se encuentran en el mismo local, avisar con el nombre del destinatario es en vano, ya que al no encontrarse en el mismo local, el aviso no es escuchado por el destinatario y la comunicación no se realiza con éxito. Para realizar la comunicación en este caso, lo que se hace es incluir el mensaje en un sobre en el que se escribe la dirección del local, y un nombre que identifique al destinatario (que no tiene por que ser el nombre físico, por ejemplo “Secretario Administrador”, en lugar del nombre real Pepe Pérez), de forma que el mensaje sea transportado hasta dicho local, para luego allí entregar ya el mensaje a la persona concreta que debe recibirlo. De la misma forma, el envío de un mensaje desde un ordenador emisor (o remitente), a un ordenador receptor precisa en general de la utilización de una identificación tanto para la red (local en el símil anterior) en la que se encuentra dicho receptor, como para identificar al propio receptor (sin necesidad de hacerlo mediante su dirección física o MAC), de forma que luego los equipos correspondientes se encargarán de transportar el mensaje buscando primero la red destinataria, y dentro de dicha red (o local), el destinatario concreto de la información. Luego dicho destinatario podrá abrir el sobre (continuando con la analogía anterior), y leer el mensaje que a él va dirigido. Por tanto, para identificar las redes en las que se encuentran contenidos los ordenadores, así como para identificar a los propios ordenadores receptor (sin necesidad de hacerlo mediante su dirección física o MAC) © Julián A.

261/261

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

se utilizan unos identificadores que son incluidos por la capa 3 (capa de enlace) y que se denominan direcciones IP.

Una dirección IP está formada por 32 bits, que se agrupan en 4 bytes u octetos (grupos de 8 bits). Cada uno de esos grupos de ocho bits puede tomar valores de 00000000 (0 decimal) hasta el 11111111 (255 decimal). Para entendemos mejor normalmente se utiliza la notación de direcciones IP mediante 4 cifras decimales separados por puntos. Cada cifra pueden tomar valores entre 0 - 255 (ver Figura), representando el valor decimal de cada octeto o byte y separado con puntos. 11000011 195

00111111 63

00111111 63

00000101 5

en binario en decimal

Figura. Dirección IP en formato decimal y binario.

En el siguiente ejemplo vemos una figura en la que aparecen identificadas tanto las direcciones IP, como las direcciones MAC (nombre físicos) tanto de equipos individuales (ordenadores o router’s), así como de redes distintas (locales del símil anterior). Host Dirección física Dirección IP 00-60-52-0B-B7192.168.0.10 A 7D 00-E0-4C-AB192.168.0.1 9A-FF R1 Router 1 A3-BB-05-17-2910.10.0.1 D0 00-E0-4C-33-7910.10.0.7 B AF B2-42-52-12-3710.10.0.2 BE R2 Router 2 00-E0-89-AB-12200.3.107.1 92 A3-BB-08-10200.3.107.73 C DA-DB B2-AB-31-07-12200.3.107.200 D 93

Red Red 1

Red 2

Red 3

En la interconexión de equipos informáticos (los denominados PC’s), se utilizan modelos de interconexión que toman como base el modelo de referencia OSI. Así por ejemplo, el modelo de interconexión de equipos que soporta Internet se denomina TCP/IP, que si lo comparamos con el modelo de referencia OSI presenta las siguientes capas o niveles:

© Julián A.

262/262


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Modelo práctico utilizado en Internet

Modelo teórico de referencia

Recordemos que cada capa se comunica con la capa del equipo con el que se comunica según unas ciertas normas o lenguaje al que se da el nombre de protocolo. El nombre que en este modelo TCP/IP toman algunos de los protocolos asociados a cada una de las capas son: Modelo OSI

Modelo TCP/IP

7 - Aplicación 6Presentación

4.Aplicación - FTP, TFTP, HTTP, SMTP, DNS, TELNET, SNMP

5 - Sesión 4 - Transporte

3.- Transporte – TCP

3 - Red

2.- Internet - IP

2 - Enlace de datos

1.- Acceso a red - Ethernet

1 - Física Y si vemos el formato de la trama utilizada en algunos de los protocolos anteriores, que como ya sabemos se va encapsulado en las tramas de niveles inferiores, tendremos lo siguiente:

© Julián A.

263/263

Documentos Alumnos

2.5.3.6 Formato del datagrama IP (Capa Internet del modelo TCP/IP):


Apuntes alumnos

Encabezado del datagrama IP (ver tabla)


Área de datos del datagrama IP

Área de datos de la trama Ethernet

Trama

IP Final de la trama

Trama Ethern et

0 10 20 30 01 23 456 78 90 1 23 356 7 8 90 12 345 67 890 1 Tipo de VERS HLEN Longitud total servicio Desplazaiento de Identificación Bandrs fragmento TTL Protocolo CRC cabecera Dirección IP origen Dirección IP destino Opciones IP (si las hay) Relleno Datos ... Formato del datagrama ( o trama ) IP (en filas, donde los dígitos superiores indican posiciones de los bits en la trama)

El significado de los campos que componen dicho datagrama IP es: 

VERS (4 bits). Indica la versión del protocolo IP que se utilizó para crear el datagrama. Actualmente se utiliza la versión 4 (IPv4) aunque ya se están preparando las especificaciones de la siguiente versión, la 6 (IPv6).



HLEN (4 bits). Longitud de la cabecera expresada en múltiplos de 32 bits. El valor mínimo es 5, correspondiente a 160 bits = 20 bytes.



Tipo de servicio (Type Of Service). Los 8 bits de este campo se dividen a su vez en:



Prioridad (3 bits). Un valor de 0 indica baja prioridad y un valor de 7, prioridad máxima.



Los siguientes tres bits indican cómo se prefiere que se transmita el mensaje, es decir, son sugerencias a los encaminadores que se encuentren a su paso los cuales pueden tenerlas en cuenta o no.



Bit D (Delay). Solicita retardos cortos (enviar rápido).



Bit T (Throughput). Solicita un alto rendimiento (enviar mucho en el menor tiempo posible).



Bit R (Reliability). Solicita que se minimice la probabilidad de que el datagrama se pierda o resulte dañado (enviar bien).

© Julián A.

264/264


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos



Los siguientes dos bits no tienen uso.



Longitud total (16 bits). Indica la longitud total del datagrama expresada en bytes. Como el campo tiene 16 bits, la máxima longitud posible de un datagrama será de 65535 bytes.



Identificación (16 bits). Número de secuencia que junto a la dirección origen, dirección destino y el protocolo utilizado identifica de manera única un datagrama en toda la red. Si se trata de un datagrama fragmentado, llevará la misma identificación que el resto de fragmentos.



Banderas o indicadores (3 bits). Sólo 2 bits de los 3 bits disponibles están actualmente utilizados. El bit de Más fragmentos (MF) indica que no es el último datagrama. Y el bit de No fragmentar (NF) prohíbe la fragmentación del datagrama. Si este bit está activado y en una determinada red se requiere fragmentar el datagrama, éste no se podrá transmitir y se descartará.



Desplazamiento de fragmentación (13 bits). Indica el lugar en el cual se insertará el fragmento actual dentro del datagrama completo, medido en unidades de 64 bits. Por esta razón los campos de datos de todos los fragmentos menos el último tienen una longitud múltiplo de 64 bits. Si el paquete no está fragmentado, este campo tiene el valor de cero.



Tiempo de vida o TTL (8 bits). Número máximo de segundos que puede estar un datagrama en la red de redes. Cada vez que el datagrama atraviesa un router se resta 1 a este número. Cuando llegue a cero, el datagrama se descarta y se devuelve un mensaje ICMP de tipo "tiempo excedido" para informar al origen de la incidencia.



Protocolo (8 bits). Indica el protocolo utilizado en el campo de datos: 1 para ICMP, 2 para IGMP, 6 para TCP y 17 para UDP.



CRC cabecera (16 bits). Contiene la suma de comprobación de errores sólo para la cabecera del datagrama. La verificación de errores de los datos corresponde a las capas superiores (concretamente la cala de transporte de modelo TCP/IP).



Dirección IP origen (32 bits). Contiene la dirección IP del origen.



Dirección IP destino (32 bits). Contiene la dirección IP del destino.



Opciones IP. Este campo no es obligatorio y especifica las distintas opciones solicitadas por el usuario que envía los datos (generalmente para pruebas de red y depuración).



Relleno. Si las opciones IP (en caso de existir) no ocupan un múltiplo de 32 bits, se completa con bits adicionales hasta alcanzar el siguiente múltiplo de 32 bits (recuérdese que la longitud de la cabecera tiene que ser múltiplo de 32 bits).

En este caso vemos que el protocolo asociado a esta capa utiliza el sistema de detección de errores por CRC, indicándose que la verificación de errores de los datos encapsulados corresponde a las capas superiores (concretamente la cala de transporte de modelo TCP/IP).

© Julián A.

265/265

Documentos Alumnos

2.5.3.7 Formato del segmento TCP (Capa Transporte del modelo TCP/IP):


Apuntes alumnos

Encabezado del segmento TCP (ver tabla)

Encabezado del datagrama IP (ver tabla)


Área de datos segmento TCP

Trama TCP

Área de datos del datagrama IP

Área de datos de la trama Ethernet

Trama

IP Final de la trama

Trama Ethern et

0 10 20 30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 3 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 Puerto TCP origen Puerto TCP destino Número de secuencia Número de acuse de recibo HLEN Reservado Bits código Ventana Suma de verificación Puntero de urgencia Opciones (si las hay) Relleno Datos ... Formato del segmento TCP (en filas, donde los dígitos superiores indican posiciones de los bits en la trama)

El significado de los campos que componen dicho segmento TCP es: 

Puerto fuente (16 bits). Puerto de la máquina origen. Al igual que el puerto destino es necesario para identificar la conexión actual.



Puerto destino (16 bits). Puerto de la máquina destino.

NOTA SOBRE PUERTOS : Los protocolos TCP y UDP utilizan puertos que son números de 16 bits que sirven para identificar aplicaciones. El rango de valores válidos para puertos va de 0 a 65.535. El puerto 0 está reservado, pero es un valor permitido como puerto origen si el proceso emisor no espera recibir mensajes como respuesta. Los puertos 1 a 1023 son "bien conocidos" y en sistemas operativos tipo Unix, y enlazar con uno de estos puertos requiere acceso como superusuario. Los puertos 1024 a 49.151 son puertos registrados a ciertas aplicaciones. Los puertos 49.152 a 65.535 son puertos efímeros y son utilizados como puertos temporales, sobre todo por los clientes al comunicarse con los servidores.

© Julián A.



Número de secuencia (32 bits). Indica el número de secuencia del primer byte que trasporta el segmento.



Número de acuse de recibo (32 bits). Indica el número de secuencia del siguiente byte que se espera recibir. Con este campo se indica al otro extremo de la conexión que los bytes anteriores se han recibido correctamente. 266/266


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos



HLEN (4 bits). Longitud de la cabecera medida en múltiplos de 32 bits (4 bytes). El valor mínimo de este campo es 5, que corresponde a un segmento sin datos (20 bytes).



Reservado (6 bits). Bits reservados para un posible uso futuro.



Bits de código o indicadores (6 bits). Los bits de código determinan el propósito y contenido del segmento. A continuación se explica el significado de cada uno de estos bits (mostrados de izquierda a derecha) si está a 1.



URG. El campo Puntero de urgencia contiene información válida.



ACK. El campo Número de acuse de recibo contiene información válida, es decir, el segmento actual lleva un ACK. Observemos que un mismo segmento puede transportar los datos de un sentido y las confirmaciones del otro sentido de la comunicación.



PSH. La aplicación ha solicitado una operación push (enviar los datos existentes en la memoria temporal sin esperar a completar el segmento).



RST. Interrupción de la conexión actual.



SYN. Sincronización de los números de secuencia. Se utiliza al crear una conexión para indicar al otro extremo cual va a ser el primer número de secuencia con el que va a comenzar a transmitir (veremos que no tiene porqué ser el cero).



FIN. Indica al otro extremo que la aplicación ya no tiene más datos para enviar. Se utiliza para solicitar el cierre de la conexión actual.



Ventana (16 bits). Número de bytes que el emisor del segmento está dispuesto a aceptar por parte del destino.



CHECKSUM. Suma de verificación (24 bits). Suma de comprobación de errores del segmento actual.



Puntero de urgencia (8 bits). Se utiliza cuando se están enviando datos urgentes que tienen preferencia sobre todos los demás e indica el siguiente byte del campo Datos que sigue a los datos urgentes. Esto le permite al destino identificar donde terminan los datos urgentes. Nótese que un mismo segmento puede contener tanto datos urgentes (al principio) como normales (después de los urgentes).



Opciones (variable). Si está presente únicamente se define una opción: el tamaño máximo de segmento que será aceptado.



Relleno. Se utiliza para que la longitud de la cabecera sea múltiplo de 32 bits.



Datos. Información que envía la aplicación.

Como hemos indicado, en este modelo TCP/IP, tanto los ordenadores como las redes se identifican mediante un número que se denomina dirección IP. Esta dirección ha de estar dentro del rango de © Julián A.

267/267

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

direcciones asignadas al organismo o empresa a la que pertenece; estos rangos son concedidos por un organismo central de Internet, el NIC (Network Information Center). Las distintas direcciones IP posibles se han dado en dividir en Clases. En el siguiente apartado se hace un repaso por las distintas clases existentes. Una máscara de subred es un número con el formato de una dirección IP que nos sirve para distinguir cuándo una máquina determinada pertenece a una subred dada, con lo que podemos averiguar si dos máquinas están o no en la misma sub-red IP. 2.5.4 DIRECCIONAMIENTO IP V4 . CLASES DE RED

Una Dirección IP es una etiqueta numérica que identifica, de manera lógica y jerárquica, a un interfaz (elemento de comunicación/conexión) de un dispositivo (habitualmente una computadora) dentro de una red que utilice el protocolo IP (Internet Protocol), que corresponde al nivel de red del Modelo OSI. Dicho número no se ha de confundir con la dirección MAC, que es un identificador de 48bits para identificar de forma única la tarjeta de red y no depende del protocolo de conexión utilizado ni de la red. La dirección IP puede cambiar muy a menudo por cambios en la red o porque el dispositivo encargado dentro de la red de asignar las direcciones IP decida asignar otra IP (por ejemplo, con el protocolo DHCP). A esta forma de asignación de dirección IP se denomina dirección IP dinámica (normalmente abreviado como IP dinámica). Los sitios de Internet que por su naturaleza necesitan estar permanentemente conectados generalmente tienen una dirección IP fija (comúnmente, IP fija o IP estática). Esta no cambia con el tiempo. Los servidores de correo, DNS, FTP públicos y servidores de páginas web necesariamente deben contar con una dirección IP fija o estática, ya que de esta forma se permite su localización en la red. Los ordenadores se conectan entre sí mediante sus respectivas direcciones IP. Sin embargo, a los seres humanos nos es más cómodo utilizar otra notación más fácil de recordar, como los nombres de dominio; la traducción entre unos y otros se resuelve mediante los servidores de nombres de dominio DNS, que a su vez facilita el trabajo en caso de cambio de dirección IP, ya que basta con actualizar la información en el servidor DNS y el resto de las personas no se enterarán, ya que seguirán accediendo por el nombre de dominio. Actualmente existen dos formas de identificar a los equipos de una red mediante direcciones IP. Son las direcciones IP versión 4 (IPv4) y las direcciones IP versión 6 (IPv6). Las direcciones IPv4 se expresan por un número binario de 32 bits, permitiendo un espacio de direcciones de hasta 4.294.967.296 (232) direcciones posibles. Las direcciones IP se pueden expresar como números de notación decimal: se dividen los 32 bits de la dirección en cuatro octetos. El valor decimal de cada octeto está comprendido en el rango de 0 a 255 [el número binario de 8 bits más alto es 11111111 y esos bits, de derecha a izquierda, tienen valores decimales de 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 y 128, lo que suma 255]. En la expresión de direcciones IPv4 en decimal se separa cada octeto por un carácter único ".". Cada uno de estos octetos puede estar comprendido entre 0 y 255, salvo algunas excepciones. Los ceros iniciales, si los hubiera, se pueden obviar. Ejemplos de representación de dirección IPv4: 10.128.1.255

En las primeras etapas del desarrollo del Protocolo de Internet,1 los administradores de Internet interpretaban las direcciones IP en dos partes, los primeros 8 bits para designar la dirección de red y el resto para individualizar la computadora dentro de la red. © Julián A.

268/268

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Este método pronto probó ser inadecuado, cuando se comenzaron a agregar nuevas redes a las ya asignadas. En 1981 el direccionamiento internet fue revisado y se introdujo la arquitectura de clases (classful network architecture). En esta arquitectura hay tres clases de direcciones IP que una organización puede recibir de parte de la Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN): clase A, clase B y clase C. 2.5.4.1 Las direcciones de clase A Clase 0 A

7

0

15

netid 8 bits

Clases de Redes

B

1

C

0

23

31 1.0.0.0 a 127.255.255.255

hostid 24 bits netid

hostid

16 bits

16 bits

1 1 0

128.0.0.0 a 191.255.255.255

netid

hostid

24 bits

8 bits

192.0.0.0 a 223.255.255.255

224.0.0.0 a 0 Las direcciones IP son de deDirección 4 grupos de 8 bits. En esta clase, el bit más D 321bits 1 1compuestas multicast 239.255.255.255 significativo (el más a la izquierda) tienen el valor fijo “1”, siendo los 24 bits menos significativos los que corresponden con direcciones para ordenadores (host)  224 = 16.777.216. De todas estas 240.0.0.0 a E 1 1 1 1 marciana combinaciones, dos de ellas (la primera y la última)Red están reservadas para identificar la dirección de 247.255.255.255 Red y para Broadcast (difusión), respectivamente, y no pueden ser usadas para host’s. Los broadcast, o difusiones, se producen cuando un emisor envía datos a todos los dispositivos de una red. En el caso del protocolo IP, una dirección de broadcast es una dirección compuesta exclusivamente por números unos (1) en el campo del host (hostid).

Según esto, posibles identificadores de red habrá 27 = 128, de las cuales algunas está reservadas por lo que realmente sólo existen 124 direcciones de red de clase A posibles (aparte de las direcciones de red y de broadcast, la dirección 0.0.0.0 es utilizada por las máquinas cuando están arrancando o no se les ha asignado dirección, y las direcciones 127.x.x.x se reservan para pruebas de retroalimentación. Se denomina dirección de bucle local o loopback). Un ejemplo de una dirección IP clase A sería 11.0.0.1, que se codificaría en binario según aparece en la tabla siguiente:

Binario Decimal

Red 00001011 11

Máquina 00000000 0

00000000 0

00000001 1

El rango de direcciones (en base decimal) iría desde 1.xxx.xxx.xxx hasta 126.xxx.xxx.xxx (la dirección 0.xxx.xxx.xxx y la 127.xxx.xxx.xxx están reservadas) 2.5.4.2 Las direcciones de clase B Clase 0 A

7

0

15

netid 8 bits

Clases de Redes

B

C

1

0

1 1 0

23

31 1.0.0.0 a 127.255.255.255


hostid

16 bits

16 bits

128.0.0.0 a 191.255.255.255

netid

hostid

24 bits

8 bits

192.0.0.0 a 223.255.255.255

a En esta clase, los dos bits (losDirección más amulticast la izquierda) tiene el224.0.0.0 valor fijo “10”, siendo D más 1 significativos 1 1 0 239.255.255.255 los 16 bits menos significativos los que corresponden con direcciones para ordenadores (host) 

© Julián A.

E

1 1 1 1

Red marciana

240.0.0.0 a 247.255.255.255

269/269

Documentos Alumnos

216 = 65536. De todas estas combinaciones, dos de ellas (la primera y la última) están reservadas para identificar la dirección de Red y para Broadcast (difusión), respectivamente, y no pueden ser usadas para host’s


Apuntes alumnos

Según esto, posibles identificadores de red habrá 214 = 16384 direcciones de red de clase B posibles. Un ejemplo de una dirección IP clase B sería 129.10.1.2, que se codificaría en binario según aparece en la tabla siguiente:

10000001 129

Binario Decimal

Red 00001010 10

Máquina 00000001 00000010 1 2

El rango de direcciones (en base decimal) iría desde 128.0.xxx.xxx. hasta 191.255.xxx.xxx. 2.5.4.3 Las direcciones de clase C Clase 0 A

7

0

15

netid 8 bits

Clases de Redes

B

C

1

0

23

31 1.0.0.0 a 127.255.255.255


hostid

16 bits

16 bits

1 1 0

128.0.0.0 a 191.255.255.255

netid

hostid

24 bits

8 bits

192.0.0.0 a 223.255.255.255

a En esta clase, los tres bits significativos (losDirección más amulticast la izquierda) tiene el224.0.0.0 valor fijo “110”, D más 1 1 1 0 239.255.255.255 siendo los 8 bits menos significativos los que corresponden con direcciones para ordenadores (host)  28 = 256. De todas estas combinaciones, dos de ellas (la primera y la última) están reservadas 240.0.0.0 a E 1 1Red 1 1y para Broadcast Red marciana para identificar la dirección de (difusión), respectivamente, y no pueden ser 247.255.255.255 usadas para host’s.

Según esto, posibles identificadores de red habrá 221 = 2097152, de las cuales algunas está reservadas Un ejemplo de una dirección IP clase B sería 129.10.1.2, que se codificaría en binario según aparece en la tabla siguiente:

Binario Decimal

11000001 193

Red 10101000 168

00000001 1

Máquina 00000001 1

El rango de direcciones (en base decimal) iría desde 192.0.1.xxx hasta 223.255.254.xxx. 2.5.4.4 Las direcciones de clase D y clase E

Las direcciones de clase D son un grupo especial que se utiliza para dirigirse a grupos de máquinas (multdifusión). Son direcciones especiales que deben utilizarse en aquellas situaciones en las que se desee enviar a varios equipos a la vez un mismo tipo de información. Es habitual utilizar este clase de direcciones en la transmisión de “imágenes” a varios equipos informáticos de una misma red sobre los que deseemos restaurar el sistema. Estas direcciones son muy poco utilizadas. Los cuatro primeros bits de una dirección de clase D son 1110(2. © Julián A.

270/270

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

El rango de direcciones identificado como clase E se ha dejado reservado para uso experimental y de prueba. Clase 1110 D

grupo de multicast (multidifusión)

Clase 1111 E

(direcciones reservadas: no se pueden utilizar)

Las direcciones de clase D empiezan con un número entre 224 y 239. Las direcciones de clase E empiezan con un número entre 240 y 255. 2.5.4.5 Direcciones de red reservadas

Existen una serie de direcciones IP con significados especiales. 2.5.4.5.1

Direcciones reservada para redes privadas.

La interconexión de ordenadores o equipos en general no tiene por que hacerse en redes públicas sino que puede hacerse en redes privadas. La diferencia entre ellas es que mientras en las redes públicas, cada ordenador de dicha red forma parte de la red de redes que es hoy día Internet, en las redes privadas, cada ordenador no forma parte de Internet, sino que forma parte de una red en la que los ordenadores pueden comunicarse entre sí, pero no tienen conexión física con el exterior. Es este último caso, estas redes suelen tener un equipo que interconecta la red privada con la red pública que es Internet (ver figura). Rangos de direcciones IP reservados para uso privado Clase Redes A

10.0.0.0 hasta 10.255.255.255

B

172.16.0.0 hasta 172.31.0.0

C

192.168.0.0 hasta 192.168.255.0

NOTA : Las máscaras de subred son completamente elegibles, y no existen mascarás de subred por defecto en estos casos

Vemos que en este caso (redes privadas) también existen clases, y en cada caso aparece el rango de direcciones posibles a utilizar en cada una de las clases, teniendo las direcciones IP correspondientes un formato similar al indicado en el caso de redes públicas anterior (mismo número de host a poner en cada una de las redes privadas respecto a las redes públicas de su misma clase). Por lo tanto, con lo que acabamos de comentar, se puede decir que las direcciones IP de las redes públicas son únicas e identifican tanto las redes como los host que en ellas existan, no pudiendo existir duplicidad de direcciones (si una dirección IP la usa alguien, no podrá ser usada por nadie en ese mismo instante). Sin embargo, dado que redes privada puede haber tantas como se desee (una organización puede si lo desea hacer una red privada), las direcciones IP privadas pueden ser repetidas ya que en cada caso identificarán equipos internos de una red privada que nunca podrán © Julián A.

