docLe reti informatiche - Dipartimento di Informatica e Automazione
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Le reti informatiche - Dipartimento di Informatica e Automazione
Reti e Sistemi per l’Automazione Le reti informatiche Reti locali e modelli di interconnessione Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 1 Stefano Panzieri Reti e Sistemi per l’Automazione Network Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 2 Network ◊ Un gruppo di sistemi tra di loro interconnessi ◊ Workstation, Server, Printer, Host, Nodi, Router, Dispositivi Storage, ecc… Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ Una connessione su supporto fisico: ◊ Doppino telefonico (UTP/STP), Cavo coassiale, Fibra Ottica, Onde Radio, ecc… ◊ Un protocollo o metodo di comunicazione: ◊ Ethernet, Token-Ring, Frame Relay, ATM, PPP, ecc… Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 3 Reti e Sistemi per l’Automazione Modello ISO/OSI ed Entità Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 4 Reti e Sistemi per l’Automazione Imbustamento multiplo Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 5 Reti e Sistemi per l’Automazione Livelli Protocolli Interfacce Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 6 Reti e Sistemi per l’Automazione Protocolli connessi e no Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 7 Physical Layer ◊ Trasmissione di sequenze binare su un canale di comunicazione ◊ Doppino, cavo coax, fibra ottica, wireless ◊ Caratteristiche elettriche, meccaniche, fotoniche, ambientali Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ Movimento di Bits ◊ ◊ ◊ ◊ Generazione del segnale formato da bit Criterio di start e stop Direzione del flusso di bit Arbitraggio per l’accesso al mezzo ◊ Seriale contro Parallelo ◊ Un Hub e un Repeater sono apparati di livello 1 Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 8 Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer Reti e Sistemi per l’Automazione Physical layer Doppino, Coassiale, FO Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 9 Codifica ◊ NRZ Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ Manchester ◊ NRZI ◊ MLT-3 Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 10 Data Link Layer ◊ Trasmissione affidabile delle trame ◊ Usa FCS (frame control sequence) per verificare la presenza di errori gestendo, eventualmente, la ritrasmissione ◊ Servizi di trasmissione ◊ Connectionless, Unacknoweledged ◊ Connection-oriented, Acknoweleged Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ Protocolli bit-oriented ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ High-Level Data Link Control (HDLC) Link Access Protocol Balanced (LAPB X.25) Link Access Protocol D (LAPD ISDN) IEEE 802.2 Logical Link Control (LLC) Media Access Control (MAC) ◊ Bridge e Switch sono apparati di livello 2 Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 11 Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer Reti e Sistemi per l’Automazione 802.x Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 12 Wireless radio: allocazione delle bande ISM (industrial Scientific Medical) Reti e Sistemi per l’Automazione 902-928MHz 2.4-2.483GHz 5.15-5.35GHz 5.725-5.85GHz Altri ISM 24GHz 60GHz ◊ IEEE 802.11b è lo standard WLAN per gli ambienti aziendali e SOHO (Small Office – Home Office) ◊ Banda 2.4GHz ISM, Raggio tipico = <150 metri, Data Rate = 11Mbps ◊ IEEE 802.11g ◊ Banda 5 GHz ISM, Distanza, Data Rate = 54 Mbps ◊ IEEE 802.15.x Wide Personal Area Network (WPAN) ◊ ◊ ◊ ◊ IEEE 802.15.1 Bluetooth IEEE 802.15.3 Wireless Multimedia IEEE 802.15.3a Ultra Wide Band (UWB) IEEE 802.15.4 ZigBee Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 13 Reti e Sistemi per l’Automazione Network Layer ◊ Instradamento dei pacchetti tra mezzi fisici separati ◊ Schema unificato di indirizzamento ◊ Gestione tabelle di instradamento ◊ Instradamenti alternativi in caso di guasti ◊ Instaurazione e mantenimento dei circuiti virtuali per le reti commutate ◊ Chiamate telefoniche, Subaree SNA ◊ Routing indipendente nelle reti a commutazione di pacchetto ◊ Servizi Telegrafici, Frame Relay con indirizzo