costruzione di protocolli di comunicazione tra pc e dispositivi di

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TESI DI LAUREA
COSTRUZIONE DI PROTOCOLLI
DI COMUNICAZIONE TRA PC E DISPOSITIVI
DI CONTROLLO
RELATORE
PROF. GIULIO DESTRI
CORRELATORE
ING. CESARE CHIODELLI
CANDIDATO
LUCA LODI RIZZINI
II
Ai miei genitori
III
IV
Ringraziamenti
Desidero innanzitutto ringraziare l’ing. Cesare Chiodelli e il prof. Giulio
Destri per aver permesso lo svolgimento del mio stage lavorativo presso la
ditta CS Soluzione, consentendomi di apprendere le basi per lo sviluppo di
software a livello professionale e impostando la stesura della mia tesi.
Un grazie anche a Luca Visioli, Alberto Picca e Marco Maltraversi per il
lavoro svolto insieme.
Ringrazio anche i miei compagni di università Amadini, Lucia, Fabio e tutti
gli altri con cui ho passato questi quattro anni di studio e tutti gli amici
del mio paese che mi hanno sostenuto ed aiutato.
Ringrazio i miei genitori Curzio e Marina per essermi stati vicini e per
avermi supportato materialmente e moralmente, a cui dedico questo lavoro.
Un
ringraziamento
speciale
a
Nicole,
per
essermi
stata
vicino
sostenendomi nei momenti difficili del mio percorso di studio.
Vorrei salutare un mio grande amico Marco Belletti, conosciuto da tutti
come Kumbel , da poco deceduto in un incidente stradale.
Tu per me sei stato un ottimo amico di “baraccate”, grigliate , bevute e
tanto altro, non scorderò mai il tuo sorriso che ti accompagnava in ogni
istante e la tua grande dinamicità.
Ciao Kumbel.
V
VI
Sommario
INTRODUZIONE ...............................................................................................................1
Il contesto del problema: la comunicazione digitale fra dispositivi................................................... 1
Come è stato affrontato il lavoro......................................................................................................................... 2
LA COMUNICAZIONE DIGITALE ..................................................................................4
Le reti di comunicazioni ......................................................................................................................................... 4
Applicazioni delle reti............................................................................................................................................... 5
Aspetti hardware delle reti..................................................................................................................................... 6
Tecnologia trasmissiva ........................................................................................................................................... 6
Scala dimensionale.................................................................................................................................................. 8
Reti Locali .............................................................................................................................................................. 9
Reti metropolitane............................................................................................................................................. 11
Reti geografiche.................................................................................................................................................. 12
Interconnessione di reti ........................................................................................................................................ 15
Protocolli e aspetti software delle reti........................................................................................................... 16
Gerarchie di protocollo .......................................................................................................................................... 16
Architettura di rete ................................................................................................................................................. 18
Funzionamento del software di rete ................................................................................................................ 19
Servizi connection-oriented e connectionless............................................................................................. 21
Servizi connection-oriented................................................................................................................................. 21
Servizi connectionless........................................................................................................................................... 22
Affidabilità del servizio .......................................................................................................................................... 23
Servizi vs protocolli................................................................................................................................................. 24
Aspetti di progetto dei livelli ............................................................................................................................... 24
Il modello ISO/OSI................................................................................................................................................... 26
Livello fisico......................................................................................................................................................... 28
Livello Data Link................................................................................................................................................ 29
Livello Network................................................................................................................................................... 29
Livello Transport................................................................................................................................................ 30
Livello Session .................................................................................................................................................... 31
Livello Presentation........................................................................................................................................... 31
Livello Application ............................................................................................................................................. 31
Internet Protocol Suite o TCP/IP....................................................................................................................... 31
Livello host-to-network.................................................................................................................................... 32
Livello Internet ................................................................................................................................................... 33
Livello Transport................................................................................................................................................ 33
Livello Application ............................................................................................................................................. 33
VII
Confronto fra modello di riferimento OSI e architettura TCP/IP............................................................ 34
Confronto fra pile di protocolli OSI e TCP/IP................................................................................................ 35
LE RETI NEL MONDO REALE: PROBLEMI E STANDARD FISICI.......................................................... 36
Un limite per le reti: il rumore e i disturbi elettromagnetici ............................................................... 36
Trattazione matematica del rumore ................................................................................................................. 36
I tipi di rumore........................................................................................................................................................ 38
Disturbi elettromagnetici..................................................................................................................................... 39
Lo standard più diffuso ai livelli 1 e 2: Ethernet........................................................................................ 41
I motivi del successo ............................................................................................................................................. 42
Il Frame ..................................................................................................................................................................... 43
Indirizzo Ethernet .................................................................................................................................................. 44
Tipologia di trasmissione ..................................................................................................................................... 44
Ethernet con ripetitori e hub.............................................................................................................................. 47
Uno standard diffusissimo per le reti “corte”: seriale o RS-232.......................................................... 48
Utilizzi ........................................................................................................................................................................ 49
Storia dello standard............................................................................................................................................. 50
Definizione................................................................................................................................................................ 50
Le unità di misura ................................................................................................................................................. 51
Come è fatto un segnale EIA RS-232............................................................................................................... 52
Il bit di parità........................................................................................................................................................... 54
I SISTEMI PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE ...................................................55
Architetture tipiche dei sistemi ........................................................................................................................ 55
La piramide CIM........................................................................................................................................................ 57
Descrizione dei livelli............................................................................................................................................. 57
Livello 0: sensori, attuatori, tools legati al processo esecutivo........................................................... 57
Livello 1: Controllo di macchina ................................................................................................................... 58
Livello 2: Controllo di cella ............................................................................................................................. 58
Livello 3: Controllo di area ............................................................................................................................. 59
Livello 4: mainframe per il governo del management, gestione commesse e amministrazione
centrale delle attività di fabbrica (pianificazione della gestione globale). ........................................ 59
Lo Scada e le sue caratteristiche....................................................................................................................... 60
Acquisizione dati .................................................................................................................................................... 62
Supervisione ............................................................................................................................................................ 63
Controllo ................................................................................................................................................................... 64
Il Plc e le sue caratteristiche............................................................................................................................... 67
Funzionamento ....................................................................................................................................................... 68
Struttura del PLC................................................................................................................................................... 69
Cpu ............................................................................................................................................................................. 69
Schede di comunicazione .................................................................................................................................... 70
CANALI DI COMUNICAZIONE PER L’AUTOMAZIONE ...........................................71
Caratteristiche generali dei protocolli usati per l’automazione.......................................................... 71
Sistemi seriali vs Sistemi ethernet .................................................................................................................. 72
I protocolli dei sistemi Omron............................................................................................................................ 73
C-Command............................................................................................................................................................. 73
Fins .............................................................................................................................................................................. 76
VIII
Strumenti misti : i bridge ethernet-seriali e le loro caratteristiche .................................................. 80
UN’APPLICAZIONE CONCRETA: CONTROLLO DI PLC OMRON ..........................82
Obiettivo del progetto ............................................................................................................................................ 82
L’architettura del nuovo sistema ...................................................................................................................... 84
I sistemi controllati................................................................................................................................................. 85
I Plc e le strutture associate................................................................................................................................ 86
Lo Scada e le sue caratteristiche....................................................................................................................... 87
La base di dati per la persistenza ...................................................................................................................... 88
Visione di insieme.................................................................................................................................................... 93
IL LAVORO OPERATIVO ..............................................................................................96
Difficoltà incontrate................................................................................................................................................ 96
Correzioni in corso d’opera.................................................................................................................................. 97
CONCLUSIONI ................................................................................................................99
Il sistema in esecuzione ........................................................................................................................................ 99
Bilancio del lavoro svolto...................................................................................................................................... 99
Applicazioni e ampliamenti futuri .................................................................................................................. 100
INDICE DELLE FIGURE..............................................................................................102
BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................104
IX
INTRODUZIONE
Il contesto del problema: la comunicazione digitale fra dispositivi
Oggetto di questa tesi è quello di implementare un protocollo per
comunicazioni digitali in ambito di rete locale per far comunicare fra loro
sistemi digitali che svolgono compiti completamente diversi. Da un lato
abbiamo l’entità composta da uno o più PC che ospitano gli applicativi di
supervisione.