271/271

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

interferir con los equipos de otra red privada distinta. Dos equipos podrán tener una misma IP privada ya que nunca habrá posibilidad de confundirlos al estar conectados en forma privada y por tanto no tener acceso a redes públicas. Si en este último caso, un equipo de una red privada cuya IP es por ejemplo 10.10.10.216 quisiera enviar información a otro equipo contenido en otra red privada cuya IP es también 10.10.10.216, ambos equipos se comunicarían a través del elemento que interconecta ambas redes privada a la red pública Internet (en general los routers), y estos routers tienen cada uno sus direcciones IP de la parte pública distintas, con lo que no habrá duplicidad de direcciones ni interferencia ninguna. Los bloques de direcciones IP públicas que han sido reservadas para su uso en redes LAN privadas (que no se van a conectar a Internet y que aparte no se enrrutaran hacia otros emplazamientos de la organización, es decir, redes que se mantendrán aisladas) son: CLASE A: CLASE B: CLASE C:

(Desde > 10.0.0.0) (Hasta > 10.255.255.255) (Desde > 172.16.0.0) (Hasta > 172.31.255.255) (Desde > 192.168.0.0) (Hasta > 192.168.255.255)

Tabla. Direcciones de subredes reservadas. Direcciones de subredes reservadas 000.xxx.xxx.xxx (ldentificador de red) 127.xxx.xxx.xxx (Reservada como dispositivo loopback, o lo que es lo mismo, para poder referirse la propio ordenador) 128.000.xxx.xxx (ldentificador de red) 191.255.xxx.xxx (Reservada para máscara de red) 192.168.xxx.xxx (Reservada para intranets) 223.255.255.xxx (Reservada para máscara de red) Tabla. Direcciones de máquinas reservadas. Direcciones de máquinas reservadas xxx.000.000.0 (ldentificador de red) xxx.255.255.2 xxx.xxx.000.0 xxx.xxx.255.2 xxx.xxx.xxx.0 xxx.xxx.xxx.2

(Reservada para máscara de red) (ldentificador de red) (Reservada para máscara de red), (ldentificador de red) (Reservada para máscara de red)

2.5.4.6 Máscaras de subred - Haciendo subredes de una red cualquiera.

Según lo ya indicado, las direcciones IP identifican tanto a las redes como a los equipos que las componen. Dichas direcciones IP se clasifican en Clases (tanto para redes públicas como para redes privadas). Sin embargo, en general es muy habitual necesitar interconectar ordenadores a una red que no utilice todo el rango de direcciones de la clase. Por poner un ejemplo, supongamos que © Julián A.

272/272

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

deseamos conectar 16 ordenadores en red. Si queremos formar con ellos una red pública, tendremos que adquirir una red clase C pública (la que permite tener menor número de ordenadores), y sin embargo de los 254 ordenadores posibles que podríamos interconectar sólo deseamos poner 20, con lo que desperdiciamos muchas direcciones IP (gato en direcciones IP, y dinero no rentabilizado). Una solución a esto es hacer subredes de la red clase C original, de forma que dividimos la red original en partes iguales (vamos dividiendo por 2 de cada vez), y así nos podríamos quedar con uno de los “trozos” (una subred) y “revender” por ejemplo el resto de trozos a terceros. A esto se le conoce como hacer subneting (subredes). Debe tenerse en cuenta que lo único que podemos hacer es coger una red original (clase A, B o C sea pública o privada), e ir dividiéndola en mitades iguales, de forma que dejamos de dividir cuando los trozos sean del tamaño que nosotros deseemos. En ese momento, utilizamos los trozos que necesitemos, y podemos vender los trozos que sobren. Estas operaciones las realizan constantemente los IPS (Internet Service Provider), o sea, las compañías que ofrecen servicios de Internet a los usuarios (Telefónica, Compañías de cable, etc). Para hacer divisiones de una red, se utiliza la máscara de subred (cuyo valor se debe poner en cada uno de los ordenadores que componen la subred. La máscara de subred es un número binario de 32 bits (4 bytes) que tiene apariencia similar a una dirección IP. Se suele escribir como 4 números decimales de entre 0-255. No obstante, un máscara de subred siempre empieza con sus bits más significativos a “1” y en un bit determinado (elegible) pasa a “0” valor que tienen ya el resto de bits. Según esto, un máscara de subred podría ser un número como el siguiente: 11111111.11111111.11111111.00000000 = 255.255.255.0

Pero no podría ser un número como el siguiente 11111110.01111111.11111111.00000101 = 254.127.255.5

La elección del lugar en el que los “unos” pasan a ser “ceros” depende de lo que deseemos dividir la red original. Si empleamos la denominada máscara de subred por defecto, la red original no quedará dividida, y según modifiquemos dicha máscara de subred por defecto, iremos dividiendo la red original en mitades. Redes públicas Clase 0 A

7

0

15

netid

C

1

0

1 1 0

23

1.0.0.0 a 127.255.255.255

1 1 1 0

E

1 1 1 1

Rangos de direcciones IP reservados para uso privado

24 bits netid

hostid

16 bits

16 bits netid 24 bits

D

31

hostid

8 bits B

Redes privadas

128.0.0.0 a 191.255.255.255

hostid

192.0.0.0 a 223.255.255.255

8 bits

Clas Redes e A

10.0.0.0 hasta 10.0.0.0

B

172.16.0.0 hasta 172.31.0.0

C

192.168.0.0 hasta 192.168.255.0

a Dirección Máscaras demulticast subred por defecto 224.0.0.0 tanto para redes públicas como 239.255.255.255 privadas

MáscarasRed pormarciana defecto:

240.0.0.0 a 247.255.255.255

Veamos el uso de las máscaras de subred con un ejemplo. © Julián A.

273/273

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Supongamos que deseamos hacer una red con 16 ordenadores conectados a una red pública. Dado que las redes se clasifican en clases, debemos elegir que clase de red cubre nuestras necesidades y por tanto debemos “comprar” (si es que realmente pudiéramos). Para este caso, y dado que de las existentes la calse C es la que permite menor número de host, elegimos comprar una red clase C. Supongamos que la red clase C que compramos tiene por dirección: 192.0.0.0 (la primera red clase C pública posible, aunque esto va a ser irrelevante para el resto del ejemplo). Esta red clase C puede contener 256 host, y por tanto es demasiado grande. Podríamos dividirla en mitades para llegar a tener un tamaño que se ajuste a nuestras necesidades. Para hacerlo vamos a utilizar la máscara de subred. Si dejamos la máscara de subred por defecto para esta clase, no estaremos haciendo ninguna división. Sin embargo “robando” bits a la máscara original (poniendo “unos” de más) estaremos dividiendo sucesivamente en mitades la red original: Máscara de subred en notación binaria

Máscara de subred en notación decimal

11111111.11111111.11111111.00000000 255.255.255.0 11111111.11111111.11111111.10000000 11111111.11111111.11111111.11000000 11111111.11111111.11111111.11100000 11111111.11111111.11111111.11110000 11111111.11111111.11111111.11111000 11111111.11111111.11111111.11111100 11111111.11111111.11111111.11111110 11111111.11111111.11111111.11111111

255.255.255.128 255.255.255.192 255.255.255.224 255.255.255.240 255.255.255.248 255.255.255.252 255.255.255.254 255.255.255.255

Número de subredes creadas

Número de subredes utilizables

Número de host posibles a tener en cada subred

0

0

2 4 8 16 32 64 128 256

2-2=0 4-2=2 8-2=6 16-2=14 32-2=30 64-2=60 128 256

256-2 = 254 (no subredes) 128-2 = 126 64-2 = 62 32-2 = 30 16-2 = 14 8-2 = 6 4-2 = 2 2-2 = 0 1-2 = -1

NOTAS: Cada subred también debe tener un identificador de subred y una dirección de broadcast (difusión), por lo que al igual que en la red original, al número de host que se obtiene de cada división debe restarse 2 unidades para obtener el número real de host que pueden incluirse en cada subred. También tiene que tenerse en cuenta que la red original (sin dividir) tiene una dirección de red (primera dirección), y una dirección de broadcast (última dirección) que no puede ser usada por ninguna subred, por lo que no se puede dividir en dos la subred original ya que las dos mitades tendrían una de ellas la primera dirección de la red original (que identifica dicha red), y la otra mitad la última dirección de la red original (que el la de broadcast de la misma) En la situación anterior aparecen tachadas aquellas combinaciones que no se pueden dar por alguna de las razones siguientes: En número de host posibles a albergar en una subred debe ser mayor que 0 (sino no tiene sentido). En número de subredes utilizables debe ser mayor que 0 (sino no tiene sentido). En definitiva, para hacer subredes se procede de la siguiente forma: 1. Se debe tener una red inicialmente de la que partir (de una clase concreta) 2. Si se deja la máscara por defecto (en función de la clase de red que se tenga), no se hacen subredes, sino que se tendrá una red única 3. Según se agreguen (o roben) “1os” a la máscara original se irá “partiendo” la red original en mitades, teniendo presente que aquellas mitades que tengan las primera o última direcciones de la red original no pueden ser usadas como subredes, sino que serán partes que podrán usarse como zonas de la red original. © Julián A.

274/274

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

4. Al dirección de sub-red de cada “trozo” creado, así como la dirección de difusión de cada “trozo” serán la primera y última direcciones respectivamente de cada trozo válido creado. 5. Si el trozo no tiene nada más que dos direcciones, éstas serán las direcciones de subred y de difusión de dicho trozo, siendo por tanto una división inútil.

2.5.4.7 Ejemplos resueltos:

2.5.4.7.1

Ejemplo 1: Diseño de subredes de clase B.

Tenemos contratada una red clase B completa: 166.113.0.0. Necesitamos poder disponer de al menos un total de 15 subredes, y en la más grande de dichas subredes deben ser albergados 450 hosts. SOLUCIÓN: Para conseguirlo hay que tomar la máscara de la red clase B por defecto: 255.255.0.0 e ir añadiendo “1os” hasta obtener 15 “trozos” o subredes usables: Máscara de subred por defecto en notación binaria

Máscara de subred en notación decimal

11111111.11111111.00000000.00000000

255.255.0.0

Notación CDIR (IP / Bits en “1” de la máscara) 166.113.0.0/16

11111111.11111111.10000000.00000000 11111111.11111111.11000000.00000000 11111111.11111111.11100000.00000000 11111111.11111111.11110000.00000000 11111111.11111111.11111000.00000000 11111111.11111111.11111100.00000000 11111111.11111111.11111110.00000000 11111111.11111111.11111111.00000000

255.255.128.0 255.255.192.0 255.255.224.0 255.255.240.0 255.255.248.0 255.255.252.0 255.255.254.0 255.255.255.0

166.113.0.0/17 166.113.0.0/18 166.113.0.0/19 166.113.0.0/20 166.113.0.0/21 166.113.0.0/22 166.113.0.0/23 166.113.0.0/24

Número de subredes creadas 0

Número de subredes utilizables 0

2 4 8 16 32 64 128 256

2-2=0 4-2=2 8-2=6 16-2=14 32-2=30 64-2=60 128-2=126 256

Número de host posibles a tener en cada subred 65536-2 = 65534 (sin subredes) 32768-2 = 32766 16384-2 = 16382 8192-2 = 8190 4096-2 = 4094 2048-2 = 2046 1024-2 = 1022 512-2 = 510 256-2 = 254

Por lo tanto, para el caso indicado en este problema nos surgen 3 posibles opciones que cumplan los requisitos indicados. En casos de este tipo, si no hay indicación alguna que condicione podremos elegir cualquiera de las opciones posibles 2.5.4.7.2

Ejemplo 2: Diseño de subredes de clase C

Supongamos que un ordenador posee una configuración de red como la de la figura. Ello significará que:       © Julián A.

Pertenece a una red privada clase C No está dentro de ninguna subred, ya que utiliza la máscara de subred por defecto. La red se identifica por la IP : 192.168.1.0 (primera) La dirección de broadcast será : 192.168.1.255 (última) La puerta de enlace tiene una IP válida para un equipo presente en la subred. Todo equipo que no esté en la misma subred que este, no podrá compartir recursos con el mismo 275/275

Documentos Alumnos

2.5.4.7.3

Ejemplo 3: Diseño de subredes de clase B.

Apuntes alumnos

 


Supongamos un ordenador que posee la configuración de red de la figura. Ello significará que:



  



Pertenece a una red publica clase B Está dentro de una subred (ver imagen posterior). La red original se ha dividido en 8 subredes de las que 8-2 = 6 son utilizables. El ordenador está incluido dentro de la primera de las subredes utilizable. La subred se identifica por la IP : 191.255.32.0 (primera de la subred). La dirección de broadcast será : 191.255.63.255 (última de la subred). La puerta de enlace tiene una IP válida para un equipo presente en la subred. Todo equipo que no esté en la misma subred que este, no podrá compartir recursos con el mismo.

191.255.32.2 255.255.224.0 191.255.32.1

Para poder comprobar las respuestas anteriores, podemos utilizar algún software de cálculo de subredes como lo es Advanced IP Address Calculador:

SUBREDES UTILIZABLES EN ESTE CASO

2.5.4.7.4

Ejemplo 4

Dos equipos presentes en una pequeña oficina, disponen de conexión a Internet contratada con un operador de cable local (ISP local). Los equipos disponen de una configuración de red se muestra respectivamente a continuación: Equipo 1 Equipo 2

© Julián A.

212.43.134.35

212.43.134.45

255.255.255.248

255.255.255.248

212.43.134.33

212.43.134.41

276/276


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Indique:

  

Ambos a pertenecen a una red clase C pública. Clase y tipo de red a la que pertenece cada equipo No, están en subredes consecutivas pero distintas ¿Están ambos dentro de la misma subred? Indique alguna repercusión que tendrá el funcionamiento Subredes distintas anterior?  No pueden compartir recursos.

Subredes distintas  Presentan cierta separación lógica.

2.5.4.7.5 Ejemplo 5. Problemas con subredes y visibilidad de recursos compartidos entre equipos.

Lee la siguiente consulta publicada por un usuario en un foro de una página de Internet, e indica las posibles soluciones a la consulta. Consulta: Hola, tengo ADSL por cable modem con AUNA, esta me asigna una IP dinámicamente para vez que enciendo uno de mis ordenadores (exactamente para cada MAC de mi tarjeta de red). Tengo dos ordenadores ambos con S.O. WXP. Mi configuración física es la siguiente: de la salida de mi cable MODEM (solo tiene una salida) saco un cable eterneth y lo conecto al puerto 1 de un swicth, del puerto 2 saco un cable a la tarjeta de eterneth del ordenador 1 y del puerto 3 saco un cable a la tarjeta de eterneth del ordenador 2. Resultado: consigo dos IP’s y ambos ordenadores navegan perfectamente por Internet con IPs distintas. Pero hay es donde empieza el problema porque NO CONSIGO QUE SE VEAN. En cambio, si a uno de los ordenadores le asigno manualmente yo la IP poniendo una consecutiva a la del otro, y pongo en ambos la misma máscara de subred, entonces se ven, pero al que le he asignado la IP y mascara manualmente deja de tener acceso a Internet. Para más inri, y sin explicación lógica, cuando les da, se ven, ambos con IP’s distintas, pero según el día. Hay alguna forma de conseguir que ambos ordenadores se vean teniendo ips distintas????. Gracias por adelantado ;-)

Respuesta: Empecemos diciendo que o tienes ADSL, o tienes un cablemodem, pero no las dos cosas. La ADSL va sobre telefonía analógica, mientras el cable va sobre eso, sobre cable (de fibra tiene sólo hasta uno de los 2 o 3 nodos de tu ciudad, porque a partir de dicho nodo a tu casa llegan con cable coaxial en banda ancha, o sea, llevan Internet modulado en una frecuencia y TV analógica + tfl también analógica modulado en otras frecuencias, y luego dicen lo de la fibra y lo de digital). Siendo Auna tu proveedor, supongo que la tuya es una conexión de cable. De la forma que tienes la conexión, es normal que los PC`s no se vean entre si, ya que ambas tarjetas tienen direcciones de salida directa a Internet (lo cual es un chollo pagando sólo una), pero no tienes red local. Si quieres Internet en ambos ordenadores, y a su vez tener red local entre ellos tienes que optar por alguna de las siguientes opciones. 1º Comprarte un router y lo colocas donde tienes el switch, y luego asignas direcciones de red privada a cada PC.

Seguramente sea ésta la mejor opción, pero tienes el problema habitual de que con eso, solo tendrás una dirección de salida directa a Internet (la que pagas), y ello te obligara a andar mapeando puertos si quieres montar servidores, emules, y demás historias (tablas NAT). Así y todo te aconsejo esta opción, sobre todo antes de tener que pasar un fichero de un PC a otro con diskettes, usbs y cosas así. 2º Que uno de los PC`s actúe como servidor de Internet para el otro (que actuará como cliente). Para hacerlo necesitas comprar una segunda tarjeta para el ordenador servidor, e instalar un programa en él un Proxy (programa servidor de Internet). El otro ordenador se conectará a Internet a través del ordenador servidor (que será su puerta de enlace). El inconveniente es que para tener Internet en el PC cliente debe estar encendido obligatoriamente el PC servidor. 3º Comprar otra tarjeta de red para cada PC (cada uno 2 tarjetas), poner un cable cruzado que conecte esas segundas tarjetas y configurarlas para que se conecten a una misma red privada. Todo ello sin modificar lo que ya tienes. 4º Hablar del problema con tu proveedor de servicios y pedirles que te den direcciones IP dentro de la misma subred. Seguramente te incrementen el precio de la segunda IP, y además dado que el problema de que los PC`s se encuentran en distinta subred viene causado por lo estructurada que dicho ISP tenga su red, puede que no te garanticen la misma subred para ambos equipos. Como ves todas las opciones tienen ventajas e inconvenientes, no entro en más detalles porque creo que están bastante claros. Ahora es cosa tuya decidir cual te conviene más.

2.5.4.7.6

Ejemplo6: Ejemplos de preguntas tipo Test al respecto

De la forma que lo tienes ahora mismo montado, es propable que los ordenadores se vieran siempre que esten en la misma subred, pero serialas tonteria conectarque 2 PC´s a traves (puede de inet. haber ninguna o varias opciones correctas en cada Maque opciones sonpegados verdaderas una de las preguntas).

1.- De las Clases IP: I) la Clase C posee 24 bits de Red II) la Clase A posee 16 bits de host III) la Clase D está reservada para aplicaciones multicast © Julián A.

277/277

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

2.- La dirección de broadcast I) posee todos los bits de host en 1 II) es la última dirección IP de una subred III) puede ser utilizada por un PC 3.- Una máscara 255.255.0.0 indica: I) que corresponde a una red del tamaño de una Clase A II) que podría ser una subred de una Clase A III) que puede ser una Clase B 4.- Si la máscara de una subred es 255.255.255.192 y el broadcast es 199.20.50.191, entonces: I) es la 3era subred de una clase C II) la dirección de red es 199.20.50.0 III) la subred posee 64 direcciones IP 5.-Si la subred posee dirección de red 200.5.5.160 y broadcast 200.5.5.191, entonces I) la máscara es 255.255.255.192 II) el PC 200.5.5.175 pertenece a esta subred III) la subred posee tamaño 32 direcciones IP 6.- Si la subred posee dirección de red 100.20.0.0 y broadcast 100.20.255.255: I) hay 65536 direcciones IP en la subred II) es una clase B III) es una subred de una clase A del tamaño de una clase B 7.- La subred 200.1.20.192 con máscara 255.255.255.192 indica que: I) existen 64 direcciones IP en esa subred II) que es la 3era subred de la clase C III) posee dirección broadcast 200.1.20.255 8.- Si un PC tiene dirección IP 200.1.16.225 y máscara 255.255.255.192 I) pertenece a la 4ta subred de la clase C II) posee broadcast 200.1.16.256 III) la subred puede contener hasta 62 PC y/o tarjetas de red

Respuestas correctas: 1 - I , III 2 - I , II 3 - II , III 4 - I , III 5 - II , III 6 - I , III 7 - I , III 8 - I , III 2.5.4.8 Asignación de direcciones IP

La asignación de la configuración de un equipo en cuanto a direcciones IP y máscaras de subred puede realizarse de varias formas: 

Manualmente, Cuando se configura por una persona en función de las características de la red que quiera obtener, o bien cuando una compañía proveedora de servicios de Internet (ISP) nos indica la configuración que debemos introducir para formar parte de la red que nos haya asignado. Como ventaja indicar la posibilidad de ubicar servidores de datos (WEB, FTP, etc.) con los que el resto de usuarios pueda conectarse. También tiene en ocasiones interés identificar a los usuarios con direcciones fijas con las que resolver responsabilidades en el uso de los servicios de red existentes. Sin embargo esto mismo también puede verse como una desventaja, ya que de cada usuario estará más identificado y por tanto también puede ser más vulnerable a ataques externos.

© Julián A.

278/278

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos



Dinámicamente, En este caso, un equipo llamado servidor DHCP (y que en los casos en los que se elige esta opción suele ser el router de la red), asigna direcciones IP y máscaras de subred en función de lo que le hayamos indicado a dicho servidor DHCP. Éste es el único método que permite la reutilización de direcciones IP. En la configuración del servidor DHCP, se asigna un rango de direcciones IP a ir otorgando a cada ordenador presente en la red según van encendiendo. En este caso el Sistema Operaivo de cada ordenador debe estar sólo configurado para solicitar direcciones IP y máscaras al servidor DHCP. El proceso es transparente para el usuario y tiene un periodo de validez limitado (normalmente las direcciones IP tiene validez de horas (1-2h o bien 24h). Pasado dicho periodo, se vuelven a pedir los datos al servidor DHCP para que nos asigne dirección de nuevo. Las IPs dinámicas son las que actualmente ofrecen la mayoría de operadores. Éstas suelen cambiar cada vez que el usuario reconecta por cualquier causa. Como ventaja indicar que reduce costos de operación a los proveedores de servicios internet (ISP) que usan pocas direcciones para ir dándoselas a muchos usuarios, así como procurar cierta intimidad a no tener una IP asignada con la que se identifique unívocamente al usuario (no obstante el usuario está identificado en todo momento en las tablas de asignación del operador). Como desventaja indicar la imposibilidad de ubicar servidores de datos (WEB, FTP, etc.) con los que el resto de usuarios pueda conectarse, al variar constantemente la dirección en las que se encuentran dichos servidores.

2.5.4.9 Puertas de enlace predeterminadas

Las puertas de enlace predeterminadas desempeñan una función importante en las redes TCP/IP. Proporcionan una ruta predeterminada que pueden utilizar los hosts (ordenadores) que utilizan el odelo TCP/IP para la comunicación con otros hosts (ordenadores) en redes remotas. La siguiente ilustración muestra la función que desempeñan dos puertas de enlace predeterminadas (que en este caso, como suele ser habitual son dos routers o enrutadores) para dos redes: red 1 y red 2.