nel data stream Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 14 Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer Transport Layer ◊ Trasporto di segmenti di messaggio fra i sistemi estremi Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ È il primo livello end-to-end ◊ È caratterizzato dalla presenza del Connnection Manger ◊ Frammentazione ◊ Affidabilità Network Layer Data Link Layer Physical Layer ◊ Flow control ◊ Buffering ◊ Controllo degli errori ◊ Ottimizzazione e allocazione delle risorse ◊ ◊ ◊ ◊ Multiplexing Parallel processing QoS (quality of service) Prevenzione della congestione ◊ Diverse classi di trasporto Stefano Panzieri Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Lan e Bus di Campo - 15 Session Layer ◊ Sessioni tra le entità terminali ◊ Terminale utente, Stampanti, Applicazioni ◊ Gestione della comunicazione ◊ Duplex mode – talking and listening Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ Gestione dell’attività ◊ File transfer syncronization points (per evitare troppe ritrasmissioni) ◊ Mutua esclusione per l’uso di risorse condivise ◊ Multiplexing verso livelli superiori ed inferiori Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 16 Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer Presentation Layer ◊ Rappresentazione dei Dati ◊ Codifica dei caratteri, Ordinamento dei Bytes (ASCII, EBCDIC) ◊ Tre sintassi Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ Astratta ◊ definizione formale dei dati che gli applicativi si scambiano, come in ISO 8824 o in ASN.1 ◊ Concreta ◊ come i dati sono rappresentati localmente ◊ Di trasferimento ◊ come i dati sono codificati durante il trasferimento ◊ Replicazione dei Dati tra i nodi ◊ Sicurezza dei Dati ◊ Crittografia simmetrica o asimmetrica ◊ Compressione dei Dati ◊ Senza perdita: verifica della codifica ◊ Con perdita: codifica MPEG, JPEG Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 17 Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer Application Layer Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ Fornire lavoro utile agli utenti finali ◊ Servizi applicativi end user ◊ X.400 MHS – Message Handling Services ◊ X.500 Directory Services & Lightweight Access Protocol (LDAP) ◊ Virtual Terminal ◊ Common Management Interface Protocol (CMIP) ◊ File tranfer Access Management (FTAM) ◊ Remote Database Access (spesso SQL) ◊ Manufacturing messaging service (MMS): messaggi tra il controllore di processo ed il livello dei dispositivi Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 18 Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer Reti e Sistemi per l’Automazione Topologie Stella Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 19 Reti e Sistemi per l’Automazione Topologie Anello Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 20 Reti e Sistemi per l’Automazione Topologie BUS e Magliate Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 21 Reti e Sistemi per l’Automazione Topologia ad albero Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 22 Reti e Sistemi per l’Automazione Commercial Building Telecommunications Wiring Standard EIA/TIA 568 Cablaggio Strutturato Lo Standard EIA/TIA un sistema di cablaggio passivo di un edificio o sistema di edifici, basato su standard internazionale, che consente il trasporto delle informazioni di diversa natura su di un mezzo condiviso i requisiti elettrici e meccanici dei componenti hardware, per le reti di comunicazione ad alta velocità, all’interno di edifici Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 23 Reti e Sistemi per l’Automazione Gli Organismi di Standardizzazione ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ International Organization for Standardization (ISO) American National Standards Institute (ANSI) Electronic Industries Association (EIA) Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) ◊ Internet Architecture Board (IAB) Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 24 Reti e Sistemi per l’Automazione Multiplexing Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 25 Reti e Sistemi per l’Automazione WAN ◊ E’ un sistema multiplo di computer