Tali
applicativi
servono
sia
a
rendere
disponibile
un’interfaccia uomo-macchina , semplice e snella , per coloro che utilizzano
le applicazioni, mascherando nel contempo la complessità dei dati e delle
metodologie di comunicazione fra le varie componenti, sia a svolgere le
funzioni di supervisione al normale funzionamento degli apparati cui sono
connessi. Gli applicativi sono connessi anche ad un DBMS avente la
funzione di memorizzare sia i dati di configurazione impostati dagli utenti
sia i numerosi dati acquisiti dagli apparati.. All’altro capo della rete sono
apparati PLC, (Programmable Logic Controller). Un PLC è , in pratica, un
dispositivo programmabile, dotato di ingressi e uscite analogiche e digitali e
una o più connessioni di reti, specializzato nella gestione dei processi
industriali. Il PLC esegue un programma ed elabora i segnali digitali ed
analogici provenienti dai sensori ricevuti attraverso gli ingressi , generando
sulle proprie uscite i corrispondenti comandi per gli attuatori presenti in
un impianto industriale, i quali riescono a gestire una moltitudine di
funzioni dalla più elementare (rilevare la temperatura, accendere una
lampadina, ecc..) alle più sofisticate e complesse (muovere un braccio
meccanico, programmare l’accensione/avviamento di macchine, automi,
ecc..). La tesi si propone di realizzare l’ implementazione dei protocolli
standard che, nell’ambito di contesti aziendali operativi, con tutti i vincoli
che caratterizzano tali ambienti, permettendo la comunicazione efficiente
fra PC e PLC su supporti di rete Ethernet-TCP\IP e RS-232. Nella seconda
1
parte della tesi verrà presentata l’applicazione operativa dei software così
sviluppati entro il contesto di
realizzare la
un’azienda di medie dimensioni, per
gestione integrata di
alcuni impianti tecnologici come ad
esempio l’apertura e chiusura meccanica di porte e finestre, l’accensione
della
fontana
situata
nel
giardino
dell’azienda,
l’avviamento
di
riscaldamento e climatizzatore e, oltre a questi aspetti prettamente
domotici, per gestire anche l’accensione e spegnimento di impianti
propriamente industriali, quali bruciatori, compressori, presse. Il tirocinio e
l’allegato progetto sono stati compiuti presso l’azienda CS Soluzioni di
Casalmaggiore (CR).
Come è stato affrontato il lavoro
I
protocolli
di
comunicazione
da
realizzare
devono
essere
snelli,
minimizzando gli overhead di carico, per permettere un comunicazione in
tempo reale ma, allo stesso tempo, anche robusti rispetto a diversi tipi di
canale fisico(Ethernet,RS-232) ad adatti ad un’ applicazion a sistemi reali.
La tesi e stata svolta operando in particolare con i sistemi PLC Omron,
tecnologia italiana molto diffusa presso le medie imprese. Omron utilizza
due
protocolli,
comunicazione:
proprietari
il
ma
protocollo
ampliamente
C-Command,
documentati,
più
vecchio,
per
la
per
la
comunicazione su canale RS-232 ed il protocollo FINS, più recente e
completamente rinnovato rispetto al precedente per la comunicazione su
canali TCP/IP su Ethernet. La prima parte della tesi è consistita nello
studio dei due protocolli, cui e seguita l’implementazione, debug e verifica
su
piattaforma
hardware
reale
dei
due
protocolli,
realizzando
la
trasmissione bidirezionale di byte ed array di byte, contenenti le
informazioni opportune, tra la memoria del PC e la memoria del PLC,
utilizzando il linguaggio C# di microsoft con l’ambiente di sviluppo
integrato Visual Studio 2008. Una volta ottenuto una comunicazione
bidirezionale funzionate efficace, le librerie di comunicazione così ottenute
2
sono state integrate in un sistema molto complesso atto a governare reti di
PLC Omron che controllano impianti industriali quali compressori,
bruciatori, ventilatori e infrastrutture edilizie come le finestre superiori dei
capannoni. Tale sistema è costituito da una piattaforma SCADA con
opportuna interfaccia utente , realizzata completamente il linguaggio C#
con architettura pienamente Objet-oriented e stratificata, da una base di
dati in un RDBMS Oracle 10g Express, dalle librerie di comunicazione e da
reti di PLC Omron, connessi ai PC industriali ove operano le console
grafiche dello SCADA in alcuni casi tramite connessione RS-232 e in alcuni
casi tramite Ethernet. E’ stato inoltre verificato l’uso di un componente di
conversione seriale-Ethernet che però, per poter essere utilizzato nelle sue
piene potenzialità, ha richiesto l’inserimento di nuove strutture software
nel sistema. In collaborazione con le persone di CS Soluzioni incaricate
della realizzazione del sistema si è contribuito ad ogni sua fase, in
particolare al design della base di dati, come sarà presentato in dettaglio
nei capitoli seguenti. La struttura
della tesi nei capitoli successivi è la
seguente: Saranno presentate in primo luogo le reti di comunicazione, per
contestualizzare in modo adeguato il cuore del lavoro, ossia lo sviluppo del
protocollo di comunicazione. Successivamente sarà presentato in dettaglio
il contesto software di super visione entro i sistemi di automazione
industriale e , in particolare , la struttura dei protocolli Fins e C-Command
di Omron; Nel capitolo seguente sarà presentato il progetto svolto nei suoi
vari aspetti, partendo dalle librerie di comunicazione per arrivare ala
visione del sistema nel suo insieme. Infine saranno presentate le
conclusioni con un bilancio del lavoro svolto ed eventuali prospettive di
sviluppo.