Para que el host A de la red 1 pueda comunicarse con el host B de la red 2, el host A envía el tráfico TCP/IP que va dirigido al host B (del que no tiene ni idea de donde se podrá encontrar) a su propia puerta de enlace predeterminada, qu es el el enrutador IP 1. El mismo principio se aplica si el host B envía tráfico al host A. Las puertas de enlace predeterminadas son importantes para que el enrutamiento IP funcione correctamente. En la mayor parte de los casos, son los routers o enrutador los que actúa como puerta de enlace predeterminada. Sólo los enrutadores que actúa como la puerta de enlace predeterminada necesitan mantener un nivel de información de enrutamiento para llegar a otros segmentos de red remotos del conjunto de redes más grandes. Al hacer esto, descarga de dicho trabajo a los propios host’s.

© Julián A.

279/279

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

2.5.4.10 Servidores DNS

DNS es una abreviatura para Sistema de Nombres de Dominio (Domain Name System). Es un sistema para asignar nombres a las direcciones IP de los host. Por ejemplo, la mayoría de los usuarios prefieren un nombre descriptivo, fácil de utilizar, como ejemplo www.google.com para localizar un equipo (como un buscador de Internet, servidor Web, servidor de correo, etc) en lugar de recordar su dirección IP (que en el momento de escribir este texto es 216.239.39.104, con lo que podría ponerse en un navegador http://216.239.39.104 y funcionaría exactamente igual). Si ponemos el nombre asignado, de nuestro ordenador va una petición al servidor DNS (al primario, y si este falla al secundario) para que traduzca el nombre por su dirección IP. Cuando el servidor DNS nos responde, el navegador vuelve a enviar un mensaje pero esta vez el propio navegador pone la dirección IP correspondiente a dicho nombre. Todo ello se hace de forma transparente al usuario, ya que de todas las labores anteriores se encargan la sucesivas capas en las que se divide la comunicación según el modelo TCP/IP (cuya referencia es el modelo OSI). Por tanto, cuando al poner en un navegador www.google.com no nos aparece la página solicitada, no significa que nuestra conexión a Internet no esté operativa, sino que puede ser que el servidor DNS no esté operativo, o esté sin poner. En la figura se muestra como el servidor DNS de un equipo presente en una red privada generalmente suele ser el router de la red. Si embargo, si entramos en la configuración de dicho router, veremos que en el apartado DNS tendrá configurado algo como lo siguiente:

Velocidades de subida (Upstream) y de bajada (downstremam), en kbps asignadas por el proveedor de servicio de Internet. Vemos la asimetría total de la línea (línea ADSL)

© Julián A.

Configuración de los servidores DNS primario y secundario 280/280


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

En general cada empresa proveedora de servicios de Internet tiene sus propios servidores DNS (que deben actualizarse constantemente, para albergar la correspondencia de direcciones IP con páginas web novedosas). No obstante no hay ningún inconveniente en configurar como servidor DNS los servidores de empresas distintas de las contratadas (esto es útil cuando un proveedor no actualiza las tablas DNS de sus servidores con rapidez) En la siguiente figura, un equipo cliente consulta a un servidor DNS, preguntando la dirección IP de un equipo cuyo nombre es host-a.ejemplo.microsoft.com. El servidor DNS devuelve la dirección IP que tenga almacenada en sus tablas, en este caso 192.168.1.20.

Por tanto, cuando se intenta establecer una conexión con otra máquina, no se suele poner la dirección IP de ésta sino que se utiliza un nombre. Los servidores DNS los los encargados de transformar ese nombre a una dirección IP. Por ejemplo, www.pepito.com está asociada a la dirección 192.168. 1. 1. Las direcciones de Correo varían ligeramente su nomenclatura. Dicho nombre consta de dos partes: • Identificación del usuario + @ Usuario @ nombre • Nombre de la máquina de la máquina

El nombre de la máquina se llama dominio, que a su vez puede estar dividido en subdominios, Lo normal es que un dominio tenga tres subdominios, de los cuales el de más a la derecha se denomina subdominio de primer nivel y es el más genérico de todos. Para entender los subdominios se deben mirar de derecha a izquierda. Existen dos tipos de subdominios de primer nivel:  

Subdominios de organizaciones, originalmente utilizados casi de manera exclusiva en Estados Unidos, aunque en la actualidad se han extendido. Subdominios geográficos utilizados en el resto del mundo.

Tabla. Dominios de organizaciones. Subdominio 1er nivel. Organizaciones .com .edu .gov .int .mil .net .ora Tabla. Dominios geográficos. Subdominio, 1er nivel. Geográficos .it © Julián A.

Significado Organización comercial Educación Gobierno EE.UU. Organización internacional Organización militar Gestión de la propia red, otras organizaciones Significado Italia

281/281


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

.jp .ca .de .es .fr .uk .ar .va .mx .br

Japón Canadá Alemania España Francia, Reino Unido Argentina Vaticano. México Brasil

El siguiente dominio suele hacer referencia a la institución en concreto, no al tipo, a través de las iniciales. El último dominio hace referencia al nombre de la máquina. • Ejemplos de nombres de máquinas en Internet: «www.yahoo.es» «www.terra.es» «ftp.cdrom.com»

• Ejemplos de direcciones de correo electrónico: En este caso se utiliza el carácter «@» (arroba) para separar el nombre de usuario del dominio al que pertenece. «[email protected]» «[email protected]» «[email protected]»

Se suelen utilizar siempre letras minúsculas para los nombres asociados a las direcciones IP. 2.5.4.11 Órden PING

PING es una orden que reconocen todos los sistemas operativos y que puede servir para informarnos de aspectos relacionados con el funcionamiento de una red. La orden PING envía mensajes de solicitud de eco a un host remoto e informa de las respuestas. Veamos su funcionamiento, en caso de no producirse incidencias en el camino.   

A envía un mensaje ICMP de tipo 8 (es el denominado Echo o PING) a B B recibe el mensaje y devuelve un mensaje ICMP de tipo 0 (Echo Reply) a A A recibe el mensaje ICMP de B y muestra el resultado en pantalla

Para poder probar la orden, vamos a una consola del sistema (en los sistemas operativos Windows XP está en Inicio Todos los programas Accesorios  Símbolo del sistema, y en la ventana que nos aparece ponemos: C:>ping 172.20.9.7 -n 1

© Julián A.

282/282

Documentos Alumnos

Haciendo ping a 172.20.9.7 con 32 bytes de datos: Respuesta desde 172.20.9.7: bytes=32 tiempo<10ms TDV=128


Apuntes alumnos

En la orden anterior hemos utilizado el parámetro "-n 1" para que el host A únicamente envíe 1 mensaje de solicitud de eco. Si no se especifica este parámetro se enviarían 4 mensajes (y se recibirían 4 respuestas). Si el host de destino no existiese o no estuviera correctamente configurado recibiríamos un mensaje ICMP de tipo 11 (Time Exceeded). C>ping 192.168.0.6 -n 1 Haciendo ping a 192.168.0.6 con 32 bytes de datos: Tiempo de espera agotado. Si tratamos de acceder a un host de una red distinta a la nuestra y no existe un camino para llegar hasta él, es decir, los routers no están correctamente configurados o estamos intentando acceder a una red aislada o inexistente, recibiríamos un mensaje ICMP de tipo 3 (Destination Unreachable). C>ping 1.1.1.1 -n 1 Haciendo ping a 1.1.1.1 con 32 bytes de datos: Respuesta desde 192.168.0.1: Host de destino inaccesible. 2.5.4.12 Utilización de PING para diagnosticar errores en una red aislada

C>ping 192.168.1.12 Si hay respuesta  el cableado entre A y B, las tarjetas de red de A y B, y la configuración IP de A y B están correctos.  Si no hay respuesta puede ser porque: o Tengamos mal el cableado o El cortafuegos del equipo 192.168.1.12 esté configurado para no dar respuesta a los “ping”  Si aparece el mensaje “Host de destino inaccesible” debemos comprobar las direcciones IP y máscaras de subred de A y B porque no pertenecen a la misma red.  Si aparece un mensaje de Error en el reconocimiento de la orden, probablemente estén mal instalados los protocolos TCP/IP del host A. Para saberlo probar a hacer un ping dirección de loopback (normalmente 127.0.0.1 y que nos identifica a nosotros mismos) para asegurarse. Nota: El comando ping 127.0.0.1 informa de si están correctamente instalados los protocolos TCP/IP en nuestro host. No informa de si la tarjeta de red de nuestro host está correcta. 

2.5.4.13 Utilización de PING para diagnosticar errores en una red de redes A continuación veremos un ejemplo para una red de redes formada por dos redes (1 solo router). La idea es la misma para un mayor número de redes y routers.

© Julián A.

283/283

Documentos Alumnos

PING enviado


Apuntes alumnos

Respuesta correcta

C>ping 10.100.5.1  Si hay respuesta, el cableado entre A y B, las tarjetas de red de A, R1 y B, y la configuración IP de A, R1 y B están correctos. El router R1 permite el tráfico de datagramas IP en los dos sentidos.  Si aparece el mensaje “Tiempo de espera agotado”, debemos comprobar el host B y el cableado entre R1 y B, o bién pensar que el equipo de destino no responde a los “ping”  Para asegurarnos que el router R1 está funcionando correctamente haremos C>ping 192.168.1.1  Si aparece el mensaje “Host de destino inaccesible”, debemos comprobar el router R1 y la configuración IP de A (probablemente la puerta de enlace no sea 192.168.1.1). Recordemos que la puerta de salida (gateway) de una red es un host de su propia red que se utiliza para salir a otras redes.  Si aparece un mensaje de Error en el reconocimiento de la orden, probablemente estén mal instalados los protocolos TCP/IP del host A. Para saberlo probar a hacer un ping dirección de loopback (normalmente 127.0.0.1 y que nos identifica a nosotros mismos) para asegurarse.

En el caso producirse errores de comunicación en una red de redes con más de un router (Internet es el mejor ejemplo), se suele utilizar el comando PING para ir diagnosticando los distintos routers desde el destino hasta el origen y descubrir así si el fallo es responsabilidad de la red de destino, de una red intermedia o de nuestra red. Nota: Algunos hosts en Internet tienen deshabilitadas las respuestas de eco (mensajes ICMP tipo 0) como medida de seguridad. Esto suele suceder siempre que dentro del Sistema operático se tenga actidavo el cortafuegos (firewall). Debe tenerse en cuenta que si un gran numero de máquinas se ponen de acuerdo para hacer “ping’s” continuados a un host durante un mismo periodo de tiempo, dicho host posiblemente no pueda hacer frente a la carga de trabajo que supone responder a cada uno de los equipos solicitantes. Dependiendo de la relación entre capacidad de procesamiento de la víctima y los atacantes, el grado de sobrecarga varía, es decir, si un atacante tiene una capacidad mucho mayor (en esta casi sí, al ser un grupo de máquinas unidas en un mismo fin), la víctima no puede manejar el tráfico generado. Ésta situación pudiera conducir a la caída de dicho host por elevada carga de trabajo (situación típica en un ataque de denegación de servicios, también llamado ataque DoS - de las siglas en inglés Denial of Service)

2.5.4.14 Orden TRACERT

La orden TRACERT (traceroute en entornos Unix) hace una traza a un determinado host. TRACERT funciona enviando mensajes ICMP de solicitud de eco con distintos TTL; traceroute, en cambio, envía mensajes UDP. Si la comunicación extremo a extremo no es posible, la traza nos indicará en qué punto se ha producido la incidencia. Existen algunas utilidades en Internet, como Visual Route, que conocen la localización geográfica de los principales routers de Internet. Esto permite dibujar en un mapamundi el recorrido que siguen los datagramas hasta llegar a un host. C>tracert 130.206.1.2 © Julián A.

284/284


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Traza a la dirección saltos: 1 1 ms 1 ms 1 ms 2 122 ms 118 ms 128 ms 3 143 ms 232 ms 147 ms 4 130 ms 124 ms 246 ms 5 590 ms 589 ms 431 ms 6 612 ms 640 ms 124 ms 7 259 ms 242 ms 309 ms 8 627 ms 752 ms 643 ms 9 137 ms 117 ms 118 ms 10 109 ms 105 ms 110 ms 11 137 ms 119 ms 122 ms 12 109 ms 135 ms 115 ms

sun.rediris.es [130.206.1.2] sobre un máximo de 30 PROXY [192.168.0.1] MADR-X27.red.retevision.es [62.81.1.102] MADR-R2.red.retevision.es [62.81.1.92] MADR-R16.red.retevision.es [62.81.3.8] MADR-R12.red.retevision.es [62.81.4.101] MADR-R10.red.retevision.es [62.81.8.130] 193.149.1.28 213.0.251.42 213.0.251.142 A1-2-1.EB-Madrid00.red.rediris.es [130.206.224.81] A0-0-0-1.EB-Madrid3.red.rediris.es [130.206.224.86] sun.rediris.es [130.206.1.2]

Traza completa.

En este ejemplo hemos visto como para llegar a el equipo cuya IP es 130.206.1.2 hemos atravesado 12 routers dispersos por varios lugares de la geografía mundial. Existen algunos programas como Visual Route, que nos permiten visualizar en un mapa mundial el paso por los distintos routers hasta llegar al equipo destinatario. Ejemplo de Visual Route a una dirección IP de Taiwan (203.69.112.12):

También podemos hacer un tracert a una dirección de Internet de forma que el servidor DNS resuelva la dirección IP correspondiente del equipo destinatario de la información (en este caso www.google.com)

TRACERT enviado

Respuesta obtenida

2.5.4.15 Mensajes ICMP de tiempo excedido

Los datagramas IP tienen un campo TTL (tiempo de vida) que impide que un mensaje esté dando vueltas indefinidamente por la red de redes. El número contenido en este campo disminuye en una unidad cada vez que el datagrama atraviesa un router. Cuando el TTL de un datagrama llega a 0, éste se descarta y se envía un mensaje ICMP de tipo 11 (Time Exceeded) para informar al origen. © Julián A.

285/285


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Los mensajes ICMP de tipo 11 se pueden utilizar para hacer una traza del camino que siguen los datagramas hasta llegar a su destino. ¿Cómo? Enviando una secuencia de datagramas con TTL=1, TTL=2, TTL=3, TTL=4, etc... hasta alcanzar el host o superar el límite de saltos (30 si no se indica lo contrario). El primer datagrama caducará al atravesar el primer router y se devolverá un mensaje ICMP de tipo 11 informando al origen del router que descartó el datagrama. El segundo datagrama hará lo propio con el segundo router y así sucesivamente. Los mensajes ICMP recibidos permiten definir la traza. 2.5.4.16 Relación entre direcciones IP y direcciones físicas (MAC)

Se debe relacionar la dirección IP suministrada con la dirección física de nuestro dispositivo de red. Situándose en la jerarquía de niveles utilizada por Internet, se observa que por debajo del protocolo IP existe el nivel de enlace (Tabla 14.2), en el que encontramos protocolos como ARP (Address Resolution Protocol) o RARP (Reverse Address Resolution Protocol). Estos protocolos resuelven problemas relacionados con la traducción de direcciones IP a direcciones físicas de red y viceversa. ARP RARP

convierte una dirección IP en una dirección física. convierte una dirección física en una dirección IP.

En cada host debe existir una tabla de encaminamiento, que está limitada a la red que pertenece, y donde se asocia la dirección física de red con la dirección IP. Si la dirección IP no pertenece a la red, entonces hace dirigir los paquetes IP hacia el gateway o router que esté conectado a esa red, el cual ya posee unas tablas que referencian las redes que conocen. El contenido de estas tablas puede variar dinámicamente. Una práctica sencilla consiste, en asociar la dirección Ethemet de nuestra tarjeta de red con una dirección IP. Para ello usamos el comando ARP que se encuentra en el directorio Windows. arp –a  muestra toda la tabla ARP de un equipo concreto.

Figura. Ejecución del comando ARP.EXE. 2.5.4.17 Problemas con el número de direcciones IP disponibles. IPv6

A principios de 2010, quedaban menos del 10% de IPs sin asignar. En la semana del 3 de febrero del 2011, la IANA (Agencia Internacional de Asignación de Números de Internet, por sus siglas en inglés) entregó el último bloque de direcciones disponibles (33 millones) a la organización encargada de asignar IP´s en Asia, un mercado que está en auge y no tardará en consumirlas todas. Recordemos que IPv4 posibilita 4,294,967,296 (232) direcciones de red diferentes, un número inadecuado para dar una dirección a cada persona del planeta, y mucho menos a cada vehículo, teléfono, PDA, etcétera. En cambio, IPv6 admite 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456 (2128 o 340 sextillones de direcciones) — © Julián A. 286/286

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

cerca de 6,7 × 1017 (670 mil billones) de direcciones por cada milímetro cuadrado de la superficie de La Tierra. El actual protocolo IP, versión 4 (IPv4), soporta direcciones de 32 bits de longitud. IPv6 lleva esta longitud a 128 bits, dando un espacio de direccionamiento de tal magnitud, que se espera que dure mucho más que el anterior (de dice que con este sistema podría tener su propia dirección IP hasta el último grano de arena de cada playa dela tierra sin que ello hiciera que se agotaran). Además, se definieron mecanismos de separación de redes mucho más eficientes. IPv6 no sólo aumenta el tamaño de la dirección IP, sino que incorpora soporte de seguridad, transmisores de información sensibles al retardo (como puede ser audio y vídeo), reserva de ancho de banda, etc. Si bien un nodo, corriendo IPv6, puede conectarse transparentemente con un lPv4, existe una gran preocupación acerca de cómo se va a manejar la transición y si los usuarios de Internet aceptarán el cambio sin inconvenientes. 2.5.4.18 INTRANET

Una intranet no es más que una red local funcionando como lo hace Internet, es decir, usando el conjunto de protocolos TCP/IP en sus respectivos niveles. Este concepto es reciente y engloba a todo un conjunto de redes locales con distintas topologías y cableados, pero cuyos niveles de transporte y de red funcionan con los mismos protocolos. Este hecho facilita enormemente la conexión con otros tipos de redes a través de Internet, puesto que utiliza sus mismos protocolos. Además, todas las herramientas y utilidades que existen para Internet, se pueden utilizar en una intranet (creación de páginas web, correo electrónico, IRC ... ). Una intranet puede estar conectada a Internet o no. Si lo está, se debe tener cuidado en su seguridad, ya que si no existe ninguna limitación de accesos: cualquier usuario del exterior podría entrar en la red y manipular las bases de datos o los ficheros de la organización. Para evitar estos problemas, se utilizan los cortafuegos o firewalls, que son programas que pueden impedir que visitantes no autorizados accedan a recursos sensibles de una intranet, al tiempo que permiten el acceso a recursos públicos como el servidor web de la organización. 2.5.5 4.7.- INTERCONEXIÓN DE REDES

El término de interconexión de redes procede del inglés Internet-Working y especifica cómo podemos unir distintos tipos de redes, extendiendo de este modo su tamaño. Una vez estudiados los distintos estándares sabemos que el número de estaciones que componen una red es limitado y dependiente de la topología elegida. Habitualmente la selección del tipo y los elementos físicos de una red se ajusta a las necesidades que se tienen. Por eso podemos encontramos dentro de un mismo edificio varias redes con diferentes topologías, y con el tiempo puede surgir la necesidad de interconectarlas entre sí. La tabla siguiente resume escuetamente los distintos motivos por los que puede surgir la necesidad de segmentar o interconexionar dos o más redes. © Julián A.

287/287


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Tabla. Interconexión de redes Necesidad

Solución

Elevados tráficos en la red debido a aplicaciones que envían y reciben mucha información o requieren un gran ancho de banda sobre la red; por ejemplo, vídeo o audio. Se tiene que ampliar el número de puestos que forman la red, pero se necesita mantener el rendimiento de la red.

Segmentación de la red.

Crear un nuevo segmento de red en el que se pondrán los nuevos puestos y al que se pueden mover puestos que, por disposición física, pueda ser conveniente que pertenezcan al nuevo segmento creado en la misma. Se tiene la necesidad de unir dos redes exactamente iguales en la Se puede optar por definir una de ellas como un segmento de la empresa. otra y unirlas de esta forma; o bien, interconectar las dos redes con un dispositivo de nivel bajo (puente o bridge). Se tiene la necesidad de unir dos o más redes con diferentes Es necesario la interconexión de ambas redes a través de topologías pero trabajando con los mismos protocolos de dispositivos de nivel medio (encaminador o router). comunicaciones. Se tiene la necesidad de unir dos o más redes totalmente Es necesario La interconexión de ambas redes a través de diferentes, es decir, de arquitecturas diferentes. dispositivos de nivel alto (pasarela o gateway).

Segmentar una red consiste en dividirla en sub-redes para así poder aumentar el número de ordenadores conectados a ella y su rendimiento. Cuando se segmenta una red, lo que se está haciendo es crear subredes pequeñas que, por decirlo de alguna manera, se autogestionan, de forma que la comunicación entre segmentos se realiza cuando es necesario, es decir, cuando un nodo de un segmento quiere comunicarse con un nodo del otro segmento. Mientras tanto, cada segmento de la intranet está trabajando de forma independiente, por lo que en una misma red se están produciendo varias comunicaciones de forma simultánea. Evidentemente, esto mejora el rendimiento de la red general. La Tabla siguiente refleja las longitudes máximas de los segmentos dependiendo de las diferentes topologías de red. Topologías Ethernet coaxial grueso Ethemet coaxial fino Ethernet par trenzado Ethemet fibra óptica Token-Ring de par trenzado

Longitud 500 m 185 m 100 m 2 000 m 100 m

Tabla. Longitud de los segmentos de red

NOTA: Un segmento es un dominio de colisión de una red física. O sea, el tramo en el que pueden existir colisiones. Un switch debide sermentos de colisión, mientras el hub no. El dispositivo que se utiliza para segmentar una red debe ser inteligente (típicamente un switch, y no un hub), ya que debe ser capaz de decidir hacia qué segmento debe enviar la información llegado a él: si hacia el mismo segmento desde el que la recibió o hacia otro segmento diferente. Abstrayéndose de algunos detalles, es fácil pensar que segmentar una red (ya que se habla de subredes) es como interconectar redes diferentes. Sin embargo, cuando se habla de segmentar se hace referencia a una única red; esto lleva asociado lo siguiente: una única topología, un único tipo © Julián A.

288/288

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

de protocolo de comunicaciones, un único entorno de trabajo. Cuando se habla de interconectar redes, en la mayoría de los casos, las redes tienen como mínimo topologías diferentes. No obstante, sí debe destacarse que los dispositivos que se utilizan para segmentar redes coinciden con algunos de los dispositivos que son utilizados para interconectar redes diferentes. La interconexión de redes se puede establecer a varios niveles: desde el nivel físico, a través de un concentrador o hub, hasta niveles más altos (niveles del modelo OSI) a través de dispositivos como un puente (bridge) o un encaminador (router). De forma genérica, existen varias maneras de ampliar las redes:      

Repetidores: conexión a nivel físico, en el mismo segmento de red. Concentradores o hub para unir estaciones dentro de una red. Switch para unir estaciones dentro de una red. Bridges: conexión a nivel de enlace entre dos segmentos (iguales o distintos). Routers: conexión a nivel de red. Gateways: conexión a nivel de aplicación entre dos redes distintas.

La siguiente tabla muestra el nivel en el que trabajan los diferentes dispositivos. Tabla. Dispositivos de interconexión de redes.