tra di loro interconnessi ◊ distribuiti su un’area relativamente ampia; ◊ e con canali di comunicazione: ◊ forniti da Terzi (Operatore telefonico, Rete di trasmissione-dati, Satellite) ◊ con capacità trasmissiva relativamente bassa (kbits/sec.) ◊ relativamente affetti da errori (1/105) ◊ ◊ ◊ ◊ Point-to-Point Protocoll - PPP Serial Line Internet Protocol - SLIP X.25, Frame Relay, Asynchronous Transfer Mode –ATM, Ethernet ISDN, ADSL, ecc Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 26 Metodi di Accesso al mezzo trasmissivo Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ Problemi da risolvere ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ Arbitraggio della risorsa Gestione dei conflitti Ridondanza dei messaggi Rapporto di payload Velocità di trasmissione Determinismo Priorità Eventi asincroni Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 27 Reti e Sistemi per l’Automazione Protocolli Connection Oriented ◊ Due nodi per ogni mezzo fisico di trasmissione ◊ Tipicamente connessi tramite modem o linee seriali ◊ Ad esempio lo standard pubblico X.25 (servizi di rete offerti dalle compagnie telefoniche) ◊ Per applicazioni con molti dati alcuni nodi posso diventare congestionati Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 28 Polling Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ Un master centralmente assegnato interroga periodicamente (con un segnale di polling) i nodi slave dandogli il permesso esplicito di trasmettere sulla rete ◊ Questo protocollo è ideale per sistemi di acquisizione centralizzati dove le comunicazioni peer-to-peer e la gestione delle priorità globali non sono richieste ◊ Il sistema è sensibile ai guasti del Master, è richiesta, alle volte, una certa ridondanza ◊ Il processo di polling consuma molta banda a prescindere dal carico della rete (poca efficienza) ◊ Standard esistenti: ◊ (MIL-STD-1553B) per le comunicazioni tra I sottosistemi degli aeromobili Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 29 Reti e Sistemi per l’Automazione Time Division Multiple Access ◊ Il master della rete invia in broadcast un frame di sincronizzazione prima di ogni giro completo di messaggi al fine di sincronizzare i clock dei vari nodi. ◊ Dopo il sync ogni nodo trasmette durante il suo quanto di tempo ◊ TDMA è pesantemente utilizzato nelle comunicazioni satellitari Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 30 Reti e Sistemi per l’Automazione Token Ring (802.5) ◊ Struttura ad anello con link point-to-point ◊ Un segnale (token) è passato da nodo a nodo lungo l’anello ◊ Quando un nodo ha qualcosa da trasmettere interrompe la circolazione del token, manda il messaggio lungo l’anello e poi passa nuovamente il token ◊ Il caso peggiore per l’attesa del token può essere semplicemente calcolato: questo protocollo è deterministico ◊ Le priorità sono implementate alterando il campo priorità del token mentre circola: sono I nodi sopra una certa soglia potranno fermare il token e trasmettere ◊ Hardware dedicato per il bypass del nodo e doppi anelli sono usati per rimediare a failure dei nodi o rotture del cavo ◊ Essendo point-to-point è adatto all’uso delle fibre ottiche ◊ FDDI (Fiber Distributed Data Interface) usa due anelli controrotanti per avere migliore affidabilità rispetto ad architetture a bus o a stella Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 31 Reti e Sistemi per l’Automazione Token Bus (802.4) ◊ Nel Token Bus il messaggio è spedito simultaneamente a tutti i nodi ◊ Questo rende la gestione delle priorità più difficile ma non impossibile ◊ Una interruzione del cavo o il failure di un nodo non inficia la funzionalità della restante rete ◊ Poiché le topologie a bus sono ben adattate agli impianti manifatturieri, il MAP, Manufacturing Automation Protocol, adotta questo protocollo Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 32 Reti e Sistemi per l’Automazione Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (802.3) ◊ Ogni nodo aspetta che la rete diventi idle prima di trasmettere. Se più stazioni cominciano a trasmettere quasi simultaneamente i messaggi collideranno ◊ I nodi devono