3
LA COMUNICAZIONE DIGITALE
Le reti di comunicazioni
Il ‘900 fu, dal punto di vista della strumentazione tecnologica, un
susseguirsi
di
successi.
Principalmente
nell’
ultimo
cinquantennio,
l’attenzione degli studiosi fu rivolta a nuove metodologie di informazione,
che possono essere sintetizzate in tre punti:
• raccolta e memorizzazione;
• elaborazione;
• distribuzione.
Nel nostro secolo si sono via via diffusi:
• il sistema telefonico, a livello mondiale;
• la radio e la televisione;
• il computer;
• i satelliti per telecomunicazioni.
Queste tecnologie stanno rapidamente convergendo, in particolare, la
combinazione di elaboratori e sistemi di telecomunicazione ha avuto una
profonda influenza sull'organizzazione dei sistemi di calcolo. Infatti si è
passati dal vecchio modello mainframe - terminali, in cui la potenza di
calcolo è concentrata in un unico grande elaboratore, a cui si accede per
mezzo di un certo numero di terminali, a quello attuale, in cui vi è un
grande numero di elaboratori autonomi, interconnessi fra loro.
Per
autonomi si vuole intendere che non deve esserci fra loro una relazione tipo
master/slave (ad es., l'uno non può forzare lo spegnimento dell'altro) bensì
interconnessione
che
sta
a
significare
la
capacità
di
scambiarsi
informazioni (sfruttando un opportuno mezzo fisico). Un sistema di calcolo
siffatto è detto rete di elaboratori o computer network. Rete di elaboratori
non è sinonimo di sistema distribuito. Infatti in un sistema distribuito
l'esistenza di più elaboratori è invisibile all'utente, che ha l'impressione di
avere a che fare con un unico sistema di calcolo; in una rete di elaboratori,
4
l'utente è conscio dell'esistenza di molteplici elaboratori, che devono essere
esplicitamente riferiti.
Applicazioni delle reti
Moltissimi sono gli usi delle reti di elaboratori, sia per le organizzazioni che
per i singoli individui. Per le aziende, associazioni, organizzazione si
possono sintetizzare in questi piccoli punti:
• condivisione di risorse: si possono rendere disponibili a qualsiasi
programma e informazioni anche distanti migliaia di km;
• affidabilità: si ottiene mettendo in rete sorgenti alternative delle
risorse (ad es. duplicando le applicazioni e i dati su più computer).
E' importante in sistemi che devono funzionare a tutti i costi
(traffico aereo, centrali nucleari, sistemi militari, ecc.);
• diminuzione dei costi: una rete di personal computer costa molto
meno di un mainframe. A volte alcuni elaboratori sono più potenti
ed offrono agli altri dei servizi (modello client-server, vedi figura
sottostante);
• scalabilità: si possono aumentare le prestazioni del sistema
aumentando il numero di elaboratori (entro certi limiti);
• comunicazione
fra
persone:
è
possibile
inviarsi
messaggi,
scambiarsi file, ecc.
5
Elab. cliente
Elab. server
Proc. cliente
Proc. server
Richiesta
Rete
Risposta
Figura 1-1: Il modello client-server
Per i singoli individui (di solito da casa propria tramite "fornitori di
accesso": viene usata per l’accesso ad informazioni remote, (ad es.:accesso
a servizi bancari, acquisti da casa; navigazione sul World Wide Web);
oppure per la comunicazioni fra persone (posta elettronica); divertimento:
video on demand (selezione e ricezione via rete di un qualunque spettacolo
tratto da un catalogo); giochi interattivi (contro macchine o avversari
umani).
Aspetti hardware delle reti
I due parametri utili per definire le caratteristiche di una rete, anche se
non vi é una tassonomia universalmente accettata, sono:
la tecnologia trasmissiva e la scala dimensionale.
Tecnologia trasmissiva
Esistono due tipologie per quanto riguarda la tecnologia trasmissiva e sono:
le reti broadcast
e le reti punto a punto. Una rete broadcast è
caratterizzata da processi di comunicazione punto-multipunto, in cui i
singoli nodi sono connessi tramite lo stesso supporto trasmissivo. Se sono
presenti supporti trasmissivi di tipo diverso occorre che alcuni nodi
svolgano
la
funzione
di
gateway
(repeater
o
bridge)
rigenerando
6
l'informazione in modo da essere propagata sul nuovo supporto. In alcuni
casi è possibile che si voglia impedire tale funzionalità e quindi il gateway
sarà sostituito da un router configurato per filtrare il traffico (firewall).
Se gli elementi della rete utilizzano supporti trasmissivi condivisi, il
principale problema che è necessario affrontare è la gestione dei conflitti
nell'uso della rete, per cui esistono diverse tecniche di gestione e di
risoluzione (aloha,csma,csma/cd ...). Le reti broadcast sono dotate di un
unico "canale" di comunicazione che è condiviso da tutti gli elaboratori.
Brevi messaggi, spesso chiamati pacchetti, inviati da un elaboratore sono
ricevuti da tutti gli altri elaboratori. Un indirizzo all'interno del pacchetto
specifica il destinatario.
Elaboratori
Rete
Figura 1-2: una rete broadcast
Quando un elaboratore riceve un pacchetto, esamina l'indirizzo di
destinazione; se questo coincide col proprio indirizzo il pacchetto viene
elaborato, altrimenti viene ignorato.
Le reti broadcast, in genere,
consentono anche di inviare un pacchetto a tutti gli altri elaboratori,
usando
un
opportuno
indirizzo
(broadcasting).
Tutti
prendono
in
considerazione il pacchetto. Un'altra possibilità è inviare il pacchetto ad un
sottoinsieme degli elaboratori (multicasting). In tal caso solo gli elaboratori
di tale sottoinsieme lo prendono in considerazione, gli altri lo ignorano. Le
reti punto a punto consistono invece in un insieme di connessioni fra
coppie di elaboratori.