Dispositivo

Nivel OSI

Repetidor

Físico Físico Enlace Red Aplicación

Concentrador o hub Puente o bridge Encaminador o router Pasarela o gateway 2.5.6 4.7.1.- CONCENTRADORES O HUB

Se trata de un dispositivo que interconecta puestos dentro de una red, si bién en la actualidad es un tipo de dispositivo que ya no se utiliza al ser totalmente sustituido por el switch (que son incluso a fecha actual más baratos). Es sin embargo el dispositivo de interconexión más simple que existe. Se denomina también repetidor multipuerto. Sus principales características son:    

Se trata de una caja de conexiones donde se centralizan todas las conexiones de una red (dispositivo con muchos puertos de conexión). Se centralizan las conexiones en su interior. Internamente funciona con una topología lógica en bus. Se suele utilizar para implementar topologías físicas en estrella física.

Existen dos tipos de concentradores o hub’s: • Hub activo: permite conectar nodos a distancias de hasta 600 metros. Suele tener entre 8 y 16 puertos y realiza funciones de amplificación y repetición de la señal. Pueden © Julián A.

289/289

Documentos Alumnos

crear redes virtuales VLAN, con lo que dividimos la red física en varias redes lógicas. Los más complejos además realizan estadísticas del tráfico que circula por la red.


Apuntes alumnos

• Hub pasivo: es una simple caja de conexiones, Permite conectar nodos a distancias de hasta 30 metros. Generalmente suelen tener entre 8 y 16 puertos.

2.5.6.1 Switch

Un conmutador o switch es un dispositivo digital lógico de interconexión de redes de computadoras que opera en la capa de enlace de datos del modelo OSI. Su función es interconectar dos o más segmentos de red, de manera similar a los puentes de red, pasando datos de un segmento a otro de acuerdo con la dirección MAC de destino de las tramas en la red. Un conmutador en el centro de una red en estrella. Los conmutadores se utilizan cuando se desea conectar múltiples redes, fusionándolas en una sola. Al igual que los puentes, dado que funcionan como un filtro en la red, mejoran el rendimiento y la seguridad de las redes de área local. 2.5.6.1.1

Interconexión de conmutadores y puentes

Los puentes y conmutadores se conectan unos a los otros pero siempre hay que hacerlo de forma que exista un único camino entre dos puntos de la red. En caso de no seguir esta regla, se forma un bucle o loop en la red, que produce la transmisión infinita de tramas de un segmento al otro. Generalmente estos dispositivos utilizan el algoritmo de spanning tree para evitar bucles, haciendo la transmisión de datos de forma segura.

2.5.6.1.2

Introducción al funcionamiento de los conmutadores

Los conmutadores poseen la capacidad de aprender y almacenar las direcciones de red de la capa 2 (direcciones MAC) de los dispositivos alcanzables a través de cada uno de sus puertos. Por ejemplo, un equipo conectado directamente a un puerto de un conmutador provoca que el conmutador almacene su dirección MAC. Esto permite que, a diferencia de los concentradores, la información dirigida a un dispositivo vaya desde el puerto origen al puerto de destino.

© Julián A.

290/290


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

En el caso de conectar dos conmutadores o un conmutador y un concentrador, cada conmutador aprenderá las direcciones MAC de los dispositivos accesibles por sus puertos, por lo tanto en el puerto de interconexión se almacenan las MAC de los dispositivos del otro conmutador. 2.5.7 BUCLES DE RED E INUNDACIONES DE TRÁFICO Como anteriormente se comentaba, uno de los puntos críticos de estos equipos son los bucles, que consisten en habilitar dos caminos diferentes para llegar de un equipo a otro a través de un conjunto de conmutadores. Los bucles se producen porque los conmutadores que detectan que un dispositivo es accesible a través de dos puertos emiten la trama por ambos. Al llegar esta trama al conmutador siguiente, este vuelve a enviar la trama por los puertos que permiten alcanzar el equipo. Este proceso provoca que cada trama se multiplique de forma exponencial, llegando a producir las denominadas inundaciones de la red, provocando en consecuencia el fallo o caída de las comunicaciones. 2.5.7.1 Atendiendo al método de direccionamiento de las tramas utilizadas

2.5.7.1.1

Store-and-Forward

Los conmutadores Store-and-Forward guardan cada trama en un búfer antes del intercambio de información hacia el puerto de salida. Mientras la trama está en el búfer, el switch calcula el CRC y mide el tamaño de la misma. Si el CRC falla, o el tamaño es muy pequeño o muy grande (un cuadro Ethernet tiene entre 64 bytes y 1518 bytes) la trama es descartada. Si todo se encuentra en orden es encaminada hacia el puerto de salida. Este método asegura operaciones sin error y aumenta la confianza de la red. Pero el tiempo utilizado para guardar y chequear cada trama añade un tiempo de demora importante al procesamiento de las mismas. La demora o delay total es proporcional al tamaño de las tramas: cuanto mayor es la trama, más tiempo toma este proceso.

2.5.7.1.2

Cut-Through

Los conmutadores cut-through fueron diseñados para reducir esta latencia. Esos switches minimizan el delay leyendo sólo los 6 primeros bytes de datos de la trama, que contiene la dirección de destino MAC, e inmediatamente la encaminan. El problema de este tipo de switch es que no detecta tramas corruptas causadas por colisiones (conocidos como runts), ni errores de CRC. Cuanto mayor sea el número de colisiones en la red, mayor será el ancho de banda que consume al encaminar tramas corruptas. Existe un segundo tipo de switch cut-through, los denominados fragment free, fue proyectado para eliminar este problema. El switch siempre lee los primeros 64 bytes de cada trama, asegurando que tenga por lo menos el tamaño mínimo, y evitando el encaminamiento de runts por la red.

2.5.7.1.3

Adaptative Cut-Through

Son los conmutadores que procesan tramas en el modo adaptativo y son compatibles tanto con store-and-forward como con cut-through. Cualquiera de los modos puede ser activado por el © Julián A.

291/291


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

administrador de la red, o el switch puede ser lo bastante inteligente como para escoger entre los dos métodos, basado en el número de tramas con error que pasan por los puertos. Cuando el número de tramas corruptas alcanza un cierto nivel, el conmutador puede cambiar del modo cut-through a store-and-forward, volviendo al modo anterior cuando la red se normalice. Los conmutadores cut-through son más utilizados en pequeños grupos de trabajo y pequeños departamentos. En esas aplicaciones es necesario un buen volumen de trabajo o throughput, ya que los errores potenciales de red quedan en el nivel del segmento, sin impactar la red corporativa. Los conmutadores store-and-forward son utilizados en redes corporativas, donde es necesario un control de errores.

Cuando a un switch le llega una trama ethernet por un puerto, si la dirección MAC del destinatario no se encuentra en la tabla del switch, éste envía la trama a todos los puertos, excepto el puerto origen (se comporta como un hub). Asimismo se aprende (y memoriza) la dirección MAC del remitente origen. Así, un switch dividirá el dominio de colisión, pero no tiene efecto sobre el dominio lógico o de broadcast. Solo el router separa dominios de difusión (broadcast). Un switch crea y mantiene de forma dinámica una tabla de memoria de contenido direccionable (Content Addressable Memory, CAM), que contiene toda la información MAC necesaria para cada puerto (valores de MAC que va aprendiendo). Asimismo, la mayoría de los switches son capaces de admitir modo full duplex, como también lo son las tarjetas de interfaz de red (Network Interface Card, NIC). En el modo full duplex, no existe contención para los medios. Así, un dominio de colisión ya no existe, y en teoría, el ancho de banda se duplica en este modo.

© Julián A.

292/292


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

NOTA : Un dominio de colisión es un segmento de la red física donde pueden ocurrir colisiones. Los dispositivos de capa 1 tales como hubs, no dividen los dominios de colisión; su función primaria es extenderlos. Los dispositivos de Capa 2 y 3 dividen los dominios de colisión (switch y puentes, que son switches de dos puertos). Esto se conoce también como segmentación. Los dispositivos de Capa 2 hacen un seguimiento de las direcciones MAC y el segmento en el que se encuentran. Al hacer esto, estos dispositivos pueden controlar el flujo de tráfico en el nivel de Capa 2. Al usar puentes y switches, el dominio de colisión se divide efectivamente en partes más pequeñas, que se transforman cada una a su vez en un dominio de colisión. Estos dominios de colisión más pequeños tendrán menos hosts y menos tráfico que el dominio original. Agregar switches adicionales alivia el problema de colisiones excesivas. Para comunicarse con todos los dominios de colisión, los protocolos utilizan tramas de broadcast (difusión) y multicast a nivel de Capa 2 en el modelo OSI. Cuando un nodo necesita comunicarse con todos los hosts de la red, envía una trama de broadcast con una dirección MAC destino 0xFFFFFFFFFFFF (todos los bits en uno lógico). Un switch no filtra los paquetes de difusión (ni multicast ni broadcast), de forma que un paquete de este tipo es enviado a todas las interfaces presentes en el switch reduciendo el ancho de banda disponible en ese momento para el resto de equipos presentes en la LAN. Los switch gestionados (los equipos que presentan posibilidad de configuración interna), pueden quizás presentar posibilidades de filtrado de este tipo de paquetes. Si un switch no permite paquetes de difusión, es evidente que las aplicaciones que hacen uso de este tipo de envío no funcioará correctamente en dicha LAN. 2.5.7.2 Switch - Protocolo de Spanning Tree (árbol de extensión).

Cuando varios switches están ubicados en un árbol jerárquico sencillo, es poco probable que ocurran bucles de conmutación. Sin embargo, a menudo las redes conmutadas se diseñan con RUTAS REDUNDANTES para ofrecer más confiabilidad y tolerancia a fallas. Si bien se recomienda el uso de rutas redundantes, ellas pueden tener efectos colaterales indeseables. Los bucles DE CONMUTACIÓN son uno de esos efectos. Los bucles de conmutación pueden ocurrir ya sea por diseño o por accidente, y pueden llevar tormentas de broadcast que rápidamente abrumen la red. Para contrarrestar la posibilidad de bucles, se proporcionan switches con un protocolo basado en los estándares llamado protocolo de spanning tree (Spanning Tree Protocol, STP). Cada switch en una LAN que usa STP envía un mensaje especial llamado unidades de datos del protocolo puente (Bridge Protocol Data Unit, BPDU) desde todos sus puertos para que los otros switches sepan de su existencia y elijan un puente raíz para la red. Los switches entonces usan un algoritmo spanning-tree (Spanning Tree Algorithm, STA) para resolver y desconectar las rutas redundantes. Cada puerto de un switch que usa protocolo de spanning- tree se encuentra en uno de los CINCO ESTADOS siguientes: Bloquear, Escuchar, Aprender, Enviar, Desactivar. El resultado de la resolución y eliminación de bucles usando STP es la creación de un árbol jerárquico lógico sin bucles. Sin embargo, si se necesitan (en caso de falla de las rutas principales seleccionadas por el STA), las rutas alternativas están disponibles. 2.5.7.3 Diferencias entre un Hub y un Switch.

Cuando un ordenador a través de un Hub envía información hacia un ordenador, ésta circula por todos los cables de la red, incluso llega a entrar en las tarjetas de red de cada ordenador, aunque al © Julián A. 293/293

Documentos Alumnos

final solo entra en el ordenador que requiere la información. Esto conlleva que los cables de las red están muy "ocupados" en transmitir la información. Además si en un ordenador instalamos un tipo de programa llamado Sniffer, éste programa puede espiar la información que hay en la entrada del ordenador, aunque no esté destinado a él.


Apuntes alumnos

HUB

El paquete enviado por el equipo conectado al puerto E0/1 y con destinatario el equipo conectado al puerto E0/5 del HUB es repetido por todos los puertos.

En un Switch un ordenador envía una información y solo se transmite por el cable del ordenador que requiere esa información. De esta manera disminuye el tráfico por los cables de la red, y es más difícil que otros ordenadores puedan captar la información que no les pertenece. El Switch es más inteligente que el Hub, sabe a quién le debe mandar la información y solo se la envía a él. SWITCH x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

El paquete enviado por el equipo conectado al puerto E0/1 y con destinatario el equipo conectado al puerto E0/5 del SWITCCH es únicamente enviado a dicho puerto. 2.5.7.4 DETALLES DEL SWITCH 24 PORT FAST ETHERNET DEL AULA C204:



Características : 100Mbps and 10Mbps, CSMA/CD flow control, Full-duplex, AutoMDI/MDI-X. El modo Auto-MDI/MDI-X de este Switch lo hace capaz de detectar automáticamente cualquier necesidad de cruce (crossover detection).



Tabla de direcciones MAC: Cada paquete Ethernet incluye tanto la dirección física (MAC) del destinatario como la del remitente. Las direcciones MAC se componen de 6 bytes. El Switch puede automáticamente aprender de las direcciones del remitente de cada puerto, de forma que identifica el equipo que está conectado a cada toma. Sin embargo, la tabla se almacena en una memoria volátil, y se borra cuando el Switch es apagado o reiniciado (powered “Off” or reset). Cuando la red se reconfigure, se recomienda reiniciar el router para que se recomponga con datos adecuados su tabla de direcciones MAC.

2.5.7.5 Routers o encaminadores

Estos equipos trabajan a nivel 3 del estándar OSI, es decir, pueden filtrar protocolos y direcciones a la vez. Además los routers pueden interconectar redes distintas entre sí; eligen el mejor camino para enviar la información, balancean tráfico entre líneas, etc. © Julián A.

294/294


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

El router trabaja con tablas de encaminamiento (o enrutado). En todo momento deciden por dónde deben enviar un paquete o no, y cuál es la mejor ruta para enviarlo. Un router separa redes. En general los router disponen de puertos para enlazar con todos los equipos de la red (a través de su switch interno). Hoy día los router wifi (estándar IEE 802.11) permiten interconectar equipos sin necesidad de cables (si bien deja la seguridad de las comunicaciones en el mismo nivel que el sistema de encriptación utilizado).

Figura. Router o encaminador.

Un router (en español: enrutador o encaminador) es un dispositivo hardware o software (hay programas que posibilitan que un PC haga funciones de enrutador) de interconexión de redes de computadoras que opera en la capa tres (nivel de red) del modelo OSI. Este dispositivo interconecta entre sí redes enteras. Hace pasar paquetes de datos entre redes tomando como base la información de la capa de red (capa IP del modelo TCP/IP). Comúnmente los routers se implementan también como puertas de acceso a Internet (por ejemplo un router ADSL), usándose normalmente en casas y oficinas pequeñas. La conexión de un router en una red se realiza de la forma siguiente: © Julián A.

295/295


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

El router toma decisiones lógicas con respecto a la mejor ruta para el envío de datos a través de una red interconectada y luego dirige los paquetes hacia el segmento y el puerto de salida adecuados. Sus decisiones se basan en diversos parámetros. Una de las más importantes es decidir la dirección de la red hacia la que va destinado el paquete. Otras decisiones son la carga de tráfico de red en las distintas interfaces de red del router y establecer la velocidad de cada uno de ellos, dependiendo del protocolo que se utilice.

Nota: el contenido de las tablas de rutas está simplificado por motivos didácticos

En el ejemplo del diagrama, se muestran 3 redes IP interconectadas por 2 routers. La computadora con el IP 222.22.22.1 envía 2 paquetes, uno para la computadora 123.45.67.9 y otro para 111.11.11.1 A través de sus tablas de enrutamiento (que se actualizan dinámicamente), los routers pasan los paquetes para la red o para el router con el rango de direcciones que corresponde al destino del paquete. En realidad se utilizan máscaras de red para definir las subredes interconectadas. Las decisiones respecto a la ruta por la que reenviar los paquetes a través de las “marañas” de redes interconectadas son tomadas por el router gracias a que disponen de una memoria conteniendo las tablas de enrutamiento. Los routers confeccionan sus tablas de enrutamiento automáticamente, y en ellas registran que nodos y redes son alcanzables por cada uno de sus puertos de salida. La mayoría de los algoritmos de enrutamiento pertenecen a una de estas dos categorías: © Julián A.

296/296


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos



Vector-distancia.



Estado del enlace.

El método de enrutamiento por vector-distancia determina la dirección (vector) y la distancia hacia cualquier enlace en la red. El método de estado del enlace, también denominado "primero la ruta más corta", recrea la topología exacta de toda la red. 2.5.7.5.1 Características del protocolo de enrutamiento por vector – distancia.

Los protocolos de enrutamiento por vector-distancia envían copias periódicas de las tablas de enrutamiento de un router a otro. Estas actualizaciones periódicas entre routers informan de los cambios de topología. Los algoritmos de enrutamiento basados en el vector-distancia también se conocen como algoritmos Bellman-Ford. El algoritmo finalmente acumula información acerca de las distancias de la red, las cual le permite mantener una base de datos de la topología de la red. Sin embargo, los algoritmos de vector-distancia no permiten que un router conozca la topología exacta de una red, ya que cada router solo ve a sus routers vecinos. 2.5.7.5.2 Características del protocolo de enrutamiento de estado del enlace.

El segundo algoritmo básico que se utiliza para enrutamiento es el algoritmo de estado del enlace. Los algoritmos de estado del enlace también se conocen como algoritmos Dijkstra o SPF ("primero la ruta más corta"). Los protocolos de enrutamiento de estado del enlace mantienen una base de datos compleja, con la información de la topología de la red. El algoritmo de vector-distancia provee información indeterminada sobre las redes lejanas y no tiene información acerca de los routers distantes. El algoritmo de enrutamiento de estado del enlace mantiene información completa sobre routers lejanos y su interconexión. El enrutamiento de estado del enlace utiliza:    

Publicaciones de estado del enlace (LSA): una publicación del estado del enlace (LSA) es un paquete pequeño de información sobre el enrutamiento, el cual es enviado de router a router. Base de datos topológica: una base de datos topológica es un cúmulo de información que se ha reunido mediante las LSA. Algoritmo SPF: el algoritmo "primero la ruta más corta" (SPF) realiza cálculos en la base de datos, y el resultado es el árbol SPF. Tablas de enrutamiento: una lista de las rutas e interfaces conocidas.

Estos algoritmos son implementados mediante protocolos de enrutamiento. Los protocolos de enrutamiento son aquellos protocolos que utilizan los routers o encaminadores para comunicarse entre sí y compartir información que les permita tomar la decisión de cual es la ruta más adecuada en cada momento para enviar un paquete. Los protocolos más usados son RIP (v1 y v2), OSPF (v1, v2 y v3), y BGP (v4), que se encargan de gestionar las rutas de una forma dinámica. No obstante no es estrictamente necesario que un router haga uso de estos protocolos, ya que las tablas de enrutamiento pueden también ser configuradas estáticamente conteniendo la información de las distintas subredes que estén conectadas al dispositivo. Un router puede utilizar un protocolo de enrutamiento de paquetes IP para llevar a cabo el enrutamiento. Esto lo realiza mediante la implementación de un algoritmo de enrutamiento específico y emplea la capa de interconexión de redes del conjunto de protocolos TCP/IP. Algunos ejemplos de protocolos de enrutamiento de paquetes IP son: © Julián A.

297/297

Documentos Alumnos

  


Apuntes alumnos

2.5.7.5.3

RIP: Un protocolo de enrutamiento interior por vector-distancia. OSPF: Un protocolo de enrutamiento interior de estado del enlace BGP: Un protocolo de enrutamiento exterior por vector-distancia Protocolo RIP (Routing Information Protocol)

El Protocolo de información de enrutamiento (RIP) fue descrito originalmente en el RFC 1058. Sus características principales son las siguientes:    

Es un protocolo de enrutamiento por vector-distancia. Utiliza el número de saltos como métrica para la selección de rutas. Si el número de saltos es superior a 15, el paquete es desechado. Por defecto, se envía un broadcast de las actualizaciones de enrutamiento cada 30 segundos.

La figura que a continuacion se ve muestra el formato de los campos de un paquete RIP

A continuacion se describe el significado de los campos de un paquete RIP: 

  

 

Command: Indica si el paquete es una solicitud o una respuesta. La solicitud le pide al router que envie parte o toda su tabla de enrutamiento. La respuesta puede ser tambien una actualizacion de tablas de enrutamiento regular (puede no haber sido pedida explicitamente) o puede tambien ser la respuesta a una salicitud previa. Las repuestas contienen entonces entradas de tablas de enrutamiento. Version Number: Especifica que version del protocolo RIP estamos utilizando. Zero: No usado. Address-Family Identifier (AFI): Especifica la direccion utilizada. RIP esta diseñado para portar informacion de enrutamiento de diferentes protocolos. Cada entrada tiene una direccion de identificacion que indica cual es el tipo de direcciones especificadas. El valor del campo de AFI para IP es 2. Address: Especifica ladireccion IP para la entrada. Metric: Indica cuantos saltos o redes han sido traspasadas desde el destino. Este valor debe estar entre 1 y 15, si este valor es 16, se toma como ruta no valida o inalcanzable (unreachable).

2.5.7.6 Ejemplo de funcionamiento de routers

© Julián A.