riconoscere la collisione e risolverla aspettando un tempo random prima di riprovare ◊ In linea di principio il metodo supporta un numero illimitato di nodi e non necessita di slot temporali per la trasmissione di token ◊ In pratica, se il traffico è elevato, l’overhead risulterà enorme a causa delle ripetute collisioni Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 33 Reti e Sistemi per l’Automazione Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ◊ I nodi trasmettono dopo aver verificato lo stato di idle del canale. Se due o più stazioni collidono un segnale di jam è spedito sulla rete per la notifica, la sincronizzazione dei clock e l’avvio degli slot di contesa ◊ Ogni slot di contesa viene assegnato ad una particolare stazione ed ogni stazione è autorizzata a parlare nel suo slot di contesa ◊ Gli slot, per assicurare imparzialità e determinismo, vengono rotati dopo ogni trasmissione ◊ Altri slot, di priorità, possono precedere gli slot di contesa per supportare messaggi ad elevata priorità Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 34 Binary Countdown Carrier Sense Multiple Access/Nondestructive Bitwise Arbitration (CSMA/NBA) Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ I nodi in competizione (che iniziano a trasmettere contemporaneamente) risolvono il conflitto trasmettendo un segnale basato su un identificativo unico ◊ Durante la trasmissione un nodo esce dalla competizione se legge un segnale dominante mentre trasmette uno recessivo ◊ Le priorità possono essere gestite tramite i valori degli identificativi unici (anche più di uno per ogni nodo) ◊ Il protocollo è robusto per la sofisticata gestione degli errori, perché non è necessario un ordine di trasmissione e i nodi inattivi sono ignorati ◊ Non esiste, però, un modo semplice per garantire un accesso egalitario tra i vari nodi in caso di forte carico ◊ Con questo protocollo è stato sviluppato il Controller Area Network (CAN) della Bosh Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 35 CTDMA (Control Net) Concurrent Time Domain, Multiple Access Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ L’accesso alla rete è determinato dal tempo. Ogni nodo può trasmettere soltanto durante il suo turno, che cade entro un time frame specificato. ◊ Un algoritmo CTDMA regola l’opportunità di trasmettere dei vari nodi, che si ripete a precisi intervalli (determinismo). ◊ Il Network Update Interval (NUI) è l’intervallo di tempo in cui i dati possono essere spediti in rete ◊ ◊ ◊ Scheduled (Traffico deterministico) Unscheduled (Traffico Ordinario) Guardband (Manutenzione della rete) ◊ Il Network Update Time (NUT) è il rate noto e fisso con cui il NUI si ripete Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 36 Reti e Sistemi per l’Automazione ProfiNet RealTime Ethernet ◊ Per processi non time-critical, viene usata una comunicazione Non Real Time (NRT) secondo lo standard IEEE 802.3 ed i protocolli di trasporto TCP/IP e UDP/IP ◊ Il NRT è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni di automazione industriale ◊ In caso di specifiche più stringenti in termini di larghezza di banda e sincronizzazione è impiegata una modalità Real Time (RT) la cui comunicazione, per il suo determinismo, è denominata Isochronous Real Time (IRT) che permette clock rate al di sotto di 1 ms ed una precisione di jitter <1 µs Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 37 Modelli di Network ◊ Peer-to-Peer: tutti i sistemi interconnessi possono offrire e ricevere servizi ◊ TCP/IP, SCSI Bus Reti e Sistemi per l’Automazione ◊ Client/Server: distinzione tra sistemi che forniscono servizi (Server) e chi riceve servizi (Client), è una relazione funzionale ◊ NFS Client/NFS Server ◊ Master/Slave: un sistema gestisce le risorse di interconnessione per tutti i sistemi ◊ Print Server che gestisce la stampante ◊ Disco 1 con S.O. che gestisce tutte le risorse della workstation ◊ Produttore Consumatore: un sistema multicast con il quale il dato prodotto da un nodo viene letto da tutti quelli interessati ◊ Un sensore che invia dati a vari dispositivi Stefano Panzieri Lan e Bus di Campo - 38