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Pacchetto
Elaboratore
Connessione
Figura 1-3: una rete punto a punto
Per arrivare dalla sorgente alla destinazione, un pacchetto può dover
attraversare uno o più elaboratori o nodi intermedi. Spesso esistono più
cammini alternativi, per cui gli algoritmi di instradamento (routing) hanno
un ruolo molto importante. In generale le reti geograficamente localizzate
tendono ad essere broadcast; mentre le reti geograficamente molto estese
tendono ad essere punto a punto. Esistono però alcune eccezioni, ad
esempio la rete geografica realizzata via satellite (e quindi broadcast) ed
infine la rete locale basata su ATM (e quindi punto a punto).
Scala dimensionale
Un criterio alternativo di classificazione è la scala dimensionale delle reti.
In questo contesto si distinguono: reti locali, reti metropolitane e reti
geografiche.
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Distanza fra processori Ambito
Tipo di rete
10 m.
Stanza
Rete locale
100 m.
Edificio
Rete locale
1 km.
Campus
Rete locale
10 km.
Città
Rete metropolitana
100 km.
Nazione
Rete geografica
1000 km.
Continente
Rete geografica
10.000 km.
Pianeta
Internet
(Rete geografica)
La distanza è un fattore molto importante, poiché a differenti scale
dimensionali si usano differenti tecniche.
Reti Locali
Le reti locali (Local Area Network, LAN), in genere sono possedute da una
organizzazione (reti private), hanno un'estensione che arriva fino a qualche
km, si distendono nell'ambito di un singolo edificio o campus (non si
possono, di norma, posare cavi sul suolo pubblico), sono utilizzate
prevalentemente per connettere PC o workstation. Esse si distinguono dagli
altri tipi di rete per tre caratteristiche diverse: La prima è la dimensione
che non può andare oltre un certo limite, per cui è noto a priori il tempo e
quindi il ritardo di trasmissione. Questa conoscenza permette di utilizzare
delle tecniche particolari per la gestione del canale di comunicazione.
La seconda è la tecnologia trasmissiva. Le LAN sono in generale reti
broadcast. Velocità di trasmissione tipiche sono da 10,100,1000 Mbps con
basso ritardo di propagazione del segnale da un capo all'altro del canale e
basso tasso di errore. Ultima ma non meno importante é la topologia: sono
possibili diverse topologie, le più diffuse alcuni anni fa erano il bus ed il
ring. Nell’ambito della topologia bus in ogni istante solo un elaboratore può
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trasmettere, gli altri devono astenersi, inoltre è necessario un meccanismo
di arbitraggio per risolvere i conflitti quando due o più elaboratori vogliono
trasmettere contemporaneamente e l'arbitraggio può essere centralizzato o
distribuito; lo standard IEEE 802.3 (chiamato impropriamente Ethernet) è
per una rete broadcast, basata su un bus, con arbitraggio distribuito,
operante a 10,100 oppure 1000 Mbps; infine gli elaboratori trasmettono
quando vogliono; esistono alcuni protocolli, che permettono di evitare le
collisioni. Nella topologia ring ogni bit circumnaviga l'anello in un tempo
tipicamente inferiore a quello di trasmissione di un pacchetto. Anche qui è
necessario un meccanismo di arbitraggio (spesso basato sul possesso di un
gettone (token) che abilita alla trasmissione. Lo standard IEEE 802.5
(derivante dalla rete IBM Token Ring) è una rete broadcast basata su ring,
con arbitraggio distribuito, operante a 4 o 16 Mbps.
Ring
Bus
Figura 1-4: topologie bus e ring
Infine le reti broadcast possono essere classificate a loro volta
in due
sottogruppi a seconda del meccanismo scelto per l'arbitraggio. Il primo é
allocazione statica: le regole per decidere chi sarà il prossimo a trasmettere
sono fissate a priori, ad esempio assegnando un time slot ad ogni
elaboratore con un algoritmo round-robin. Lo svantaggio è rappresentato
dallo spreco dei time slot assegnati a stazioni che non devono trasmettere.
Il secondo è allocazione dinamica: si decide di volta in volta chi sarà il
prossimo a trasmettere; è necessario un meccanismo di arbitraggio delle
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contese, che può essere anche in questo caso un arbitraggio centralizzato,
un’apposita apparecchiatura, ad esempio, una bus arbitration unit, che
accetta richieste di trasmissione e decide chi abilitare oppure può essere
un arbitraggio distribuito: ognuno decide per conto proprio.
Reti metropolitane
Le
reti
metropolitane
(Metropolitan
Area
Network,
MAN)
hanno
un'estensione tipicamente urbana (quindi anche molto superiore a quella di
una LAN) e sono generalmente pubbliche (cioè un'azienda, ad es. Telecom
Italia, Ommitel, Infostrada mettono la rete a disposizione di chiunque
desideri, previo pagamento di una relativa tariffa). Fino a qualche anno fa
erano basate essenzialmente sulle tecnologie delle reti geografiche,
utilizzate su scala urbana. Recentemente però è stato definito un apposito
standard, lo IEEE 802.6 o DQDB (Distributed Queue Dual Bus), che é
effettivamente impiegato in varie realizzazioni, molto più vicino alla
tecnologia LAN che WAN. Esiste un mezzo trasmissivo di tipo broadcast
(due bus in 802.6) a cui tutti i computer sono attaccati.
Head end
Flusso
…
Elaboratore
Head end
Flusso
Figura 1-5: Distributed Queue Dual Bus
Ogni bus (cavo coassiale o fibra ottica) é unidirezionale, ed ha una headend che modula l'attività di trasmissione.
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Reti geografiche
Le reti geografiche (Wide Area Network, WAN) si estendono a livello di una
nazione, di un continente o dell'intero pianeta. Una WAN è tipicamente
costituita da due componenti distinte: un insieme di elaboratori (host
oppure end system), sui quali girano i programmi usati dagli utenti una
comunication subnet (o subnet), che connette gli end system fra loro. Il suo
compito è trasportare messaggi da un end system all'altro, così come il
sistema telefonico trasporta parole da chi parla a chi ascolta. Di norma la
subnet è costituita, a sua volta, da due componenti: linee di trasmissione
(dette anche circuiti, canali, trunk) e elementi di commutazione (switching
element). Gli elementi di commutazione sono elaboratori specializzati
utilizzati per connettere fra loro due o più linee di trasmissione. Quando
arrivano dati su una linea, l'elemento di commutazione deve scegliere una
linea in uscita sul quale instradarli. Non esiste una terminologia standard
per identificare gli elementi di commutazione. Termini usati sono i sistemi
intermedi, i nodi di commutazione pacchetti o router. Una tipica WAN è
utilizzata per connettere più LAN fra loro:
WAN
Router
Subnet
Host
LAN
Linea di trasmiss.