298/298


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Tenemos una red de Clase B que está dividida en ocho subredes conectadas a través de tres routers. El host A tiene datos que desea enviar al host Z. El host envía los datos a través del modelo OSI, desde la capa de aplicación hasta la capa de enlace de datos, donde el host A encapsula los datos con la información que le suministra cada capa. Cuando los datos llegan a la capa de red, el origen A usa su propia dirección IP y la dirección IP destino del host Z, dado que es allí adonde desea enviar los datos. Entonces, el host A pasa los datos a la capa de enlace de datos. Si lo lees despacio y con papel y lápiz vas haciendo tu esquema verás que no hay todavía nada complicado... En la capa de enlace de datos, el origen A coloca la dirección MAC destino del router al cual está conectado y su propia dirección MAC en el encabezado MAC. El origen A hace esto porque considera a la subred 8 como una red separada. Sabe que no puede enviar los datos directamente a otra red, sino que debe enviar esos datos a través de la puerta de enlace (gateway) por defecto. En este ejemplo, el gateway por defecto para el equipo A es el Router 1. El paquete de datos se transporta a través de la subred 1. Los hosts no copian la trama dado que la dirección MAC destino en el encabezado MAC no concuerda con la suya propia. El paquete de datos continúa su camino a través de la subred 1 hasta que llega al router 1. Al igual que los demás dispositivos de la subred 1, el router 1 ve el paquete de datos y lo recoge cuando reconoce que su propia dirección MAC es la misma que la dirección MAC destino. El router 1 elimina el encabezado MAC de los datos y envía los datos a la capa de red donde observa cuál es la dirección IP destino del encabezado IP. Luego el router busca en las tablas de enrutamiento para trazar una ruta, para la dirección de red del destino, a la dirección MAC del router que está conectado a la subred 8. El router usa RIP como su protocolo de enrutamiento, por lo tanto, determina que la mejor ruta para los datos es una ruta que coloca al destino solamente a una distancia de tres saltos. Entonces, el router determina que debe enviar el paquete de datos a través del puerto que está conectado a la subred 4, para que el paquete de datos llegue a su destino a través de la ruta seleccionada. El router envía los datos a la capa de enlace de datos, donde se le coloca un nuevo encabezado MAC al paquete de datos. El nuevo encabezado MAC contiene la dirección MAC destino del router 2 y la dirección MAC del primer router que se transformó en el nuevo origen. El encabezado IP no se modifica. El primer router transporta el paquete de datos a través del puerto que ha seleccionado hacia la subred 4. Los datos se transportan a través de la subred 4. Los hosts no copian la trama dado que la dirección MAC destino en el encabezado MAC no concuerda con la suya propia. El paquete de datos continúa su camino a través de la subred 4 hasta que llega al router 2. Al igual que los otros dispositivos de la subred 4, el router 2 observa el paquete de datos. Esta vez lo recoge porque reconoce que su propia dirección MAC es la misma que la dirección MAC destino. En la capa de enlace de datos, el router elimina el encabezado MAC y envía los datos a la capa de red. Allí, examina la dirección IP de la red destino y la busca en la tabla de enrutamiento. El router, que usa RIP como su protocolo de enrutamiento, determina que la mejor ruta para los datos es la ruta que coloca el destino a una distancia de dos saltos. Entonces, el router determina que debe © Julián A. 299/299

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

enviar el paquete de datos a través del puerto que está conectado a la subred 5, para que el paquete de datos llegue a destino a través de la ruta seleccionada. El router envía los datos a la capa de enlace de datos donde se le coloca un nuevo encabezado MAC al paquete de datos. El nuevo encabezado MAC contiene la dirección MAC destino del router 2, y la dirección MAC del primer router se transforma en el nuevo origen. El encabezado IP no se modifica. El primer router envía el paquete de datos a través del puerto que ha seleccionado hacia la subred 5. Los datos se transportan a través de la subred 5. El paquete de datos continúa su camino a través de la subred 5 hasta que llega al router 3. Al igual que los demás dispositivos de la subred 5, el router 3 mira el paquete de datos. Esta vez lo recoge porque reconoce que su propia dirección MAC es la misma que la dirección MAC destino. En la capa de enlace de datos, el router elimina el encabezado MAC, y lo envía a la capa de red. Allí, observa que la dirección IP destino del encabezado IP concuerda con la de un host que está ubicado en una de las subredes con las que está conectado. Entonces, el router determina que debe enviar el paquete de datos a través del puerto que está conectado a la subred 8, para que el paquete de datos llegue a la dirección destino. Coloca un nuevo encabezado MAC en los datos. Esta vez, el nuevo encabezado MAC contiene la dirección MAC destino del host Z y la dirección MAC origen del router 3. Como en el caso anterior, el encabezado IP no se modifica. El router 3 envía los datos a través del puerto que está conectado a la subred 8. El paquete de datos se transporta a través de la subred 8. Los hosts no copian la trama dado que la dirección MAC destino en el encabezado MAC no concuerda con la suya propia. Por último, llega al host Z, que lo recoge porque reconoce que su dirección MAC concuerda con la dirección MAC destino que aparece en el encabezado MAC del paquete de datos. El host Z elimina el encabezado MAC y envía los datos a la capa de red. En la capa de red, el host Z observa que su dirección IP y la dirección IP destino que aparece en el encabezado IP concuerdan. El host Z elimina el encabezado IP y envía los datos a la capa de transporte del modelo OSI. El host Z continúa eliminando las capas que encapsulan el paquete de datos y luego envía los datos a la siguiente capa del modelo OSI. Esto continúa hasta que los datos llegan hasta la capa de aplicación del modelo OSI. En todo el desarrollo del ejemplo anterior se ha considerado que los routers presentes no hacen NAT, dado que las direcciones IP puestas en juego se entiende son todas públicas. Debe recordarse que en el caso de que desde una red privada deseemos acceder a un equipo presente en una red pública, el router que hace de puera de enlace entre la red privada y la pública debe hacer NAT, lo que significa que a nivel de capa de RED, el router modifica la IP origen de la petición (que será una IP privada) por su propia IP pública, enviando el paquete al siguiente salto (quizás siguiente router) con la IP origen propia. Cuando un paquete de respuesta regrese, el router de nuevo cambiará la IP destino con la que venga dicho paquete (la propia pública del router), por la IP destino privada del equipo que realizó originalmente la petición, de forma que el equipo de la red privada obtiene finalmente respuesta mediante este proceso totalmente transparente. En el siguiente ejemplo (Ejemplo Enrutamiento IP - Packet Tracer 4) se explica con más detalle de nuevo este proceso. Acabamos de ver el proceso completo para que nuestro ordenador se comunique con otro que esté a cientos de kilómetros de distancia, y hemos comprendido con ello que lapieza clave de dicha comunicación son las puertas de enlace (gateways), función realizada en general por los routers.

© Julián A.

300/300

Documentos Alumnos

2.5.7.7 Ejercicio Enrutamiento IP


Apuntes alumnos

En relación al diagrama de red siguiente:

A) Asigne el menor rango de direcciones IP en cada red LAN (es decir: ahorre direcciones IP). Puede usar VLSM. Indique la dirección de red, dirección de broadcast y máscara de cada red LAN.

RED LAN

dirección de red

dirección de broadcast

máscara de subred

A B C D E F B) Indique la tabla de enrutamiento MINIMA que debe tener cada Router tal que todos los computadores puedan comunicarse entre sí. NOTA : Puede usar la notación CIDR “Red/bit-mask” (ej:200.1.3.0/27) o RED A,B,C,D,E,F: use enrutamiento jerárquico.

© Julián A.

301/301


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Router 1 Red / mask gateway

Router 2 Red / gateway mask



Router 5 Red / gateway mask


SOLUCIÓN: A) La idea es buscar el rango de direcciones IP que englobe a las direcciones IP ya asignadas a los PC y equipos de comunicaciones en cada red LAN. RED A:

primera IP: última IP:

200.1.17.35 200.1.17.57

Diferencia = 57-35 = 22 Potencia de 2 que sea inmediatamente mayor a 22 = 32 Luego, la red debe tener al menos un tamaño 32, es decir máscara 255.255.255.224, que en notación CIDR sería un /27. Por ende, el segmento de la red 200.1.17.0/24 asignado a la red LAN A sería:

Luego:

dirección de red: dirección de broadcast: máscara de subred:

200.1.17.32 200.1.17.63 255.255.255.224

o

/27

Se repite el proceso para las redes B a F, quedando:

© Julián A.

302/302


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

RED LAN

dirección de red

A B C D E F

200.1.17.32 200.1.17.0 200.1.28.0 200.1.28.160 200.1.28.248 200.1.28.16

dirección de broadcast 200.1.17.63 200.1.17.31 200.1.18.15 200.1.28.175 200.1.28.255 200.1.28.31

máscara de subred CIDR /27 /27 /28 /28 /29 /28

B) Para resolver esto de una manera simple y certera, lo mejor es considerar las siguientes reglas: 1.

Todo Router debe tener 1 fila en su tabla de enrutamiento por cada subred IP a la que está conectada, generalmente esto corresponde a 1 fila por cada interface de red.

2.

Todo router debe tener 1 ruta por omisión al final de su tabla

3.

En una red organizada de manera jerárquica, todo router debe tener una fila por cada subred que esté “detrás” de routers inferiores o menores. Ejemplo: Un ISP debe saber las redes que existen dentro de cada cliente.

Teniendo esto en cuenta, se debe partir por los Routers Inferiores (hojas de la jerarquía) o los que tienen menos redes conectadas, en este caso, Router 4,5 y 6.

Router 4 Red / mask gateway C 0.0.0.0 E

0.0.0.0

0.0.0.0

200.1.28.2

Router 5 Red / mask gateway C 0.0.0.0 F

0.0.0.0

0.0.0.0

200.1.28.2

Router 6 Red / mask gateway A 0.0.0.0 B

0.0.0.0

0.0.0.0

200.1.17.2

explicación red directamente conectada red directamente conectada ruta por omisión a Router 2 explicación red directamente conectada red directamente conectada ruta por omisión a Router 2 explicación red directamente conectada red directamente conectada ruta por omisión a Router 1

Ahora, routers 1,2 y 3 tienen 3 interfaces cada uno, pero además deben tener rutas hacia las subredes que están por “debajo” de ellos y finalmente una ruta por omisión hacia otro Router.

© Julián A.

303/303

Documentos Alumnos

Router 1 Red / mask gateway B 0.0.0.0


Apuntes alumnos

192.168.5.0/24 0.0.0.0 192.168.7.0/24 0.0.0.0 A 0.0.0.0

200.1.17.20 192.168.7.2

Router 2 Red / mask gateway C 0.0.0.0 192.168.6.0/24 0.0.0.0 192.168.7.0/24 0.0.0.0 E F 0.0.0.0

200.1.28.14 200.1.28.1 192.168.6.1

Router 3 Red / mask gateway D 0.0.0.0 192.168.5.0/24 0.0.0.0 192.168.6.0/24 0.0.0.0 0.0.0.0

192.168.5.2

explicación red directamente conectada red directamente conectada red directamente conectada red bajo router 6 ruta por omisión a Router 2 explicación red directamente conectada red directamente conectada red directamente conectada red bajo router 4 red bajo router 5 ruta por omisión a Router 3 explicación red directamente conectada red directamente conectada red directamente conectada ruta por omisión a Router 1

Nótese que las rutas por omisión de los 3 routers están 1 --> 2 --> 3 --> 1. Fijarlas al revés también funciona. Existen otras soluciones igual de eficientes..... ¿cuáles serían?

© Julián A.

304/304

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

2.5.7.8 Ejemplo Enrutamiento IP (Packet Tracer 4)

En la imagen se muestra una configuración cumpluesta por:  2 PC’s (a la izquierda) montados en una subred lan privada clase A junto con el router 1  2 PC’s (a la derecha) montados en una subred lan pública clase A junto con el router 2  1 router contectado a los otros dos, formando 3 subredes de interconexión internas entre routers. Si la configuración de los routers no tiene en cuenta el traslado de direcciones de red para la comunicación entre la red privada y las redes públicas, el fincionamiento del proceso de comunicación sería similar al siguiente: 1º Un paquete parte del PC0 (abajo a la izda) con destino el PC3 (abajo a la derecha)

© Julián A.

305/305


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Como se muestra en la imagen, el paquete nace desde el PC0 (sobre en la imagen). Dicho paquete (trama ethernet) nace con MAC origen la del propio PC, y MAC destino la MAC de la interface Fast Ethernet 0/0 del Router 1 (puerta de enlace del dicho PC0). Encapsulado dentro de dicha trama Ethenrnet (capa 2 o de enlace, la 1 es la física), aparece un paquete (o trama IP – capa 3 o de red). Dicha trama tiene IP origen la del PC0, e IP destino la IP de del PC2 (destinatario final). En este caso no hay encapsulado a su vez nada en el paquete IP dado que esta prueba está simulada con un paquete vacío ICMP (paquetes vacios utilizados por herramientas ping y traceroute). Si el paquete fuera un paquete TCP o UDP, dentro del paquete IP tendríamos encapsulados a su vez (capa 4 de transporte) los datos del paquete correspondiente (puertos por ejemplo), y finalmente, encapsulados capa a capa los datos de la aplicación que fuera la que emituiera los datos (el contenido concretos de dichos datos). 2º El paquete parte del Switch0 hacia el router 1 © Julián A.

306/306


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Como se muestra en la imagen, el paquete nace desde el Switch0. Dicho paquete (trama ethernet) nace con MAC origen la del propio PC, y MAC destino la MAC de la interface Fast Ethernet 0/0 del Router 1 (puerta de enlace del dicho PC0). Encapsulado dentro de dicha trama Ethernet (capa 2 o de enlace, la 1 es la física), aparece un paquete (o trama IP – capa 3 o de red) tanto en el paquete que le llega al switch (inbound PDU Details), como en el paquete que sale del switch0 (outbound PDU Details). Dichas tramas tiene IP origen la del PC0, e IP destino la del PC2. Recuérdese que un switch sólo decide por que interface física suya transmite un paquete de entrada, mirando a nivel de capa 2 – enlace la dirección MAC destino, y comparándola con su tabla de asociaciones MAC - Interface física, pero no modificando en absoluto el paquete.

3º El paquete parte del router1 hacia el router 2.

© Julián A.

307/307


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Como se muestra en la imagen, el paquete nace desde el reouter1. Dicho paquete (trama ethernet) nace con MAC origen la de la interface Fast Ethenrnet 0/1 del router1, y MAC destino la MAC de la interface Fast Ethernet 0/1 del router 2. Esto es así debido a que las tablas de rutas (en este caso estáticas) del Router1 indican que la subred destino del paquete (80.80.80.0 / 24) se alcanza a través de la IP 20.0.0.2 /24 (interface Fast Ethernet 0/1 del router 2). Para hacer por tanto esta tarea, le router 1 debe mirar la trama que hay encapsulada dentro del paquete ethernet que le llega (capa 3 o de red), para mirar que IP destino debe conseguirse, y buscarla en sus tablas de rutas, de forma que busque el mejor camino (si no lo hay, usa el camino por defecto, marcado como 0.0.0.0 /0. El encapsulado del paquete (o trama IP – capa 3 o de red) tanto en el paquete que le llega al router 1 (inbound PDU Details), tiene IP orignen la IP del PC0 (origen de todo), y como IP destino la del PC3. Por tanto, el Router1 para hacer su trabajo, y enlutar correctamente el paquete mira a nivel de capa de red la IP destino, para compararla con su tabla de enrutamiento de forma que ello le haga decidir por cual de sus interfaces físicas debe sacar el paquete que le ha entrado. Debe indicarse aquí tambien, que en este caso el paquete está además viajando desde una red LAN privada a una LAN pública, conteniendo por tanto en su origne IP’s de red privada como origen, y públicas en destino. Dado que una IP privada no puede identificar un paquete que se encuentre viajando © Julián A.

308/308

en una red pública (haría imposible lanzar una respuesta al equipo orignen, dado que con esa IP privada existirán muchos equipos), el Router1 debe hacer NAT (Network Address Translation - Traducción de Dirección de Red). De las distintas formas de hacer NAT, ña más habitual se denomina NAT con sobrecarga (o PAT - Port Address Translation - Traducción de Direcciones por Puerto), lo que significa que debe cambiar la IP orignen (privada) por la suya propia (pública), de forma que las respuestas posibles a dicho paquete le sean dirigidas al propio Router1, que luego redirigirá de nuevo al equipo emisor original utilizando traducción mediante puertos. El proceso NAT descrito es necesario cuando se pasa de una red privada a una red pública, y los routers que enlazan dichos tipos de redes deben ser router’s NAT. Ahora bién, cuando un router interconecta dos redes públicas no es necesario que realice ninguna traducción de direcciones de red. 4º El paquete parte del Router 2 con destino al Switch1


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Como se muestra en la imagen, el paquete nace desde el Router1. Dicho paquete (trama ethernet) nace con MAC origen la de la interface inferior del propio Router1, y como MAC destino posee la MAC del PC2. Encapsulado dentro de dicha trama Ethenrnet (capa 2 o de enlace, la 1 es la física), aparece un © Julián A.

309/309

paquete (o trama IP – capa 3 o de red). Dicha trama tiene IP origen la del Router0 (que hizo NAT con la IP del PC0, o sea, que cambión la IP del PC0 por la propia del Router1), e IP destino la IP de la interface Fast Ethernet 0/0 del Router. En este caso no hay encapsulado a su vez nada en el paquete IP dado que esta prueba está simulada con un paquete vacío ICMP (paquetes vacios utilizados por herramientas ping y traceroute). Si el paquete fuera un paquete TCP o UDP, dentro del paquete IP tendríamos encapsulados a su vez (capa 4 de transporte) los datos del paquete correspondiente (puertos por ejemplo), y finalmente, encapsulados capa a capa los datos de la aplicación que fuera la que emituiera los datos (el contenido concretos de dichos datos). 5º El paquete parte del Switch1 con destino el PC2


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Como se muestra en la imagen, el paquete nace desde el Switch1. Dicho paquete es exactamente el mismo que el descrito en el paso anterior ya que el switch sólo decide por que interface física suya lo transmite (mirando a nivel de capa 2 – enlace la dirección MAC destino y comparándola con su tabla de asociaciones MAC - Interface física), pero no modificando en absoluto el paquete.

© Julián A.

310/310


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

El proceso de vuelta (regreso ) del paquete es similar al descrito, con la salvedad que al regresar, el Router1 debe hace NAT de nuevo cambiando la IP destino del paquete que vuelve por la IP privada del equipo que originó dicha petición. Para identificar el equipo que originó la petición, el router utiliza números de puerto que identifican a qué equipo de la red privada debe redirigir los paquetes que llegan desde la red pública. 2.5.8 APERTURA DE PUERTOS EN UN ROUTER NAT Como se ha visto en el ejemplo anterior, cuando un router interconecta una LAN privada con una LAN pública, el router debe hacer NAT para cambiar las IP’s privadas de los paquetes que viajan por redes públicas por IP’s públicas. De todas formas, ¿Qué sucede cuando desde una red púublica quetemos acceder a un equipo de una red privada?. Supongamos el caso mostrado en la figura siguiente:

En la red LAN privada de la izquierda (192.168.1.0/24) tenemos varios equipos, y el router conecta la LAN a una red pública. Desde dicha red pública un equipo (mostrado a la derecha en la imagen) desea acceder o enviar un paquete al equipo de la LAN privada 192.168.1.33/24, pero dadao que la IP es privada no puede hacerlo enviando como IP destino dicha IP privada. ¿Qué se puede hacer en estos casos?. Por un lado el equipo de la derecha debe enviar su petición (en este caso supongamos un paquete TCP), a la IP pública del router que interconecta la LAN privada con la pública (en el caso del ejemplo el paquete tendrá en su capa de red como IP destino: 66.249.66.224). Asimiso, el paquete será emitido desde el equipo de la red pública utilizando una aplicación que usará un número de puerto para identificarse (supongamos en este caso el puerto TCP:43359). El paquete así emitido viajará a través de las redes públicas hasta llegar al router mostrado. Para que dicho paquete atraviese el router y viaje finalmente al PC destino 192.168.1.33/24, dentro de la configuración de dicho router hay que entrar a redirigir el puerto TCP:43369 a dicha IP privada. Para hacerlo debemos entrar en la configuración de router. Esto se realiza hoy día mediante un navegador web cualquiera, accediendo a la puerta de enlace de la LAN privada (en este caso: 192.168.1.1), y tras loguearnos accedemos a las opciones de redireccionado de puertos (en función del modelo de router podría llamarse Port Forwarding Configuration, o algo relaccionado con NAT).

© Julián A.

311/311


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

En la tabla mostrada, vemos como el puerto TCP 43359 está redirigido a la IP privada 192.168.1.33 ( también en este caso el puerto UDP 8707). En dicha imagen vemos como siempre tendremos opciones tanto de eliminar eliminar entradas como de añadir o editar las existentes. Otras posibles entornos de configuración de lo anterior en función del modelo de router disponible podría ser las siguientes:

2.5.9 PUENTES O BRIDGES

Estos equipos se utilizan asimismo para interconectar segmentos de red (amplían una red que ha llegado a su máximo, ya sea por distancia o por el número de equipos) y se utilizan cuando el tráfico no es excesivamente alto en las redes, pero interesa aislar las colisiones que se produzcan en los segmentos interconectados entre sí. Los puentes trabajan en el nivel 2 de OSI (capa de enlace), con direcciones físicas (direcciones MAC), por lo que filtra tráfico de un segmento a otro.

© Julián A.

312/312


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Esto lo hace de la siguiente forma: escucha los paquetes que pasan por la red y va configurando una tabla de direcciones físicas de equipos que tiene a un lado y otro (generalmente tiene una tabla dinámica), de tal forma que cuando escucha en un segmento un paquete de información que va dirigido a ese mismo segmento no lo pasa al otro, y viceversa. No filtra los paquetes de difusión a toda la red o broadcasts, que son paquetes genéricos que lanzan los equipos a la red para que algún otro les responda. Esto es típico para conocer qué equipos están en la red, por ejemplo. Por tanto, al interconectar segmentos de red con puentes, podemos tener problemas de tormentas de broadcasts, de saturación de los puentes por sobrecarga de tráfico de red, etc. El número máximo de puentes en cascada es de siete. No pueden existir bucles o lazos activos, es decir, si hay caminos redundantes para ir de un equipo a otro, sólo uno de ellos debe estar activo, mientras que el redundante debe ser de seguridad. A diferencia del anterior dispositivo, las posibles colisiones no se transmiten de un lado a otro de la red. El puente sólo deja pasar los datos que van a un equipo que él conoce. Generalmente tienen una tabla dinámica, aíslan las colisiones, pero no filtran protocolos.

Figura. Puente o bridge. En resumen, sus principales características son:

 



Son dispositivos que ayudan a resolver el problema de limitación de distancias, junto con el problema de limitación del número de nodos de una red. Trabajan al nivel de enlace del modelo OSI, por lo que pueden interconectar redes que cumplan las normas del modelo 802 (3, 4 y 5). Si los protocolos por encima de estos niveles son diferentes en ambas redes, el puente no es consciente y, por tanto, no puede resolver los problemas que puedan presentársele. Se utilizan para: a) Ampliar la extensión de la red o el número de nodos que la constituyen.

© Julián A.

313/313


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

 

  

b) Reducir la carga en una red con mucho tráfico, uniendo segmentos diferentes de una misma red. c) Unir redes con la misma topología y método de acceso al medio, o diferentes. d) Cuando un puente une redes exactamente iguales, su función se reduce exclusivamente a direccionar el paquete hacia la subred destino. e) Cuando un puente une redes diferentes, debe realizar funciones de traducción entre las tramas de una topología a otra. Cada segmento de red, o red interconectada con un puente, tiene una dirección de red diferente. Los puentes realizan las siguientes funciones: a) Reenvío de tramas: constituye una forma de filtrado. Un puente sólo reenvía a un segmento a aquellos paquetes cuya dirección de red lo requiera, no traspasando el puente los paquetes que vayan dirigidos a nodos locales a un segmento. Por tanto, cuando un paquete llega a un puente, éste examina la dirección física destino contenida en él, determinando así si el paquete debe atravesar el puente o no. b) Técnicas de aprendizaje: los puentes construyen tablas de dirección que describen las rutas, bien sea mediante el examen del flujo de los paquetes, (puenteado transparente) o bien con la obtención de la información de los paquetes exploradores (encaminamiento fuente) que han aprendido durante sus viajes la topología de la red. Los primeros puentes requerían que los gestores de la red introdujeran a mano las tablas de dirección. Los puentes trabajan con direcciones físicas (MAC) El funcionamiento de un switch es similar al realizado por los puentes, pero con la salvedad que un puente (bridge) sólo presenta dos interfaces (conecta dos zonas que puede separar o segmentar), mientras que un switch segmenta conexiones de dos en dos (conecta dos equipos que aisla físicamente del resto mientras permanecen conectados). Por ese motivo, puede decirse que los switch segmentan de forma más eficiente las redes LAN. Figura. Interconexión mediante un puente o bridge.

2.5.10 GATEWAY Como su nombre indica, también se le conoce como Puerta de Enlace o Pasarela. En algunos ámbitos se emplea el término Pasarela o Puerta de Enlace para referirse al encaminador, es decir, al router. Pero es conveniente reflejar que existen diferencias en este tipo de equipos.

© Julián A.

314/314


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Un Gateway es un equipo que realiza traducción de protocolos. En realidad, no es más que una serie de estaciones de red (ordenadores) que se utilizan para conectar redes de diferentes protocolos. Por ejemplo, un gateway puede ser utilizado para conectar una red Ethernet con una Token Ring, como puede verse en la Figura 12. Muchas veces ni siquiera son máquinas dedicadas a esta labor sino que es, únicamente, un software que normalmente se instala en el servidor principal al que acceden el resto de equipos, y que es capaz de convertir los protocolos. Se suele utilizar también para conectar un equipo de IBM, denominado AS/400 del tipo Mainframe, con una red Ethernet convencional. Es decir, este equipo servidor AS/400 exclusivo de IBM suele llevar incorporado un software denominado gateway que es capaz de traducir diferentes protocolos para que diferentes NIC se puedan entender entre sí.

De todas formas, de los dispositivos de red vistos en esta unidad, es hoy en día el menos utilizado en los entomos que conocemos. Puesto que, como ya venimos diciendo, la mayoría de redes LAN están tendiendo hacia Ethernet (o Fast Ethernet), y el protocolo más utilizado para conectarse con el exterior a través de una LAN es el TCP/IP. 2.5.11 REDES VIRTUALES - VLANS

Una red de área local (LAN) esta definida como una red de computadoras dentro de un área geográficamente acotada como puede ser una empresa o una corporación. Uno de los problemas que nos encontramos es el de no poder tener una confidencialidad entre usuarios de la LAN como pueden ser los directivos de la misma, también estando todas las estaciones de trabajo en un mismo dominio de colisión el ancho de banda de la misma no era aprovechado correctamente. La solución a este problema era la división de la LAN en segmentos físicos los cuales fueran independientes entre si, dando como desventaja la imposibilidad de comunicación entre las LANs para algunos de los usuarios de la misma. A esto se denominan redes LAN Virtuales (VLAN) La necesidad de confidencialidad como así el mejor aprovechamiento del ancho de banda disponible dentro de la corporación ha llevado a la creación y crecimiento de las VLANs. Una VLAN se encuentra conformada por un conjunto de dispositivos de red interconectados (hubs, bridges, switches o estaciones de trabajo) la definimos como como una subred definida por software y es considerada como un dominio de Broadcast que pueden estar en el mismo medio físico o bien puede estar sus integrantes ubicados en distintos sectores de la corporación (ver figura).

© Julián A.

315/315


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

La tecnología de las VLANs se basa en el empleo de Switches gestionados (o sea, switches que poseen alguna interface de configuración donde indicar al equipo las distintas acciones que debe realizar), de tal manera que esto permite un control mas inteligente del tráfico de la red, ya que este dispositivo trabaja a nivel de la capa 2 del modelo OSI y es capaz de aislar el tráfico, para que de esta manera la eficiencia de la red entera se incremente. Por otro lado, al distribuir a los usuarios de un mismo grupo lógico a través de diferentes segmentos, se logra el incremento del ancho de banda en dicho grupo de usuarios. 2.5.11.1 Segmentación.

La segmentación puede realizarse tanto con puentes, como con los switch. Con los switches se crean pequeños dominios, llamados segmentos, conectando un pequeño hub de grupo de trabajo a un puerto de switch o bien se aplica microsegmentación la cual se realiza conectando cada estación de trabajo y cada servidor directamente a puertos de switch teniendo una conexión dedicada dentro de la red, con lo que se consigue aumentar considerablemente el ancho de banda a disposición de cada usuario. Una de las ventajas que se pueden notar en las VLAN es la reducción en el trafico de la red ya que solo se transmiten los paquetes a los dispositivos que estén incluidos dentro del dominio de cada VLAN, una mejor utilización del ancho de banda y confidencialidad respecto a personas ajenas a la VLAN, alta performance, reducción de latencia, facilidad para armar grupos de trabajo. La comunicación que se hace entre switches para interconectar VLANs utiliza un proceso llamado Trunking. El protocolo VLAN Trunk Protocol (VTP) es el que se utiliza para esta conexión, el VTP puede ser utilizado en todas las líneas de conexión incluyendo ISL, IEEE 810.10. IEEE 810.1Q y ATM LANE. 2.5.11.2 Tipos de VLAN

2.5.11.2.1 VLAN Por puerto

Se configura por una cantidad “n” de puertos en el cual podemos indicar que puertos pertenecen a cada VLAN. Para la Figura 1 tendríamos en el Switch 9 puertos de los cuales el 1,5 y 7 pertenecen a la VLAN 1; el 2, 3 y 8 a la VLAN 2 y los puertos 4, 6 y 9 a la VLAN 3 como la tabla lo indica. Puerto 1 2 3 4 © Julián A.

VLAN 1 2 2 3 316/316

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

5 6 7 8 9 Ventajas:

  

1 3 1 2 3

Facilidad de movimientos y cambios. Microsegmentación y reducción del dominio de Broadcast. Multiprotocolo: La definición de la VLAN es independiente del o los protocolos utilizados, no existen limitaciones en cuanto a los protocolos utilizados, incluso permitiendo el uso de protocolos dinámicos.

Desventajas:



Administración: Un movimiento en las estaciones de trabajo hace necesaria la reconfiguración del puerto del switch al que esta conectado el usuario. Esto se puede facilitar combinando con mecanismos de LAN Dinámicas.

2.5.11.2.2 VLAN Por dirección MAC Los miembros de la VLAN están especificados en una tabla por su dirección MAC.

MAC 12.15.89.bb.1d.aa 12.15.89.bb.1d.aa aa.15.89.b2.15.aa 1d.15.89.6b.6d.ca 12.aa.cc.bb.1d.aa Ventajas:

  

VLAN 1 2 2 2 1

Facilidad de movimientos: No es necesario en caso de que una terminal de trabajo cambie de lugar la reconfiguración del switch. Multiprotocolo. Se pueden tener miembros en múltiples VLANs.

Desventajas:

 

Problemas de rendimiento y control de Broadcast: el tráfico de paquetes de tipo Multicast y Broadcast se propagan por todas las VLANs. Complejidad en la administración: En un principio todos los usuarios se deben configurar de forma manual las direcciones MAC de cada una de las estaciones de trabajo. También se puede emplear soluciones de DVLAN.

2.5.11.2.3 VLAN Por protocolo

Asigna a un protocolo una VLAN. El switch se encarga de dependiendo el protocolo por el cual venga la trama derivarlo a la VLAN correspondiente.

Protocolo IP IPX IPX IPX IP Ventajas: © Julián A.



VLAN 1 2 2 2 1

Segmentación por protocolo.

317/317

Documentos Alumnos

Desventajas



Asignación dinámica.



Problemas de rendimiento y control de Broadcast: Por las búsquedas en tablas de pertenencia se pierde rendimiento en la VLAN. No soporta protocolos de nivel 2 ni dinámicos.


Apuntes alumnos



2.5.11.2.4 VLAN Por direcciones IP

Esta basado en el encabezado de la capa 3 del modelo OSI. Las direcciones IP a los servidores de VLAN configurados. No actúa como router sino para hacer un mapeo de que direcciones IP están autorizadas a entrar en la red VLAN. No realiza otros procesos con la dirección IP. Ventajas:



Facilidad en los cambios de estaciones de trabajo: Cada estación de trabajo al tener asignada una dirección IP en forma estática no es necesario reconfigurar el switch.

Desventajas:

  

El tamaño de los paquetes enviados es menor que en el caso de utilizar direcciones MAC. Perdida de tiempo en la lectura de las tablas. Complejidad en la administración: En un principio todos los usuarios se deben configurar de forma manual las direcciones MAC de cada una de las estaciones de trabajo.

2.5.11.2.5 VLAN Por nombre de usuario

Se basan en la autenticación del usuario y no por las direcciones MAC de los dispositivos. Ventajas:  

Facilidad de movimiento de los integrantes de la VLAN. Multiprotocolo.

Desventajas: 

En corporaciones muy dinámicas la administración de las tablas de usuarios.

2.5.11.3 4.7.7 - TÚNELES

El túnel es un método por el cual se hace uso de una red intermedia para transferir datos de un extremo a otro. Los paquetes que se transmiten se encapsulan sobre otro encabezado correspondiente al protocolo de túnel, este nuevo encabezado contiene la información necesaria para que el paquete atravesando la red intermedia llegue al destino correspondiente, una vez llegados a destino son desencapsulados y dirigidos al destino final. Un túnel es un canal virtual, configurado entre dos sistemas remotos que se encuentran en diferentes redes, sobre una conexión real que involucra más de un nodo intermedio. La técnica de “tunneling” consiste en encapsular un mensaje de un protocolo dentro de sí mismo aprovechando ciertas propiedades del paquete externo con el objetivo de que el mensaje sea tratado de forma diferente a como habría sido tratado el mensaje encapsulado. De esta forma un paquete puede “saltar” la topología de una red. Por ejemplo, un túnel puede ser usado para evitar un firewall (con los peligros consecuentes de esta decisión). Esta es una consideración a tener en cuenta al configurar un túnel.

© Julián A.

318/318


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Entre las aplicaciones dadas a esta técnica, está la utilización de túneles para la comunicación de datos de un servidor OPC remoto a una máquina cualquiera fuera de la red LAN en la que se encuentre dicho servidor OPC si necesidad de utilizar la especificación DCOM y sus problemas de configuración.

PORXY (cadenas de ellos, y que pasa si meto contraseñas de acceso en ellos?) 2.5.11.4 UTILIDADES E INFORMACIÓN ÚTIL RELATIVA A LOS SERVICIOS DE INTERNET

En este apartado vamos a ejemplificar algunas utilidades que pueden tener cierto interés relativas tanto a la calidad de lso servicios de acceso a Internet contratados con un proveedor de servicios, o bién sobre cómo buscar información de utilidad respecto a una dirección IP o una máquina concreta. Los ejemplos mostrados utilizan cierta páginas públicas que se encuentran presentes y operativas en el momento de elaborar esta documentación, si bién son muy numerosas las páginas que ofrecen servicios simiulares, no siendo tan importante el sitio web utilizado como el tipo de ifnrmación a obtener. En nuestro caso utilizaremos la web: http://whatismyipaddress.com 2.5.11.4.1 INFORMACIÓN RELATIVA A UN DOMINIO DE INTERNET

© Julián A.

319/319

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

A través de dicha página podemos obtener información sobre una dirección IP. Por ejemplo, si deseamos obtener información de un dominio de Internet (por ejemplo, queremos obtener información relativa al dominio google.es), podemos utilizar el servicio: Hostname address Lookup. Con éste servicio obtenemos la dirección IP de google.es:

Ahora podemos hacer clic en las direcciones IP obtenidas para ampliar la información relativa a dicha dirección IP (Hostname IP address Lookup)

Asimismo, a través del servicio Blacklist Check podemos conocer si ésta dirección IP se encuentra en alguna lista como generadora de correo basura (spam), o bién etiquetada por sus actividades no del todo correctas. Esto se conoce como “listas negras” que actualizan y gestionan páginas de Internet que intentan mantener actualizadas las IP’s que han demostrado tener alguna actividad conflictiva. Estas listas son usadas a su vez por ISP’s para evitar dar servico a los poseedores de dichas IP’s, o para denegar servicios (recepción de correos por ejemplo) con el fin de proteger a sus clientes. Si deseamos conocer si la IP anterior está o no en alguna de las listas negras habituales podemos hacerlo usando el servicio: Blacklist Check

© Julián A.

320/320


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Como vemos, en este caso la dirección IP probada (la de google.es) no está incluida en la lista negra de ninguna de las páginas anteriores. 2.5.11.4.2 INFORMACIÓN RELATIVA AL SERVICIO DE INTERNET CONTRATADO

En esta misma web podemos obtener información relativa a varios aspectos que tienen que ver con la calidad del servicio contratado a un proveedor de servicios de Internet. Uno de ellos (Advanced Proxy Check) nos indica si navegamos a través de un Proxy o no. (en ocasiones los proveedores de servicios nos dan servicio de Internet pero a través de un Proxy cache que reduce notablemente el uso de sus infraestructuras (y por tanto lsu necesidad de ampliación de recursos), a costa de no tener una navegación “límpia”. Al acceder a dicho servicio en este caso el sistema nos responde con la siguiente información:

© Julián A.

321/321


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Lo que indica que en este caso, la conexión pasa correctamente todo el listado de test posibles a este respecto, lo que indica que dicha conexión no utiliza ningún Proxy para la navegación. Otro tipo de test que suele hacerse a una conexión contratada es el denominado Test de velocidad (Speed Test). Este tipo de test nos mide de forma práctica la velocidad real que en un momento dado y en unas condiciones concretas tenemos en nuestra línea. Debe tenerse presente que los test de velocidad siempre deben hacerse con todos los servicios de red de todos los equipos presentes en la LAN desactivados (que no se consuma ancho de banda en la LAN simultáneamente por otro equipo). Asimismo, las medidas incluyen tanto las posibles caidas en el rendimiento de la LAN local, y posibles sobrecargas puntuales del nodo central al que estemos conectados (deben hacerse varias mediciones y obtener la media). Por estos y otros motivos, en un test de velocidad nunca se obtiene el valor de velididad contratado, sino habitualmente entre un 65% y un 80% de los valores contratados. En la imagen vemos un tes de velocidad para una línea contratada con las siguientes características: 10 Mbps / 800 Kbps

IP Estático / IP Dinámico Cuando a un equipo (host) se le asigna dirección IP puede hacerse de dos formas: IP estática e IP Dinámica. Una dirección IP estática es una dirección única asignada a una computadora determinada para siempre (o hasta que el propietario decida renunciar a ella). Mientras dicha IP está utilizada, no © Julián A.

322/322


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

puede permitirse que dicha IP sea asignada a un equipo diferente. Si tener en cuenta las peculiaridades implicadas en el uso de redes privadas, cada dirección IP que se conecta a Internet debe ser única. Si dos computadoras poseen la misma dirección IP, los enrutadores (routers) no saben que uno de ellos era el destinatario de un paquete de datos destinado a esa dirección. Aunque un equipo debe tener una dirección IP única, no siempre tiene que tener la misma dirección IP única. A los proveedores de Internet se les ocurrió el concepto de direcciones IP dinámicas, que les permiten utilizar sus direcciones disponibles de manera más eficiente. No todos los clientes se conectan a Internet al mismo tiempo. En lugar de dar a cada cliente su propia dirección IP, el ISP mantiene un grupo de direcciones disponibles. Cuando un cliente se conecta, el sistema asigna una de esas direcciones que en ese momento tenga libre. Cuando termina la sesión, la dirección IP regresa al grupo para ser asignada a un cliente diferente. Se trata de una dirección única asignada temporalmente a una computadora. La mayoría de los clientes de las ISP se conectan a Internet para leer noticias, intercambiar mensajes de correo electrónico, chat, etc. Siempre y cuando mantengan la misma dirección IP mientras dure su sesión, los clientes de las ISP no son conscientes de que no tienen una dirección IP asignada de forma permanente, o si ésta es temporal sólo para dicha sesión. Las computadoras que prestan un servicio concreto se denominan servidores (por ejemplo el servidor asociado al buscador google.es). Un servidor espera peticiones de entrada y por lo tanto tiene que ubicarse en una dirección IP divulgada (siempre la misma). Las compañías que ofrecen servicios al público gastan grandes cantidades de dinero y trabajan bastante para garantizar que el público en general sepa cómo contactarlos. Estas empresas no pueden tener una dirección IP que cambie de forma constante. Poseen una dirección IP registrada en los motores de búsqueda y directorios y necesitan tenerla como su propia dirección IP estática permanente. Es raro que un usuario particular tenga una IP fija pública. En general suele implicar un coste adicional y no las ofrecen todos los proveedores de acceso a Internet (ISP). En redes domésticas o empresariales es posible definir IPs fijas privadas, pero lo más habitual con diferencia es que se utilice IP dinámica. Las IP dinámicas son IP’s que un equipo o dispositivo suele tener asignada sólo por un cierto momento. No hay una norma fija sobre la frecuencia con que pueden cambiar. A veces se mantienen iguales durante mucho tiempo, mientras que otras cambian a menudo. Muchos proveedores de Internet asignan IPs dinámicas a sus clientes. Si uno de ellos se desconecta de Internet -y ya "no necesita" su IP- el proveedor puede reutilizarla asignándosela a otro cliente que se conecte. La "reutilización" de IPs optimiza recursos y abarata costos. Imagina a tu ISP como un hotel. Tiene un número limitado de habitaciones (IPs). Es mejor usar una misma habitación (una misma IP) para varios clientes que mantener la habitación cerrada (la IP sin usar) a la espera de que vuelva un cliente específico. También posibilita el overseller (o sea, contratar 100 clientes cuando relamente dispones de 80 direcciones IP para ellos, con la idea de que posiblemente no se conecten los 100 clientes simultáneamente). En redes privadas también suelen usarse las IPs dinámicas. Entre otras cosas porque eso facilita mucho su configuración y ampliarlas con nuevos equipos o dispositivos. Las IP dinámicas pueden ser públicas o privadas. En ambos casos se asignan mediante lo que se llama servidos DHCP. Son las siglas de Dynamic Host Configuration Protocol (Protocolo de Configuración Dinámica del Host). © Julián A.

323/323

Documentos Alumnos

El proceso del DHCP es automático. Evita configurar a mano todos los dispositivos de la red uno a uno, u otros nuevos que se añadan a ella. Basta una configuración previa muy sencilla del denominado servidor DHCP. Él es quien asigna las IPs a los equipos, dispositivos o adaptadores de red (los clientes DHCP). Los proveedores de Internet usan el DHCP para atribuir IP dinámicas públicas a sus clientes. Así pueden conectarse con ellas a Internet. De modo similar, un router doméstico o empresarial atribuye IPs dinámicas privadas a los equipos que forman la red. Eso les permite conectarse entre sí.

(y uso de http://dyn.com/dns/ o similares para acceder a un equipo con IP dinamica)


Apuntes alumnos

Cuando un equipo se conecta a Internet u otra red, el servidor DHCP local (normalmente dicha función viene incluida en los routers), le atribuye una IP única de un rango configurado dado (que no tenga ningún otro equipo). Si el equipo se desconecta, el DHCP "libera" su IP. Queda disponible para otro equipo o para reasignársela al anterior si vuelve a conectarse.

© Julián A.

324/324

Documentos Alumnos

2.6 INSTALACIÓN DE UNA LAN (RED DE ÁREA LOCAL)


Apuntes alumnos

El conexionado real de una red LAN en general suele responde a un esquema como el siguiente:

Para un correcto cableado de la red, debe existir homogeneidad entre las categorías de los materiales. Para realizar el conexionado del cable de pares con las tomas RJ45 hembra presentes en el panes de parcheo utilizaremos una herramienta de inserción, o bien usaremos los propios elementos de inserción y crispado de cables que pueda tener el conector. Si el cable utilizado es FTP debemos recordar conectar a tierra tanto la pantalla del conductor, como la tierra del armario de comunicaciones.

© Julián A.

325/325


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Para verificar la correcta realización de cableado se utiliza un comprobador de cableado (“remote cable tester”). Asimismo, y una vez dado por concluido el trabajo en la LAN, podemos proceder a solicitar la certificación de la categoría de una instalación, que se realiza mediante medida de velocidades en varios puntos de la red.

© Julián A.

326/326


Documentos Alumnos

© Julián A.

327/327

Documentos Alumnos

2.6.1 REALIZACIÓN DE UN LATIGUILLO PARA REDES ETHERNET


Apuntes alumnos

1) Se corta el cable de pares y se elimina una parte de la cubierta de PVC que lo protege. 2) Se ordenan los hilos del cable de pares según deseemos hacer un cable directo o un cable cruzado.

3) Ya ordenados, los cables deben juntarse y cortar las puntas, para que estén todas al mismo nivel y no haya problemas al insertarlos en el conector RJ45 4) Introduzca el capuchón en el sentido adecuado, para un correcto acabado mecánico del latiguillo. 5) Asegúrese que todas las puntas lleguen hasta el tope dentro del conector RJ45. 6) Asegúrese que la recubrimiento del cable de pares utilizado queda dentro del conector RJ45, de forma que un seguro, en la parte posterior del conector "sujetará" el cable para evitar que se deslize hacia afuera. 7) Una vez insertado el cable de pares dentro del conector RJ45, y verificado que el recubrimiento de PVC queda dentro del mismo, será necesario “crimpar" en conector con la crimpadora.

8) Verificar el cable con el comprobador de cables. 1º

© Julián A.

2º

3º

4º

5º

328/328

Documentos Alumnos

7º

8º

2.6.2 CABLES DE DATOS Y CABLES DE FUERZA:

En toda instalación debe tenerse especial cuidado a la hora de mezclar en las instalaciones los cables de datos y los cables de fuerza. Ambos tipos de cables deben ir por canalizaciones individuales independientes y a ser posible alejadas entre sí.


Apuntes alumnos

6º

© Julián A.

329/329


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

2.6.3 CABLE RECTO (PARALELO)

El cable recto es sencillo de construir, solo hay que tener la misma norma en ambos lados del cable (A con A, o B con B). Este tipo de cables es utilizado para conectar PC’s a equipos activos de red, como Hubs, Switchers, Routers.

Cable Cruzado (cross cable) El cable cruzado es también utilizado para conectar dos PC’s directamente o equipos activos entre si, como hub con hub, con switch, router, etc. Para ser más claro, existen dos tipos de conexionado de cables ethernet, en donde la diferencia es si el puerto tiene los pares 1-3, 2-6 cruzados (cross-conected) internamente o no los tiene. Los que tienes cruze interno se diferencian utilizando unos la leyenda “X” y los que no lo tienen usan la leyenda “I”. La regla práctica es así:  Un puerto “X” se conecta a un puerto “I” y viceversa uno “I” a uno “X” con un cable sin cruzar.  Un puerto “X” se conecta a un puerto “X” con un cable cruzado.  Un puerto “I” se conecta a un puerto “I” con un cable cruzado. Es decir, para interconectar puertos del mismo tipo, se utiliza un cable cruzado. Para puertos de distinto tipo se utiliza un cable sin cruzar (como regla nemotécnica, el número de cruces que deben existir en una conexión debe ser impar) Por ejemplo: © Julián A.

330/330


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

 Los puertos de un switch son del tipo “X”, y los de la PC del tipo “I” con lo cual se utiliza un cable sin cruzar para conectarlo.  Un router siempre tiene puertos “I” con lo cual para conectarlo a un switch se utiliza un cable sin cruzar también. Para conectar un router a un PC directamente (sin pasar por hub/switch) se utliza un cable cruzado, puesto que tanto el router como la PC tienen puertos del tipo “I”. A continuación aparece una tabla resumen de lo anterior : PC Puertos del tipo “I”

RO UTER Puertos del tipo “I”

HUB Puertos del tipo “X” o del tipo “I”. Si hay un puerto llamado “uplink” es de tipo “I”, y se usa para interconectar HUB’s en cascada (entre sí). Algunos puertos tienen un interruptor de configuración, que se puede poner en la posición cross-connect “X” o no. Además hay equipos auto-configurables, que detectan el par por el que llega la información, y en función de eso, la cruzan internamente o no.

S WITCH Igual que los HUB.

Caso 1:

En este caso NO necesitamos Hub ni Switch, solamente una tarjeta de red en cada ordenador y un cable. ¿Puede indicar que tipo de cable sería necesario utilizar en este caso?

Caso 1.

¿Indique de qué tipo serían los cables a utilizar en este caso?

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

NOTA : Cuando la conexión se hace correctamente, y los extremos del cable de red estén alimentados (encendidos), el LED verde de la tarjeta de red del PC deberá iluminarse indicando conexionado correcto del cable. en caso contrario, permanecerá apagado (el LED amarillo parpadea cuando hay tráfico de paquetes entrantes o Caso 2. salientes ) x quéxtipoxserían x los x este x cables x axutilizar x en x caso? x ¿Indique de

© Julián A.

331/331


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

Caso 3.

¿Indique de qué tipo serían los cables a utilizar en este caso? x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

Auto crossover detect

Caso 4

¿Indique de qué tipo serían los cables a utilizar en este caso?

© Julián A.

332/332

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Router

Auto-MDI/MDI-X

SWITCH : 100Mbps and 10Mbps, CSMA/CD flow control, Full-duplex, Auto-MDI/MDI-X. El modo Auto-MDI/MDI-X de este Switch lo hace capaz de detectar automáticamente cualquier necesidad de cruce (crossover detection). 2.6.4 CONFIGURACIÓN DE EQUIPOS EN RED - WINDOWS XP

En este apartado se explican los pasos a seguir para la configuración de cada uno de los equipos integrantes en una red bajo el SO Windows XP 2.6.4.1 Equipos con Windows XP, configuración estática

Paso 1: Pinchamos en el botón de “inicio” en la barra de tareas, y seguidamente nos dirigimos a “Mis sitios de red” (Figura 2-1 : Mis sitios de red.)

Figura 2-1 : Mis sitios de red.

© Julián A.