Figura 1-6: struttura tipica di una WAN
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In generale una WAN contiene numerose linee (spesso telefoniche), che
congiungono coppie di router. Ogni router, in generale, deve: ricevere un
pacchetto da una linea in ingresso, memorizzarlo per intero in un buffer
interno ed infine, appena la necessaria linea in uscita è libera, instradare il
pacchetto su essa. Una subnet basata su questo principio può essere
chiamata: punto a punto, store and forward o a commutazione di pacchetto
(packet switched).Molte topologie di interconnessione possono essere
impiegate fra i router:
• a stella (ridondanza zero);
• ad anello (ridondanza zero);
• ad albero (ridondanza zero);
• magliata (ridondanza media);
• completamente connessa (ridondanza massima).
Anello
Stella
Magliatura
Albero
Compl. connessa
Figura 1-7: topologie di interconnessione
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Un'altra possibilità è una WAN basata su satellite oppure radio al suolo.
Utilizzando il satellite cioè ogni router sente l'output del satellite e invia a
sua volta dati al satellite. Dunque, in generale si ha un broadcast downlink
(cioè dal satellite a terra) e broadcast uplink (cioè da terra al satellite) .
Satellite
Uplink
beam
Downlink
beam
Router + antenna
Router + antenna
Figura 1-8: interconnessione di router via satellite
Ogni router quindi utilizza onde Radio al suolo: ogni router sente l'output
dei propri vicini (entro una certa distanza massima) ed anche in questo
caso siamo in presenza di una rete broadcast.
Area di copertura del segnale
Router + antenna
Router + antenna
Router + antenna
Figura 1-9: interconnessione di router via radio al suolo
Una WAN può essere anche realizzata in maniera mista: in parte cablata,
in parte basata su radio o satellite.
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Interconnessione di reti
Una interconnessione di reti, talvolta anche chiamata internetwork, è
formata quando reti diverse (sia LAN che MAN o WAN) sono collegate fra
loro. A prima vista, almeno in alcuni casi, la cosa è apparentemente uguale
alla definizione di WAN vista precedentemente (se al posto di subnet si
scrive WAN, abbiamo una internetwork costituita da una WAN e quattro
LAN). Alcuni problemi però sorgono quando si vogliono connettere fra di
loro reti progettualmente diverse (spesso incompatibili fra loro). In questo
caso si deve ricorrere a speciali attrezzature, dette gateway (o router
multiprotocollo), che, oltre ad instradare i pacchetti da una rete all'altra,
effettuano le operazioni necessarie per rendere possibili tali trasferimenti.
WAN 1
WAN 1
Router multiprotocollo
(gateway)
Figura 1-10: interconnessione di reti
In questo contesto e concretamente è utilizzata questa terminologia:
internet come sinonimo di internetwork, cioè la interconnessione di più reti
generiche; ed Internet (con la I maiuscola) per riferirsi alla specifica
internetwork, basata su TCP/IP, che ormai tutti conoscono.
L’ uso della terminologia non è sempre preciso ed univoco.
Si indica:
• con sottorete (subnet): l'insieme dei router e delle linee di
trasmissione;
• con rete (network): una subnet più tutti gli host collegati;
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• con internetwork: una collezione di più network, anche non
omogenee, collegate per mezzo di gateway.
Host
Host
Gateway
Subnet
Subnet
Network
Network
Internetwork
Figura 1-11: relazioni fra subnet, network e internetwork
Protocolli e aspetti software delle reti
Le prime reti furono progettate cominciando dall'hardware e sviluppando il
software solo successivamente, quasi come se esso fosse un'accessoria
appendice dell'hardware. Questo approccio non può più funzionare.
Il SW di rete è oggi altamente strutturato.
Vogliamo esaminare ora, a
grandi linee, tale strutturazione, che servirà come base per introdurre il
lavoro svolto.
Gerarchie di protocollo
Per ridurre la complessità di progetto, le reti sono in generale organizzate a
livelli, ciascuno costruito sopra il precedente.
Fra un tipo di rete ed
un’altra possono essere diversi: il numero, i nomi, il contenuto e le funzioni
dei livelli. Comunque è sempre rispettato il principio generale secondo il
16
quale lo scopo di un livello è offrire certi servizi ai livelli più alti,
nascondendo i dettagli sul come tali servizi siano implementati.
• Il livello n su un host porta avanti una conversazione col livello n su
di un'altro host.
• Le regole e le convenzioni che governano la comunicazione
sono
collettivamente indicate col termine di protocollo.
• Le entità (processi) che effettuano tale conversazione si chiamano
peer entity (entità di pari livello).
HOST 1
Livello 5
HOST 2
Protocollo
di livello 5
Livello 5
Interfaccia liv. 4/5
Livello 4
Protocollo
di livello 4
Livello 4
Livello 3
Protocollo
di livello 3
Livello 3
Livello 2
Protocollo
di livello 2
Livello 2
Livello 1
Protocollo
di livello 1
Livello 1
Mezzo fisico
Figura 1-12: Dialogo fra peer entity
In realtà non c'è un trasferimento diretto dal livello n di host 1 al livello n di
host 2. Ogni livello di host 1 passa i dati, assieme a delle informazioni di
controllo, al livello sottostante. Al di sotto del livello 1 c'è il mezzo fisico,
attraverso il quale i dati vengono trasferiti da host 1 ad host 2. Quando
arrivano a host 2, i dati vengono passati da ogni livello (a partire dal livello
1) a quello superiore, fino a raggiungere il livello n. Fra ogni coppia di livelli
adiacenti è definita una interfaccia, che caratterizza sia le operazioni
primitive, che possono essere richieste al livello sottostante e i servizi, che
17
possono essere offerti dal livello sotto di esso. I vantaggi di una buona
progettazione delle interfacce sono la minimizzazione delle informazioni da
trasferire e la possibilità di modificare l'implementazione del livello (ad es.,
ove le linee telefoniche venissero sostituite da canali satellitari) con una più
attuale che offra gli stessi servizi.
Architettura di rete
L'insieme dei livelli e dei relativi protocolli è detto architettura di rete. La
specifica dell' architettura deve essere abbastanza dettagliata da consentire
la realizzazione di SW e/o HW che, per ogni livello, rispetti il relativo
protocollo. Viceversa, i dettagli implementativi di ogni livello e le interfacce
fra livelli non sono parte dell'architettura, in quanto sono nascosti
all'interno di un singolo host. E' quindi possibile che sui vari host della rete
ci siano implementazioni che differiscono fra di loro anche in termini di
interfacce fra livelli, purché ogni host implementi correttamente i protocolli
previsti dall'architettura. In questo caso possono dialogare fra loro anche
host aventi caratteristiche (processore, sistema operativo, costruttore)
diverse. Dunque, nell'ambito di una specifica architettura di rete, si ha che
tutti gli host devono contenere implementazioni conformi in termini di
livelli e di protocolli. Un'architettura di rete può essere: proprietaria,
standard de facto, standard de iure.
Un'architettura proprietaria è basata su scelte indipendenti ed arbitrarie
del costruttore ed è generalmente incompatibile con architetture diverse.
Nel senso più stretto del termine è un'architettura per la quale il
costruttore non rende pubbliche le specifiche, per cui nessun altro può
produrre apparati compatibili. Alcuni esempi sono IBM SNA (System
Network Architecture), Digital Decnet Phase IV; Novell IPX e Appletalk.
Un'architettura standard de facto è un'architettura basata su specifiche di
pubblico dominio (per cui diversi costruttori possono proporre la propria
18
implementazione) che ha conosciuto una larghissima diffusione. L’esempio
lampante di questa architettura é Internet Protocol Suite (detta anche
architettura TCP/IP).
Un'architettura standard de iure è un'architettura basata su specifiche
(ovviamente di pubblico dominio) approvate da enti internazionali che si
occupano di standardizzazione. Anche in questo caso ogni costruttore può
proporne una propria implementazione.
Nello specifico possono essere
considerate standard de iure standard IEEE 802 per le reti locali;
architettura OSI (Open Systems Interconnection) e Decnet Phase V
(conforme allo standard OSI). L'insieme dei protocolli utilizzati su un host e
relativi ad una specifica architettura di rete va sotto il nome di pila di
protocolli
(protocol
stack).
Si
noti
che
un
host
può
avere
contemporaneamente attive più pile di protocolli per eventualmente
comunicare con host differenti.
Funzionamento del software di rete
Per comprendere i meccanismi basilari di funzionamento del software di
rete si può pensare alla seguente analogia umana, nella quale un filosofo
indiano vuole conversare con uno stregone africano:
Filosofo indù
(parla solo industano)
Traduttore
Segretaria
Dialogo sui
massimi sistemi
Uso della
lingua inglese
Uso del
fax
Stregone africano
(parla solo swahili)
Traduttore
Segretaria
Mezzo fisico
Figura 1-13: Dialogo fra grandi menti
19
Nel caso delle reti, la comunicazione fra le due entità di livello superiore
avviene con una modalità che, almeno in linea di principio, è uguale in
tutte le architetture di rete:
HOST 1
M
H4
H3 H4 M1
H2 H3 H 4 M1 T2
M
H 3 M2
H2 H3 M2 T2
Protocollo
di livello 5
Protocollo
di livello 4
Protocollo
di livello 3
Protocollo
di livello 2
HOST 2
M
H4
H3 H4 M1
H2 H 3 H 4 M1 T2
M
H3 M2
H 2 H3 M2 T2
Canale
fisico
Figura 1-14: Flusso dell'informazione fra peer entity
Il programma applicativo (livello 5) deve mandare un messaggio M alla sua
peer entity. Il livello 5 consegna M al livello 4 per la trasmissione, il livello
4 aggiunge un suo header in testa al messaggio questo header contiene
informazioni di controllo, tra le quali: numero di sequenza del messaggio;
dimensione del messaggio, time stamp e priorità. Il livello 4 consegna il
risultato al livello 3, il quale può trovarsi nella necessità di frammentare i
dati da trasmettere in unità più piccole, (pacchetti) a ciascuna delle quali
aggiunge il suo header. Il livello 3 passa i pacchetti al livello 2. A questo
20
punto il livello 2 aggiunge ad ogni pacchetto il proprio header (e magari un
trailer) e lo spedisce sul canale fisico; nella macchina di destinazione i
pacchetti
fanno
il
percorso
inverso,
con
ogni
livello
che
elimina
(elaborandoli) l'header ed il trailer di propria competenza, e passa il resto al
livello superiore. Si possono definire alcuni aspetti importanti: le peer
entity pensano concettualmente ad una comunicazione orizzontale fra loro,
basata sul protocollo del proprio livello, mentre in realtà comunicano
ciascuna col livello sottostante attraverso l'interfaccia fra i due livelli;
spesso i livelli bassi sono implementati in hardware o firmware (per ragioni
di efficienza). Nonostante questo, spesso gli algoritmi di gestione sono
complessi.
Servizi connection-oriented e connectionless
Ci sono due principali classi di servizi offerti da un livello a quello
superiore: servizi connection-oriented e servizi connectionless.
Servizi connection-oriented
I servizi connection-oriented sono modellati secondo il sistema telefonico,
dove per parlare con qualcuno si alza il telefono, si chiama, si parla e poi si
riattacca. Ovvero: si stabilisce una connessione; si scambiano informazioni
e si rilascia la connessione. Analogamente, un servizio connection-oriented
si sviluppa in 3 fasi:
1. si stabilisce una connessione, cioè si crea con opportuni mezzi un
"canale di comunicazione" fra la sorgente e la destinazione. La relativa
attività tipicamente coinvolge un certo numero di elaboratori nel
cammino fra sorgente e destinazione;
2. la connessione, una volta stabilita, agisce come un tubo digitale lungo il
quale scorrono tutti i dati trasmessi, che arrivano nello stesso ordine in
cui sono partiti;
21
3. si rilascia la connessione (attività che coinvolge di nuovo tutti gli
elaboratori sul cammino).
Pacchetto
Sorgente
Destinazion
Connessione
(a)
Sorgente
Destinazion
(b)
Figura 1-15: Servizi connection-oriented (a) e connectionless (b)
Servizi connectionless
I servizi connectionless sono modellati secondo il sistema postale: ogni
lettera viaggia indipendentemente dalle altre; arriva quando arriva, e forse
non arriva. Inoltre, due lettere con uguale mittente e destinatario possono
viaggiare per strade diverse. Analogamente, in un servizio connectionless, i
22
pacchetti viaggiano indipendentemente gli uni dagli altri, possono prendere
strade diverse ed arrivare in ordine diverso da quello di partenza o non
arrivare affatto.
La fase è una sola : invio del pacchetto (corrisponde
all'immissione della lettera nella buca).
Affidabilità del servizio
Un servizio è generalmente caratterizzato dall'essere o no affidabile
(reliable). Un servizio affidabile non perde mai dati, cioè assicura che tutti i
dati spediti siano consegnati al destinatario. Ciò generalmente richiede che
il ricevente invii un acknowledgement (conferma) alla sorgente per ogni
pacchetto ricevuto.
Si introduce ovviamente overhead, che in certe
situazioni può non essere desiderabile.
Viceversa, un servizio non
affidabile non offre la certezza che i dati spediti arrivino effettivamente a
destinazione.