333/333

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Paso 2: Pinchamos en ver conexiones de red, en el menú de la izquierda, con lo que nos aparecerá la pantalla “Conexiones de red” (Figura 2-2 : Conexiones de red.).

Figura 2-2 : Conexiones de red. Paso 3: Hacemos doble clic en “Conexión de área local” . En este caso y debido a la utilización del software VMware Workstation, aparecerán varias entradas en la pantalla Conexiones de red. Debe selecciona aquella conexión que esté vinculada con la tarjeta de red físicamente usada, y que en general llevará la denominación de Conexión de área local. Hacemos doble clic en dicha entrada, y nos aparece una pantalla de Estado de la Conexión de área local. Pulsamos ahora en la pestaña Compatibilidad de forma que podemos ver tanto la dirección IP actual que posee el equipo, como el resto de parámetros de configuración del equipo en la red pulsando sobre Detalles (

Figura 2-3 : Datos TCP/IP.).

Figura 2-3 : Datos TCP/IP.

Nota: En el caso de que no apareciera ninguna entrada en la pantalla Conexiones de red, sería debido a que el equipo o no dispone de ninguna tarjeta de red físicamente instalada, o bien debido a que los driver’s de configuración de una tarjeta físicamente presente en el equipo, no están instalados, o lo están incorrectamente.

Si los valores de configuración que nos aparecen son ya adecuados, cerramos tanto esta ventana como todas las demás sin aceptar ningún cambio, y no continuamos con el resto de los pasos. © Julián A.

334/334

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Si los valores no fueran adecuados, cerraremos esta ventana “Estado de la Conexión de área local”, y haremos clic con el botón derecho del ratón sobre la conexión “Conexión de área local”. Del paso 2 (Figura 2-2 : Conexiones de red.), seleccionando propiedades, de forma que nos aparecerá la pantalla de Propiedades de Conexión de área local (Figura 2-4 : Configuración TCP/IP.).

Figura 2-4 : Configuración TCP/IP.

Figura 2-5 : Introducción datos TCP/IP.

Paso 4: Hacemos doble clic en “Protocolo Internet (TCP/IP)” para acceder a la pantalla Propiedades de Protocolo Internet (TCP/IP). Activamos las opciones “Usar la siguiente dirección IP”, y “Usar las siguientes direcciones de servidor DNS”,e introducimos en el campo Dirección IP, Mascara de Subred, Puerta de enlace predeterminada, Servidor DNS preferido o primario, Servidor DNS alternativo o secundario, los valores indicados en el apartado 1.3.1 de este documento según la opción elegida (Figura 2-5 : Introducción datos TCP/IP.) Paso 5: Ahora debemos configurar tanto el nombre del equipo, como el grupo de trabajo al que pertenecerá. Para ello debemos ir a Inicio  Panel de Control (Figura 2-6 : Panel de control.). Paso 6: Seleccionamos ahora el icono “Sistema” y, seleccionando la pestaña “Nombre del equipo”, nos aparecerá la siguiente pantalla (Figura 2-7 : Nombre del equipo.).

Figura 2-6 : Panel de control.

© Julián A.

335/335


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 2-7 : Nombre del equipo. Figura 2-8 : Cambiar nombre del equipo y grupo de trabajo

Paso 7: A continuación pinchamos en el botón “Cambiar” (Figura 2-8 : Cambiar nombre del equipo y grupo de trabajo). En la entrada Nombre de equipo pondremos el nombre que deseamos dar a nuestro equipo en la red. Asimismo, el nombre de grupo de trabajo debe ser el mismo para todos los equipos (el uso de grupos de trabajo es la forma más simple de compartir recursos en la red). En este caso del aula de clase el nombre del grupo de trabajo se ha elegido como  C204 Paso 8: Finalmente debemos reiniciar el equipo para que los cambios queden registrados. 2.6.4.2 Equipos con Windows XP, configuración dinámica

En este caso, deben repetirse los pasos 1 a 3 descritos en la configuración estática del apartado 1.4.1 anterior. Paso 4: En la pestaña “General”, hacemos doble clic en “Protocolo Internet (TCP/IP)” para acceder a la pantalla Propiedades de Protocolo Internet (TCP/IP). Deberemos aquí seleccionar las opciones “Obtener una dirección IP automáticamente” y “Obtener la dirección del servidor DNS automáticamente”, como se muestra en la Figura 2-9 : Configuración TCP/IP dinámica.

Figura 2-9 : Configuración TCP/IP dinámica

Una vez realizado esto, deben seguirse los pasos 5 a 8 tal y como vienen indicados en el Apartado Equipos con Windows XP, configuración estática anterior. 2.6.5 COMPARTIR RECURSOS ENTRE EQUIPOS DE LA RED. © Julián A.

336/336

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Algunos de los recursos conectados localmente a cada equipo integrante de una LAN, puede ser puesto a compartir para el resto de los equipos de la misma. Para permitir el uso de un recurso compartido desde un equipo de forma que pueda ser usado por el resto de equipos de la LAN (teniendo en cuenta que estamos hablando en todo momento de una red entre iguales), debe haberse seleccionando primero el tipo de recurso a compartir, y activar posteriormente la opción para compartir dicho recurso dentro del SO. 2.6.5.1 COMPARTIR CARPETAS

Para permitir en uso compartido de una carpeta para el resto de equipos que forman la LAN, debe hacerse clic con el botón derecho del ratón sobre ella (desde el explorador, por ejemplo). En el menú emergente que aparece, debe seleccionarse la opción Propiedades, y luego la pestaña Compartir según el Sistema Operativo que se esté utilizando. En todos los casos nos preguntará sobre si deseamos permitir que el resto de usuarios de la red puedan tener posibilidad de modificar los archivos del equipo local, o si bien únicamente se les permite leer el contenido de los archivos de esa carpeta compartida, sin la posibilidad de modificar su contenido. Asimismo, y en función de la forma de habilitación de permisos de usuario, podremos seleccionar qué usuarios podrán, y que usuarios no podrían acceder a dicho recurso compartido. En la Figura 2-10 : Compartir carpeta – Formato simple., se ve una captura de ejemplo de configuración a este respecto, de un equipo con Windows XP y selección simplificada de las opciones de Compartir/seguridad. En dicha imagen aparece como se pone a compartir la carpeta Temp de un equipo de forma que pueda ser accedida por el resto de equipos de la red, pudiendo cualquiera de ellos modificar los archivos contenidos en dicha carpeta. Figura 2-10 : Compartir carpeta – Formato simple.

Sin embargo, en la Figura 2-11 : Compartir carpeta – Formato simple, se ve una captura de ejemplo de configuración de las opciones de Seguridad de un equipo con Windows XP, donde aparece como podemos seleccionar los permisos individuales de cada uno de los usuarios/grupos que tienen cuenta de usuario en dicho sistema. Se recuerda que para utilizar estas opciones de configuración de seguridad de forma completa debe deshabilitarse la casilla de verificación del menú Herramientas  Opciones de carpeta  Pestaña Ver indicada en la Figura 2-12 : Selección formato completo.

© Julián A.

337/337


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 2-12 : Selección formato completo. Figura 2-13 : Compartir – Formato completo.

2.6.5.2 COMPARTIR IMPRESORAS

La correcta utilización del equipamiento de impresión en las aulas informáticas debe pasar por la instalación de servidores de impresión independientes de cada uno de los equipos informáticos presentes en la misma, de forma que se tenga acceso a cada una de las impresoras del aula (en general, nunca más de dos), desde cada uno de los equipos presentes en la misma, sin que para ello sea necesario que ninguno de los equipos del aula esté arrancado. En las configuraciones en las que se dispone de una red con dominio propio, y validación de usuarios frente a un servidor, es necesario disponer de un equipo dedicado a todas las funciones de verificación y validación de usuarios y organización de los servicios a usar en la misma. Este es el caso de los servidores dedicados que corren sistemas operativos específicamente diseñados para este fin (por ejemplo la serie de SO Windows Server). El diseño e implementación actual de la red de datos deja completamente abierta la posibilidad de inclusión de un controlador de dominio en una hipotética ampliación futura. No obstante lo anterior, y de forma similar a lo indicado para las carpetas, las impresoras conectadas de forma local en un equipo, pueden ser puestas a compartir para el resto de equipos de su misma red, de forma que puedan imprimir en la impresora conectada al primero. No es esta la forma recomendada de utilización del equipamiento de impresión de un aula de informática, ya que uno de los PC’s de la red hace a su vez de servidor de impresión para el resto de equipos de la red, de forma que se conecta la impresora únicamente a este equipo que sirve la impresora al resto, pero se necesita que este equipo esté arrancado para que cualquier otro acceda a la impresora local al equipo de la comparte.

© Julián A.

338/338


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

En la Figura 2-14 : Compartir impresora. se ve la configuración a este respecto, de un equipo con Windows 98 (exactamente igual que en Windows XP), del que se pone a compartir la impresora EPSON Stylus C42 Series. Para que el resto de equipos de la LAN puedan imprimir usando esta impresora, debe añadirse a cada equipo concreto de la LAN una nueva impresora, usando el menú de Agregar impresora accesible desde el menú Inicio  Impresoras, de forma que el asistente de instalación de Figura 2-14 : Compartir impresora. nueva impresora nos preguntará si la impresora a instalar es local o remota (forma parte de la red), debiéndose seleccionar este segundo caso y luego el equipo concreto de la red que dispone de la impresora físicamente conectada a él. En la Figura 2-15 : Instalación de impresora de red.se ve como comenzar la instalación de una impresora de red en un equipo local cualquiera con Windows XP.

Figura 2-15 : Instalación de impresora de red.

Una vez seleccionados los valores indicados en la Figura 2-15 : Instalación de impresora de red., el asistente nos mostrará todas las impresora existentes en la red para poder seleccionar cual es la que queremos usar en este equipo. Por supuesto, podemos añadir tantas impresoras de red como deseemos, de forma que luego podremos usar cualquiera de ellas seleccionándola desde la aplicación correspondiente.

© Julián A.

339/339

Documentos Alumnos

2.7 REGLAS DE INSTALACION DE CABLEADO CATEGORIA 5E Y 6


Apuntes alumnos

Para llegar a conseguir que nuestra Red de Area Local sea de categoría 5e y admita frecuencias de hasta 100 Mhz, permitiéndonos obtener velocidades de transmisión de datos de 100 Mbits/s, tendremos que tener en cuenta una serie de reglas en la instalación. Lo mismo pasa con la categoría 6 con una frecuencia de hasta 250 Mhz y velocidad de transmisión de datos de 1 Gbit/s.

Respetar las longitudes del cableado horizontal y de los latiguillos de conexión:  L1: Latiguillo de unión HUB-PATCH PANEL  L2: Latiguillo de bajada toma ordenador  L3: Cable PATCH PANEL - Toma

L3 ≤ 90 m L1 + L2 ≤ 10 m

Homogeneidad de componentes:        

- HUB ó SWITCH - PATCH PANEL - Repartidores - Cables - Tomas - Conectores - Latiguillos

Todos categoría 5e o 6

Separación de circuitos corrientes fuertes y débiles. Se admite como mínimo 30 cm de distancia entre bandejas de cables de corrientes fuertes y bandejas de cables de corrientes débiles. Pero si el edificio lo permite conviene aumentar esta distancia hasta 50 cm. Por otro lado, los cruzamientos entre ambas corrientes deben ser realizados a 90º

© Julián A.

340/340

Documentos Alumnos

2.8 INTRODUCCIÓN A INDUSTRIAL ETHENRET


Apuntes alumnos

La automatización industrial hasta hace poco se basaba en utilizar comunicaciones a distintos niveles utilizando buses de campo adaptados a los requisitoes de cada nivel:

El éxito de las comunicaciones vía ethernet, y su vertiginoso desarrollo está obligando a las redes de automatización industrial a converger hacia soluciones encaminadas a sustituir todo el sistema de buses existente buscando compatibilidad con el estandar ethernet:

© Julián A.

341/341

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Para llevar ethenrnet al ámbito industrial varios fabricantes apuestan por distintas soluciones que aún no están estandarizadas.

La idea es que ethenrnet tal como está concebida no resuelve el problema de dar prioridad a un paquete frente a otro que dene ir a un mismo destino, de forma que quizás encuentre prioridad un paquete procedente de una conversación de voz, frente a una alarma emitida por un sensor de temperatura por ejemplo. Para llevar a cabo esta priorización algunos fabricantes apuestan por modificar la ethenrnet estandar (por ejemplo Profinet IRT), mientras otros apuestan por no modificar la ethenrnet estandar (Modbus TCP por ejemplo). Dado que la modificación de ethenrnet implica no poder utilizar equipos comunes en las comunicaciones informáticas, en general se intenta huir de dicha solución, existiendo casos especiales (control de movicimento de motores totalmente sincronizados por ejemplo para trenes de laminación), donde la simultaneidad en los envíos de órdenes y posiciones es crítica (a esto se denomina isocronía). Para esos casos concretos es imprescindible a día de hoy utilizar soluciones con ethenrnet modificado, mientras que para casos generales basta con arbitrar algún sistema de priorización con la ethenrnet sin modificar. Existen asimismo soluciones mixtas ( como sucede con PROFINET y sus tres varianetes: Profinet NRT, Profinet RT, Profinet IRT). Sus diferencias se verán a continuación. Ethernet industrial es el nombre dado a la utilización del protocolo Ethernet en un entorno industrial, de automatización y control de máquinas de producción.

PC estandar

PLC estandar

Sensor estandar © Julián A.

342/342

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

La siguiente imagen muestra un ejemplo similar, donde a nivel de campo (inferior) tenemos conviviendo varios dispositivos de automatización (entradas / salidas) junto a dispositivos típicos IT (como por ejemplo cámaras de vídeo).

Para llevar ethenrtent a la industria La trama ethernet original (la estándar 802.3), no soporta la ampliación hecha por la especificación (o revisión) IEEE 802.3Q, que aporta campos para identificar en cierto modo las tramas ethernet. Entre las modificaciones realizadas por dicha revisión se encuentra el “tag VLAN” bytes

bytes

Arriba trama ethernet original. Abajo trama ethernet con la revisión 802.3Q En esta última se aprecia como aparecen nuevos campos La revisión 802.3Q en realidad no encapsula la trama original, sino que agrega un campo de 32 bits (4 bytes) entre la dirección MAC de origen (Surce MAC) y los campos EtherType, por lo que la trama ethernet resultante se extiende a los tamaños mínimos y máximos de 64 y 1.518 bytes (octetos) 68 y 1.522 bytes (4 bytes más). De estos 4 bytes mas, dos bytes se utilizan para la etiqueta de protocolo de identificación (TPID), los otros dos bytes para información de la etiqueta de control (TCI) que a su vez se divide en PCP, TPI, y VID. 802.3Q (32 bits- 4 bytes) 1º byte 2º byte 3º byte 16 bits 3 bits 1 bit TPID © Julián A.

4º byte 12 bits TCI

PCP

CFI

VID 343/343

Documentos Alumnos



Etiqueta Protocolo Identifier (TPID): un campo de 16-bit con un valor de 0x8100 a fin de identificar el marco como el estándar IEEE 802.3Q etiquetado marco. Este campo se encuentra en la misma posición que el campo EtherType / Longitud en las tramas sin etiquetar, y así se utiliza para distinguir el marco de las tramas sin etiquetar.



Etiqueta de control de identificación (TCI), que a su vez se descompone en o Prioridad Code Point (PCP): un campo de 3 bits que se refiere a la prioridad IEEE 802.3p. Se indica el nivel de prioridad marco. Los valores son de 0 (mejor esfuerzo) a 7 (más alto); 1 representa la prioridad más baja. Estos valores se pueden utilizar para dar prioridad a diferentes clases de tráfico (voz, video, datos, etc.) Véase también la clase de servicio o CoS (cuality of service).


Apuntes alumnos

El significado de estos nuevos campos es el siguiente:

o Indicador de formato canónico (CFI): un campo de 1 bit. Si el valor de este campo es 1, la dirección MAC está en formato no canónico. Si el valor es 0, la dirección MAC está en formato canónico (la notación estándar, también llamado formato canónico, para las direcciones MAC está escrito en orden de transmisión de bits con el bit menos significativo transmitida en primer lugar. Sin embargo, como IEEE 802.3 (Ethernet) y IEEE 802.4 (Token Bus) enviar los bytes (octetos) en el cable, de izquierda a derecha, con el bit menos significativo de cada byte primero, mientras que IEEE 802.5 (Token Ring) y IEEE 802.6 enviar los bytes a través del cable con el bit más significativo en primer lugar, la confusión puede surgir cuando una dirección en este último escenario se representa con los bits invertidos de la representación canónica. El bit CFI Siempre se fija en cero por conmutadores Ethernet. TPI se utiliza para la compatibilidad entre Ethernet y Token Ring redes. Si una trama es recibida en un puerto de Ethernet tiene un conjunto TPI a 1, entonces ese marco no debe ser un puente a un puerto sin etiquetar. o Identificador de VLAN (VID): un campo de 12 bits que especifica la VLAN a la que pertenece la trama. Los valores hexadecimales de 0x000 y 0xFFF están reservados. Todos los demás valores se pueden utilizar como identificadores de VLAN, que permite hasta 4.094 VLAN. El valor 0x000 reservada indica que el bastidor no pertenece a cualquier VLAN, en este caso, la etiqueta 802.1Q especifica sólo una prioridad y se conoce como una etiqueta de prioridad. En los puentes,

© Julián A.

344/344

Documentos Alumnos

VLAN 1 (la VLAN predeterminada ID) a menudo se reserva para una gestión de VLAN, lo que es específico del proveedor.


Apuntes alumnos

2.8.1 PROFINET:

Existien varias especificaciones para PROFINET:: Profinet NRT (No Real Time) , Profinet RT (Real Time), Profinet IRT (Isochronous Real Time). Sus diferencias fundamentales son las siguientes:

© Julián A.

345/345


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Dentro de la pila TCP/IP, la especificación Profinet NRT (No Real Time) utiliza el estándar ethernet sin ninguna modificación, y por tanto con tiempos de respuesta no deterministas (inciertos, que no suelen ser mayores de 100/200ms pero que podrían ser incluso infinitos teóricamente. La especificación Profinet RT (Real Time) utiliza ethernet con los campos especificados por IEEE 802.1Q (prioridades). En este caso, el determinismo está garantizado en el orden de los 10ms de entrega de paquetes, con apenas dilaciones del 15% sobre dicho valor de tiempo. En este caso además, los paquetes nunca salen de la red local LAN, y por tanto no viajan encapsulados en tramas IP ni TCP al no ser ya necesario La especificación Profinet IRT (Isochronous Real Time) utiliza una ethernet no estandar y completamente modificada y específica que asegura entregas de paquetes en menos de 1ms a costa de utilizar hardware concreto y específico no estandar. Es imprescindible en aplicaciones con grandes sincronismo de muchos equipos (típicas aplicaciones de movimiento totalmente síncrono de motores).

© Julián A.

346/346

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Como ya se ha comentado, Profinet NRT utiliza el estandar ethenrnet 802.3 original, sin ninguna modificación. Profinet RT (el más simple), como estándar abierto que utiliza el estándar ethernet 802.3Q, para la creación de buses de campo que interconecte dispositivos de control en sistemas automáticos de producción (como evolución de profibus). Utiliza la modificación “Q” de la etehrnet estandar para marcar sus tramas e incluir cierta información de prioridad en los paquetes de la forma siguiente:

Profinet RT utiliza para la transmisión de datos las tramas ethernet, que viajan en la red junto a paquetes estándar que en general deben ser tenidos como menos prioritarios y que no deben ralentizar la entrega de paquetes de automatización.

© Julián A.

347/347


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Para evitar esta situación de embotellamiento, los switches deben estar preparados dejar pasar de forma prioritaria los paquetes profinet. Esto se hace utilizando switch en las redes industriales que “miren” los campos TPID y TCI añadido según la especificación IEEE 802.1Q anterior comentada, y puedan dejar paso a los paquetes marcados con prioridad mayor, cortando a los paquetes estándar que serán retransmitidos posteriormente.

Además de ofrecer posibilidad de priorizado de paquetes, los switch utilizados en automatización industrial (industrial-enthernet) pueden utilizar tecnologías de aceleración en el envío de tramas (Cut-Through ) que lo que hacen es revisar los 6 primeros bytes de cada la trama ethernet entrante por cada boca, para identificar su tipo y dirección de envío, e inmendiatamente proceder a su salida por la boca correspondiente. En la ethernet estandar los switch utlizados (en el ámbito dome´stico por ejemplo), son switch que no tienen capacidad de “mirar” los campos TPID y TCI de los paquetes (añadidos según la especificación IEEE 802.1Q), y que adem´ñas funcionan con tecnología Store-and-Forward, que se basa en guardar cada trama completa en un bufer interno, identificar entonces sus direcciones MAC de envido y origen, y luego direccionalas hacia el puerto o boca de salida. Mientras la trama está en el búfer, el switch calcula el CRC y mide el tamaño de la misma. Si el CRC falla, o el tamaño es muy pequeño o muy grande (un cuadro © Julián A.

348/348

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Ethernet tiene entre 64 bytes y 1518 bytes) la trama es descartada. Si todo se encuentra en orden es encaminada hacia el puerto de salida. Este método asegura operaciones sin error y aumenta la confianza de la red. Pero el tiempo utilizado para guardar y chequear cada trama añade un tiempo de demora importante al procesamiento de las mismas. La demora o delay total es proporcional al tamaño de las tramas: cuanto mayor es la trama, más tiempo toma este proceso. La siguientes imagenes muestran la comparativa en la rapidez de envio de un paquete mediante switch store and fordware en una red cpn 5 switch en cascada, frente a la velocidad obtenida por con switch cut through.

Los switch utilizados en ethernet industrial permiten además configuración interna para distinguir y priorizar entre las tramas que viajan en la red tanto de Profinet como de otros estándares actuales que utilizan también ethernet para comunicaciones en el ámbito industrial (como ModbusTCP)

© Julián A.

349/349

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

Explicar ethernet IRT

© Julián A.

350/350

Documentos Alumnos

–

DETALLE

MARCACIÓN-LLAMADA-

Para conocer con más detalle la relación entre las señales intervinientes en la norma RS232, en la figura se representa el procedimiento de llamada, transmisión de datos y liberación en una conexión serie HALF DUPLEX a través de una red telefónica pública conmutada. La comunicación se establece entre dos equipos terminales (DTE) situados en dos localidades remotas (A y B), utilizando cada uno de ellos un MODEM local (DCE) para acceder a la red telefónica. No obstante, y debido a lo obsoleto de las comunicaciones mediante MODEM y red telefónica conmutada, se deja esta descripción como anexo a este documento simplemente con el fin de servir de apoyo y/o consulta contra posibles situaciones de duda.


Apuntes alumnos

2.9 ANEXO: RS232 LIBERACIÓN.

Figura 2-16 : Establecimiento de conexión, transferencia y liberación RS 232 semiduplex

El resumen del proceso seguido es el siguiente:  Cuando el DTE esta preparado para hacer o recibir solicitudes de transferencias de datos activa la línea DTR, y el MODEM local responde activando DSR indicando que esta preparado. A continuación el PC envía al MODEM el número de teléfono del PC al que se © Julián A.

351/351

Documentos Alumnos

quiere llamar. Cuando el MODEM del PC al que se llama recibe la llamada activa la línea de indicación de llamada (RI), y el PC de destino responde activando la línea de solicitud de transmisión (RTS).