Si noti che se un certo livello non offre nessun servizio
affidabile, qualora tale funzionalità sia desiderata dovrà essere fornita da
almeno uno dei livelli superiori (cosa che accade spesso). Si propongono
ora alcuni esempi di protocolli specifici aventi lo scopo di migliorare
l’affidabilità:
⇒ reliable connection oriented: trasferimento di file (non devono
mancare pezzi e il file non deve essere "rimescolato");
⇒ non reliable connection oriented: nelle trasmissioni isocrone
(stremming audio e video ) le relazioni temporali fra i bit del
flusso devono essere mantenute. E' meglio qualche disturbo
ogni
tanto,
piuttosto
che
interruzioni
momentanee,
ma
avvertibili del flusso di dati;
⇒ non reliable connectionless (detto anche datagram service, da
telegram): distribuzione di posta elettronica pubblicitaria, non
importa se qualche messaggio si perde.
23
⇒ reliable connectionless (detto anche acknowledged datagram
service): si invia un breve messaggio e si vuole essere
assolutamente sicuri che è arrivato.
Servizi vs protocolli
Servizi e protocolli sono spesso confusi, ma sono concetti ben distinti. Il
servizio è un insieme di operazioni primitive che un livello offre al livello
superiore. Come queste operazioni siano implementate non riguarda il
livello superiore. Mentre il protocollo rappresenta un insieme di regole che
governano il formato ed il significato delle informazioni (messaggi, frame,
pacchetti) che le peer entity si scambiano fra loro.
Le entità usano i
protocolli per implementare i propri servizi
HOST 1
HOST 2
Protocollo
Livello n
Livello n
Servizi
Servizi
Protocollo
Livello n - 1
Livello n - 1
Figura 1-16: Relazione fra protocolli e servizi
Aspetti di progetto dei livelli
Le decisioni che governano l’utilizzo e la scelta implementativa di un
protocollo sono:
1. Meccanismi
di
identificazione
di
mittente
e
destinatario
(cioè
indirizzamento), in ogni livello.
24
2. Regole per il trasferimento dati (livelli bassi):
• in una sola direzione (simplex connection);
• in
due
direzioni
ma
non
contemporaneamente
(half-duplex
connection).
• in due direzioni contemporaneamente (full-duplex connection);
3. Meccanismi per il controllo degli errori di trasmissione; è possibile:
• rilevarli oppure no;
• correggerli oppure no;
• avvertire il mittente oppure no.
4. Meccanismi per il mantenimento (o la ricostruzione) dell'ordine originario
dei dati.
5. Meccanismi per regolare le velocità di sorgente e destinazione.
6. Decisioni sulla dimensione (minima o massima) dei messaggi da inviare,
e su come eventualmente frammentarli.
7. Meccanismi di multiplexing di varie "conversazioni" su di un'unica
connessione (se stabilire la connessione è costoso).
8. Meccanismi di routing dei messaggi, se esistono più strade alternative,
ed eventualmente di suddivisione di una "conversazione" su più
connessioni
contemporaneamente
(per
aumentare
la
velocità
di
trasferimento dei dati).
Modelli di riferimento nel mondo delle reti
Iniziamo
ad esaminare due importanti realtà nel mondo delle reti: per
primo il modello OSI Reference Model che è senza dubbio determinante per
la creazione e l’utilizzo di Internet Protocol Suite (detta anche architettura
TCP/IP o, piuttosto impropriamente, TCP/IP reference model). Un modello
di riferimento è cosa diversa da un'architettura di rete: esso definisce il
numero, le relazioni e le caratteristiche funzionali dei livelli, ma non
25
determina i protocolli effettivi. L’architettura di rete invece fissa, livello per
livello, i protocolli effettivi
Il modello ISO/OSI
L'OSI (Open Systems Interconnection) Reference Model è il frutto del lavoro
della ISO (International Standard Organization), ed ha lo scopo di fornire
uno standard per la connessione di sistemi aperti, cioè in grado di
colloquiare gli uni con gli altri, una base comune per lo sviluppo di
standard per l'interconnessione di sistemi e un modello rispetto cui
confrontare le varie architetture di rete.
Esso non include di per se la
definizione di protocolli specifici. Sono stati seguiti durante lo sviluppo del
modello OSI alcune regole fondamentali tra le quali :
• ogni livello deve avere un diverso livello di astrazione;
• ogni livello deve avere una funzione ben definita;
• la scelta dei livelli deve:
• minimizzare il passaggio delle informazioni fra di essi;
• evitare troppe funzioni in un livello, ma contemporaneamente non
eccedere nella quantità dei livelli.
Il modello OSI consiste di 7 livelli strutturati seguendo
le regole sopra
citate.
26
Application protocol
7
Application
6
Presentation
5
Session
4
Transport
Application
Presentation protocol
Presentation
Session protocol
Session
Application protocol
Transport
Subnet di comunicazione
Network
Network
Network
Network
2
Data Link
Data Link
Data Link
Data Link
1
Fisico
Fisico
Fisico
Fisico
HOST 1
ROUTER
ROUTER
HOST 2
3
Protocolli host - router
Protocolli router - router
Protocolli host - router
Figura 1-17: Il modello OSI
Spesso, per visualizzare le competenze (in termini di livelli gestiti) dei vari
elaboratori sul cammino, si usano diagrammi simili al seguente:
27
HOST 1
HOST 2
7
7
6
6
5
5
ROUTER
4
ROUTER
4
3
3
3
3
2
2
2
2
1
1
1
1
Figura 1-18: Rappresentazione schematica dei livelli gestiti lungo un cammino
Si noti che il modello OSI non è un'architettura di rete, perché suggerisce
solo cosa devono fare i livelli, ma non stabilisce né i servizi né i protocolli.
Per questo esistono separati documenti di definizione degli standard.
Livello fisico
Ha a che fare con la trasmissione di bit "grezzi" su un canale di
comunicazione. Gli aspetti di progetto sono volti a garantire che se parte
un 1, arrivi effettivamente un 1 e non uno zero e largamente riguardanti le
caratteristiche meccaniche, elettriche e procedurali delle interfacce di rete
(componenti che connettono l'elaboratore al mezzo fisico) e quelle relative al
mezzo fisico.
Si caratterizzano alcune grandezze fisiche tra le quali:
tensioni, scelte per rappresentare 0 ed 1, durata (in microsecondi) di un
bit; trasmissione simultanea in due direzioni oppure non meno importane
la forma dei connettori.
28
Livello Data Link
Lo scopo di questo livello è far si che un mezzo fisico trasmissivo appaia, al
livello
superiore,
esente
da
errori
di
trasmissione
non
rilevati.