Apuntes alumnos

  Como respuesta, el MODEM destino activa la portadora para indicar al de origen que se ha aceptado la llamada (con un 1 lógico en la línea) y tras un pequeño retardo, activa la línea de preparado para transmitir (CTS) para indicar al PC destino que puede comenzar a enviar datos.   El retardo es necesario para que el PC llamado no empiece a enviar hasta que el que llama haya detectado la aceptación de la llamada.   Al detectar la señal portadora el MODEM que llama se activa su línea de detección de portadora (CD), de modo que la conexión se ha establecido y puede comenzar la transferencia de datos.   Normalmente, el PC destino empieza enviando un mensaje corto de invitación a transmitir, tras lo cual se prepara para recibir la respuesta desactivando la línea RTS. Al detectar esto el MODEM la que se llama deja de enviar la portadora y desactiva la línea CTS.   Con ello, el MODEM de origen detectará la suspensión de portadora y como respuesta desactiva su línea CD. Para enviar la respuesta, el PC de origen activa RTS, y al recibir CTS de su MODEM comienza a enviar su mensaje. Este proceso se repite durante el intercambio de mensajes entre los dos PC.  Para finalizar y liberar la conexión ambos PC desactivan su línea RTS, con lo que los MODEMS desactivan sus portadoras. Al detectar esto, ambos MODEM desactivan su línea CD, y con ello los PC desactivan, a su vez, las líneas DTR, a lo que los MODEMS responden desactivando DSR, finalizando así la conexión. Por lo general, el PC destino se prepara para recibir una nueva llamada volviendo a activar la línea DTR tras un pequeño intervalo de tiempo. La conexión así descrita es de tipo semiduplex, es decir, hay que cambiar de modo de recepción a transmisión mediante una secuencia de las señales de control. El tiempo empleado para el cambio es insignificante. A pesar de ello, es preferible utilizar el modo duplex, en el que ambas líneas RTS se dejan activas, y los dos MODEMS mantienen activa la línea CTS, de modo que envian continuamente una señal portadora al MODEM remoto. Así es posible el envío y recepción simultaneo de datos por TxD y RxD. A continuación se detallan todas las etapas del proceso que se han resumido en los párrafos anteriores.

a) Establecimiento de la conexión (llamada).  El Terminal A activa (ON) la señal DTR para indicar al MODEM A que está preparado para hacer una llamada.  El MODEM A marca el número que puede tener previamente almacenado, o que ha sido enviado por la patilla TxD desde el Terminal A  El MODEM B detecta la llamada por la línea y activa (ON) la señal RI para indicarle al Terminal B que se ha recibido una llamada  El Terminal B acepta la llamada activando la señal DTR

© Julián A.

352/352


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

 A su vez, el MODEM B responde afirmativamente al Terminal B activando (ON) la señal DSR y a continuación envía la señal portadora (ON) sobre la línea hacia el MODEM A  El MODEM A indica la llegada de la portadora activando (ON) simultáneamente las señales DCD y DSR, ya que el Terminal A tenía activada la señal DTR.  Si la transferencia fuese simultánea (FULL DUPLEX), el MODEM A enviaría una portadora al MODEM B, con lo que éste a su vez activaría la señal DCD.

b) Transferencia de datos.  En la transferencia alternada (HALF DUPLEX), el Terminal B solicita el envío de información al MODEM B activando (ON) la señal RTS  El MODEM B responde al Terminal B activando (ON) la señal CTS.  A continuación, el Terminal B empieza a transmitir BIT a BIT en serie a través de su patilla TxD. El MODEM B modula su portadora para transmitir los datos hacia el MODEM A  El MODEM A remodula la portadora, recupera los bits y los envía en serie 8uno a no) a través de su patilla RxD hacia el Terminal A.  En la transferencia alternada (HALF DUPLEX), una vez que el Terminal B ha cesado de transmitir desactiva (OFF) la señal RTS con lo que el MODEM B elimina la portadora, e indica la situación al Terminal B desactivando (OFF) la señal CTS.  El MODEM A detecta esta situación desactivando (OFF) la señal DCD, con lo que el Terminal A tiene la oportunidad de transmitir activando (ON) la señal RTS. El MODEM A responde al Terminal A activando (ON) la señal CTS y envía la portadora (ON) al MODEM B  El MODEM B indica esta situación al Terminal B activando (ON) la señal DCD.  Se establece el proceso de transmisión en sentido contrario al anterior desde la patilla TxD del Terminal A hacia el MODEM A. El MODEM B remodula los bits procedentes del MODEM A y los entrega al Terminal B a través de su patilla RxD  El procedimiento de transmisión alternada se repetirá hasta la finalización de los datos en ambas partes.

c) Desconexión (liberación).  Una vez finalizado el envío de datos por ambas partes, los terminales desactivan (OFF) la señal RTS, con lo que el MODEM respectivo elimina su portadora.  Los terminales detectan la eliminación de la portadora remota al desactivar (OFF) su MODEM respectivo la señal DCD  La liberación de la línea en cada extremo se establece al desactivar (OFF) cada Terminal la señal DTR, y cada MODEM, la señal DSR.

© Julián A.

353/353

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

2.10 TABLA DE ILUSTRACIONES

Figura 1-1 : Sección de botellas vacías de Bier Schneider, Dortmund, calbleado mediante bus ASi.......................................................................................................................................................................... 13 Figura 1-2 : Mazo de cables vs Bus de sensores/actuadores .............................................................. 14 Figura 1-3 : Esquema general automatización ........................................................................................... 14 Figura 1-4 : Mazo de cables vs AS-Interface .......................................................................................... 15 Figura 1-5 : Topologías AS-Interface......................................................................................................... 15 Figura 1-6 : Diferencias: Bus sensor actuador / Bus de campo........................................................... 16 Figura 1-7: Sistema de control centralizado............................................................................................. 18 Figura 1-8 : Sistema de control distribuido .............................................................................................. 18 Figura 1-9 : Esquema de comunicación entre 2 computadoras a través de una red...................... 19 Figura 1-10 : Arquitectura OSI. ...................................................................................................................20 Figura 1-11 : Encapsulamiento de datos I................................................................................................... 21 Figura 1-12 : Encapsulamiento de datos II ................................................................................................22 Figura 1-13: Arquitectura TCP/IP ................................................................................................................24 Figura 1-14 : Comparativa modelo OSI vs TCP/IP...................................................................................25 Figura 1-15 : Protocolos PROFIBUS en función del tipo de versión (PA,FMS)...............................26 Figura 1-16 : Sistemas de supervisión .........................................................................................................27 Figura 1-17 : Supervisión de procesos.........................................................................................................27 Figura 1-18 : Tendencias en los sistemas de supervisión.......................................................................28 Figura 1-19 : Funciones de los sistemas SCADA / HMI ........................................................................28 Figura 1-20 : Interface gráfica ....................................................................................................................29 Figura 1-21 : Comunicación SCADA – PLC ................................................................................................... 31 Figura 1-22 : OPC – Clientes y servidores.................................................................................................. 31 Figura 1-23 : OPC – Características.............................................................................................................32 Figura 1-24 : OPC – antes de su aparición..................................................................................................35 Figura 1-25 : OPC – tras su aparición ..........................................................................................................36 Figura 1-26 : OPC – integración de sistemas.............................................................................................36 Figura 1-27 : OPC – conexionado del mismo cliente a distintos servidores.....................................37 Figura 1-28 : OPC – acceso a datos ..............................................................................................................37 Figura 1-29 : Aplicaciones OPC......................................................................................................................38 Figura 1-30 : Arquitectura general y componente OPC .........................................................................38 Figura 1-31 : Jerarquías de redes de comunicación ................................................................................39 Figura 1-32 : Arquitectura de un Sistema de Control Distribuido..................................................... 41 Figura 1-33 : Distintos ejemplos de niveles en pirámides CIM ...........................................................42 Figura 1-34 : Cuadro comparativo red industrial vs. Red de empresa o convencional ..................43 Figura 1-35 : Elementos de una comunicación...........................................................................................47 Figura 1-36 : Emisor..........................................................................................................................................47 Figura 1-37 : Receptor .....................................................................................................................................48 Figura 1-38 : Esquema general.......................................................................................................................48 Figura 1-39 : Conmutaciones ..........................................................................................................................50 Figura 1-40 : Conexión en paralelo ...............................................................................................................50 Figura 1-41 : Línea con 4 estados discretos ..............................................................................................52 Figura 1-42 : Línea con 2 estados discretos .............................................................................................53 Figura 1-43 : Baudios de equipos MODEM .................................................................................................54 Figura 1-44 : Transmisión y recepción simultáneas.................................................................................55 Figura 1-45 : Un emisor y varios receptores ............................................................................................55 © Julián A.

354/354


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-46 : Enlaces a) simplex, b) semiduplex, c) duplex ..................................................................56 Figura 1-47 : PLC conectado con dos variadores de velocidad ............................................................57 Figura 1-48 : Tipos de transmisiones serie................................................................................................60 Figura 1-49 : Transmisión asíncrona: a) Diagrama de bloques básico, b) Formato de señal. ......60 Figura 1-50 : Ejemplo comunicación asíncrona..........................................................................................62 Figura 1-51 : Problemas de sincronismo en comunicación asíncrona...................................................62 Figura 1-52 : Transmisión síncrona a distancias cortas: .......................................................................63 Figura 1-53 : Diagrama de bloques de una comunicación con códigos autosincronizados ............63 Figura 1-54 : Ejemplos de códigos autosincronizados ............................................................................65 Figura 1-55 : USB - Patillas y tipos de conectores .................................................................................67 Figura 1-56 : Disco duro USB. .......................................................................................................................68 Figura 1-57 : Sincronismo de carácter en comunicación asíncrona ....................................................69 Figura 1-58 : Ejemplo de sincronismo de carácter en comunicación asíncrona ..............................70 Figura 1-59 : 2 ejemplos de sincronismo de bloque en comunicación síncrona ...............................70 Figura 1-60 : a) Banda base ; b) Banda ancha ........................................................................................... 71 Figura 1-61 : Amplificador ..............................................................................................................................76 Figura 1-62 : Conexión en cascada ...............................................................................................................77 Figura 1-63 : Conversión entre dB y valores lineales..............................................................................79 Figura 1-64 : Filtros de ponderación A, B, C y D y la respuesta en frecuencia del oído humano .................................................................................................................................................................................80 Figura 1-65 : Ancho de banda de una señal no senoidal I......................................................................85 Figura 1-66 : Ancho de banda de una señal no senoidal II ...................................................................86 Figura 1-67 : Descomposición de señales en armónicos .........................................................................86 Figura 1-68 : Señales - Ancho de banda absoluto vs relativo. .............................................................87 Figura 1-69 : Ancho de banda del medio físico ........................................................................................87 Figura 1-70 : Señal no senoidal transmitida por un medio físico ........................................................88 Figura 1-71 : Alteraciones sufridas por una señal al ser transmitida por un medio físico. ........89 Figura 1-72 : Ruido afectando una comunicación entre equipos..........................................................98 Figura 1-73 : Efectos del ruido en las comunicaciones de datos entre equipos.............................98 Figura 1-74 : Errores debidos a ruidos en las líneas de comunicación ..............................................99 Figura 1-75 : Parámetros característicos de una línea de transmisión.............................................99 Figura 1-76 : Cables de comunicaciones: ..................................................................................................100 Figura 1-77 : Trenzado en cables de comunicaciones...........................................................................100 Figura 1-78 : Tipos de pares trenzados.................................................................................................... 101 Figura 1-79 : Cable coaxial............................................................................................................................ 101 Figura 1-80 : Diferencias medios guiados y no guiados .......................................................................102 Figura 1-81 : Fibra óptica. Transmitiendo la información....................................................................102 Figura 1-82 : Fibra óptica - características y parámetros generales I..........................................103 Figura 1-83 : Fibra óptica - características y parámetros generales II .......................................103 Figura 1-84 : Fibra óptica – Propagación de la luz en su interior......................................................104 Figura 1-85 : Fibra óptica – Tipos de fibras ...........................................................................................104 Figura 1-86 : Fibra óptica. Tipos de fibras - Comparación .................................................................105 Figura 1-87 : Fibra óptica. Elementos de conexión ...............................................................................105 Figura 1-88 : Fibra óptica. Pérdidas de potencia ...................................................................................106 Figura 1-89 : Conexión no balanceada........................................................................................................106 Figura 1-90 : Conexión balanceada .............................................................................................................107 Figura 1-91 : Ejemplo de paridad simple. .................................................................................................. 110 © Julián A.

355/355


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-92 : Ejemplo de paridad simple con perturbación. ................................................................111 Figura 1-93 : Ejemplo Hamming código 12.8 ............................................................................................ 114 Figura 1-94 : Ejemplo Hamming código 12.8 con un error simple...................................................... 115 Figura 1-95 : Ejemplo Hamming código 12.8 ............................................................................................ 115 Figura 1-96 : Ejemplo Hamming D3 con tres errores........................................................................... 116 Figura 1-97 : Ejemplo Hamming................................................................................................................... 116 Figura 1-98 : Ejemplo Hamming con tres errores ................................................................................. 117 Figura 1-99 : Hamming cálculo de paridades ........................................................................................... 117 Figura 1-100 : División de polinomios .........................................................................................................124 Figura 1-101 : División de polinomios. Representación abreviada......................................................124 Figura 1-102 : División de polinomios coeficientes módulo 2 .............................................................125 Figura 1-103 : CRC – Presentación de la técnica ....................................................................................126 Figura 1-104 : CRC – Uso de la técnica ......................................................................................................126 Figura 1-105 : CRC – Ejemplo 1 ....................................................................................................................127 Figura 1-106 : CRC – Ejemplo 2-a................................................................................................................128 Figura 1-107 : CRC – Ejemplo 2-b................................................................................................................129 Figura 1-108 : Estrategia de parada y espera I....................................................................................130 Figura 1-109 : Estrategia de parada y espera II ................................................................................. 131 Figura 1-110 : Estrategia de envío continuo.............................................................................................132 Figura 1-111: Formato telegramas bus AS-Interface ..........................................................................133 Figura 1-112 : PROFIBUS - Estructura de un carácter .......................................................................133 Figura 1-113 : PROFIBUS - mensaje de llamada 'call frame' sin campo de datos.......................134 Figura 1-114 : PROFIBUS – modelo general de frame..........................................................................134 Figura 1-115 : Ejemplos de interconexión de equipos industriales con MODBUS........................135 Figura 1-116 : Formato general de la trama en modo RTU..................................................................135 Figura 1-117 : Trama MAC en ethernet 802.3 ........................................................................................136 Figura 1-118 : Formato del datagrama IP.................................................................................................137 Figura 1-119 : Formato del segmento TCP................................................................................................137 Figura 1-120 : Conexión RS-232 original .................................................................................................. 141 Figura 1-121 : DTE conectado a un DCE.................................................................................................... 141 Figura 1-122 : DTE conectado a otro DTE...............................................................................................142 Figura 1-123 : RS232 - Especificaciones mecánicas............................................................................142 Figura 1-124 : RS232 - Especificaciones eléctricas. ............................................................................143 Figura 1-125 : RS232 – Control de flujo hardware ...............................................................................146 Figura 1-126 : RS232 - Control de flujo...................................................................................................147 Figura 1-127 : RS232 - Líneas principales ...............................................................................................148 Figura 1-128 : RS232 - Control de flujo XON/XOFF .........................................................................149 Figura 1-129 : RS232 – Paralelo pina a pin ...............................................................................................150 Figura 1-130 : RS232 – Cable null modem (PC-PC) sin control de flujo hardware .......................150 Figura 1-131 : RS232 – Cable null modem (PC-PC) con control de flujo hardware....................... 151 Figura 1-132 : RS232 – Cable null modem (PC-PC) mixto 1..................................................................152 Figura 1-133 : RS232 – Cable null modem (PC-PC) mixto 2 .................................................................152 Figura 1-134 : RS232 – Cable loopback.....................................................................................................153 Figura 1-135 : Señal balanceada vs No balanceada ...............................................................................153 Figura 1-136 : RS-422 - Especificaciones................................................................................................155 Figura 1-137 : RS-422 - Señal diferencial...............................................................................................156 Figura 1-138 : Velocidad de transmisión vs Longitud en modo diferencial balanceado..............157 © Julián A.

356/356


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 1-139 : Niveles RS485 Entradas y salidas..................................................................................158 Figura 1-140 : RS-485 - :Conexión a 2 hilos ............................................................................................159 Figura 1-141 : RS-485 Conexión a 4 hilos.................................................................................................160 Figura 1-142 : Efectos debidos a diferencias en los hilos de in mismo par. ..................................160 Figura 1-143 : Ejemplo de conversor RS 232 a RS 485 con control por RTS............................... 161 Figura 1-144 : Ejemplo conversor RS232/RS485 - control automático por temporización .....162 Figura 1-145 : Terminadores en DC y AC .................................................................................................163 Figura 1-146 : Conexión de las resistencias de Bias (pull-up Y pull-down) .....................................163 Figura 1-147 : Ejemplo de uso RS-485......................................................................................................164 Figura 1-148 : Termiadores RS-485 - I....................................................................................................165 Figura 1-149 : Termiadores RS-485 - II .................................................................................................165 Figura 1-150 : Conector RS-485 utilizado en PROFIBUS/I...............................................................166 Figura 1-151 : Conector RS-485 utilizado en PROFIBUS/II.............................................................166 Figura 1-152 : Cable PPI adaptador de señales RS-232 vs PROFIBUS RS485............................169 Figura 1-153 : Conexión directa cable PPI ...............................................................................................170 Figura 1-154 : Conexión cable PPI mediante MODEM. ......................................................................... 171 Figura 1-155 : Adaptador alternativo cable PPI.....................................................................................172 Figura 1-156 : Conversores RS232-RS485 utilizados comercialmente ..........................................173 Figura 1-157 : Conexión entre un PC y un dispositivo RS-485 utilizando un conversor. ............173 Figura 1-158 : Bornero de un conversor RS232-RS485 Datacon .....................................................174 Figura 1-159 : MAX232 - adaptación entre niveles de tensión TTL/CMOS y RS-232..............175 Figura 1-160 : El circuito integrado SN75176A - RS-232 a RS 485 ..............................................175 Figura 1-161 : Circuito integrado MAX3162 (CI Multiprotocol Transceiver) ...............................176 Figura 1-162 : El circuito integrado MAX3162 convirtiendo señales RS-232 a RS-485. .........176 Figura 1-163 : Tramas visualizadas mediante software analizador de líneas y/o protocolos. .180 Figura 1-164 : Esquema interconexión 4 PLC’s a través del mismo bus........................................... 181 Figura 1-165 : Ejemplo de paquete enviado según protocolo MODBUS ..........................................183 Figura 1-166 : Paso de testigo en bus (token bus).................................................................................187 Figura 1-167 : Paso de testigo en anillo (token ring) ............................................................................188 Figura 1-168 : Métodos CSMA.....................................................................................................................190 Figura 1-169 : CSMA/CD ............................................................................................................................... 191 Figura 1-170 : CSMA/CD Diferencias .......................................................................................................192 Figura 1-171 : CSMA/CD Applet..................................................................................................................193 Figura 1-172 : Comparando el rendimiento de varios protocolos CSMA .........................................193 Figura 1-173 : Aloha Ranurado.....................................................................................................................194 Figura 1-174 : Protocolos PPI / MPI ..........................................................................................................196 Figura 1-175 : Ejemplo de una red profibus con token passing .........................................................197 Figura 1-176 : Profibus – Tiempos de posesión y rotación testigo con NETR y NETW .............197 Figura 1-177 : Ejemplo conexionado USS.................................................................................................199 Figura 1-178 : S7-200 conectado a redes Ethernet............................................................................ 202 Figura 1-179 : Formato general de la trama en modo RTU ................................................................206 Figura 1-180 : MBAP Header........................................................................................................................215 Figura 1-181 : Wrapper TCP / IP.................................................................................................................216 Figura 2-1 : Mis sitios de red...................................................................................................................... 333 Figura 2-2 : Conexiones de red. ................................................................................................................. 334 Figura 2-3 : Datos TCP/IP. ..........................................................................................................................334 Figura 2-4 : Configuración TCP/IP............................................................................................................ 335 © Julián A.

357/357


Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

Figura 2-5 : Introducción datos TCP/IP. ................................................................................................335 Figura 2-6 : Panel de control....................................................................................................................... 335 Figura 2-7 : Nombre del equipo. Figura 2-8 : Cambiar nombre del equipo y grupo de trabajo .............................................................................................................................................................................. 336 Figura 2-9 : Configuración TCP/IP dinámica ..........................................................................................336 Figura 2-10 : Compartir carpeta – Formato simple. ............................................................................. 337 Sin embargo, en la Figura 2-11 : Compartir carpeta – Formato simple, se ve una captura de ejemplo de configuración de las opciones de Seguridad de un equipo con Windows XP, donde aparece como podemos seleccionar los permisos individuales de cada uno de los usuarios/grupos que tienen cuenta de usuario en dicho sistema. Se recuerda que para utilizar estas opciones de configuración de seguridad de forma completa debe deshabilitarse la casilla de verificación del menú Herramientas  Opciones de carpeta  Pestaña Ver indicada en la Figura 2-12 : Selección formato completo..............................................................................................337 Figura 2-12 : Selección formato completo. Figura 2-13 : Compartir – Formato completo...... 338 Figura 2-15 : Compartir impresora............................................................................................................ 339 Figura 2-15 : Instalación de impresora de red...................................................................................... 339 Figura 2-16 : Establecimiento de conexión, transferencia y liberación RS 232 semiduplex ...351

© Julián A.

358/358

Documentos Alumnos


Apuntes alumnos

2.11 LISTADO DE TABLAS

Tabla 1-1 : Tipos de paridad simple .............................................................................................................. 61 Tabla 1-2 : Tabla 1 R.D. 286/2006. Efectos del ruido sobre la salud ............................................... 81 Tabla 1-3 : Tabla 1 R.D. 286/2006. Efectos del ruido sobre la salud ...............................................82 Tabla 1-4 : Tabla 3 NBE-CA-88 Valores inmisión aplicables entre las 8h y las 22h.....................82 Tabla 1-5 : Tabla 4 R.I.T.E – Valores sonoros recomendados en sistemas de aire acondicionado .................................................................................................................................................................................83 Tabla 1-6 : Variación del ancho de banda con la longitud ......................................................................89 Tabla 1-7 : Parámetros característicos de algunos medios físicos ....................................................89 Tabla 1-8 : Ejemplos de paridad simple .................................................................................................... 110 Tabla 1-9 : Ejemplo de paridad LRC - I..................................................................................................... 118 Tabla 1-10 : Ejemplo de paridad LRC - II ................................................................................................ 119 Tabla 1-11 : Ejemplo de paridad LRC - III............................................................................................... 119 Tabla 1-12 : Ejemplo de paridad LRC - IV................................................................................................120 Tabla 1-13 : Operaciones de suma y resta para el cálculo de coeficientes módulo 2 .................125 Tabla 1-14 : Estructura de trama MAC en Ethernet IEEE 802.3 ....................................................136 Tabla 1-15 : RS232 - Especificaciones funcionales...............................................................................144 Tabla 1-16 : Comparación entre distintas normas de capa física......................................................177 Tabla 1-17 : Ejemplo de protocolo - numeración de equipos............................................................... 181 Tabla 1-18 : Ejemplo de protocolo - comandos ....................................................................................... 181 Tabla 1-19 : Ejemplo de protocolo – longitud de datos ........................................................................182 Tabla 1-20 : Ejemplo de protocolo - paquete ..........................................................................................182 Tabla 1-21 : Tabla. Campos del testigo. ...................................................................................................186 Tabla 1-22 : Otros tipos de control de acceso para redes de alta velocidad ...............................189 Tabla 1-23 : Tiempo de rotación del testigo en función del número de estaciones....................198 Tabla 1-24 : Tiempo de rotación del testigo en función del número de estaciones....................198

© Julián A.

359/359

apuntes sobre comunicaciones industriales

Recommend Documents