Normalmente funziona in questo modo: spezzetta i dati provenienti dal
livello superiore in frame (da qualche centinaia a qualche migliaia di byte),
invia i frame in sequenza; aspetta un acknowledgement frame (ack) per
ogni frame inviato. Il livello Data Link deve offrire questi servizi:
• aggiungere delimitatori (framing) all'inizio ed alla fine del frame;
• gestire errori di trasmissione causati da: errori in ricezione; perdita di
frame; duplicazione di frame (da perdita di ack);
• regolare il traffico (per impedire che il ricevente sia "sommerso" di
dati);
• implementare meccanismi per l'invio degli ack: frame separati (che
però
competono
col
regolare
traffico
nella
stessa
direzione);
piggybacking (da pickaback, cioè trasportare sulle spalle).
Le reti broadcast hanno l’ulteriore problema del controllo dell'accesso al
canale trasmissivo, che è condiviso. Per questo hanno uno speciale
sottolivello del livello data link, il sottolivello MAC (Medium Access Control).
Livello Network
Lo scopo del livello è controllare il funzionamento della subnet di
comunicazione. Inizialmente tale livello offriva solamente servizi connection
oriented; successivamente fu aggiunta la modalità connectionless. Il livello
Network deve offrire questi servizi:
29
• routing: cioè scelta del cammino da utilizzare. Il suddetto può essere
statico (fissato ogni tanto e raramente variabile) o dinamico
(continuamente aggiornato, anche da un pacchetto all'altro);
• gestione della congestione: a volte troppi pacchetti arrivano ad un
router (es.: da molte linee in ingresso ad un unica linea di uscita);
• accounting: in cui gli operatori della rete possono far pagare l'uso
agli utenti sulla base del traffico generato;
• conversione di dati nel passaggio fra una rete ed un'altra (diversa) e
quindi indirizzi da rimappare; pacchetti da frammentare; protocolli
diversi da gestire.
Livello Transport
Lo scopo di questo livello è accettare dati dal livello superiore, spezzettarli
in pacchetti, passarli al livello network ed assicurarsi che arrivino alla peer
entity che si trova all'altra estremità della connessione.
In più, fare ciò
efficientemente, isolando i livelli superiori dai cambiamenti della tecnologia
di rete sottostante. Il livello transport è il primo livello realmente end-toend, cioè da host sorgente a host destinatario: le peer entity di questo
livello portano avanti una conversazione senza intermediari. Si noterà che
certe problematiche sono, in ambito end-to-end, le stesse che il livello data
link ha nell'ambito di una singola linea di comunicazione; le soluzioni però
sono alquanto diverse per la presenza della subnet di comunicazione. I suoi
compiti sono quelli di creare connessioni di livello network (attraverso i
propri servizi) ; creare un canale punto a punto affidabile, che consegni i
dati in ordine e senza errori (il servizio più diffuso, connection oriented);
inviare messaggi isolati, con o senza garanzia di consegna (connectionless);
ed infine broadcasting di messaggi a molti destinatari (connectionless).
30
Livello Session
Ha a che fare con servizi più raffinati che non sono quelli del transport
layer, come ad es.: token management: autorizza le due parti, a turno, alla
trasmissione. Come vedremo nel seguito, questo livello non ha mai avuto
un grande successo.
Livello Presentation
E' interessato alla sintassi ed alla semantica delle informazioni da
trasferire. Ad esempio, si occupa di convertire tipi di dati standard
(caratteri, interi) da rappresentazioni specifiche della piattaforma HW di
partenza in una rappresentazione "on the wire" e poi in quella specifica dell'
HW di arrivo. Anche questo livello non ha avuto molto successo.
Livello Application
Prevede che qui risieda tutta la varietà di protocolli che sono necessari per
offrire i vari servizi agli utenti, quali ad esempio: terminale virtuale;
trasferimento file; posta elettronica ecc…. Attraverso l'uso di questi
protocolli si possono scrivere applicazioni che offrono i suddetti servizi agli
utenti finali.
Internet Protocol Suite o TCP/IP
La "madre di tutte le reti" fu Arpanet, originata da un progetto di ricerca
finanziato dal DoD (Department of Defense) americano.
Lo scopo era
creare una rete estremamente affidabile anche in caso di catastrofi (o eventi
bellici) che ne eliminassero una parte. Arpanet, attraverso varie evoluzioni,
come spiegato nell’introduzione, ha dato origine alla attuale Internet. Nel
corso dello sviluppo, per integrare via via tipi diversi di reti, si vide la
necessità di una nuova architettura, mirata fin dall'inizio a consentire
31
l'interconnessione di molteplici reti (internetwork). L'architettura divenne,
più tardi, nota coi nomi di Internet Protocol Suite, architettura TCP/IP e
TCP/IP reference model, dal nome dei suoi due protocolli principali. Essa
non è un modello nel senso stretto del termine, in quanto include i
protocolli effettivi, che sono specificati per mezzo di documenti detti RFC
(Request For Comments). I livelli TCP/IP hanno questa relazione con quelli
OSI:
OSI
Tcp/Ip
Application
Application
Presentation
Session
Tranport
Transport
Network
Internet
Data Link
Host - to - Network
Fisico
Figura 1-19: Relazione fra i livelli OSI e TCP/IP
I requisiti di progetto stabiliti fin dall'inizio (estrema affidabilità e tolleranza
ai guasti, possibilità di interconnessione di più reti) portarono alla scelta di
una
rete:
packet-switched
basata
su
un
livello
connectionless
di
internetwork.
Livello host-to-network
Il livello più basso non è specificato nell'architettura, che prevede di
utilizzare quelli disponibili per le varie piattaforme HW e conformi agli
standard.
Tutto ciò che si assume è la capacità dell'host di inviare
pacchetti IP sulla rete.
32
Livello Internet
E' il livello che tiene insieme l'intera architettura. Il suo ruolo è permettere
ad un host di iniettare pacchetti in una qualunque rete e fare il possibile
per farli viaggiare, indipendentemente gli uni dagli altri e magari per strade
diverse, fino alla destinazione, che può essere situata anche in un'altra
rete. Dunque per quanto detto tale sistema è connectionless. E' un servizio
best-effort datagram. E' definito un formato ufficiale dei pacchetti ed un
protocollo, IP (Internet Protocol).
Livello Transport
E' progettato per consentire la conversazione delle peer entity sugli host
sorgente e destinazione (end-to-end). Sono definiti due protocolli in questo
livello:
⇒ TCP (Transmission Control Protocol): è un protocollo connesso
ed affidabile (ossia tutti i pacchetti arrivano, e nell'ordine
giusto). Frammenta il flusso in arrivo dal livello superiore in
messaggi separati che vengono passati al livello Internet. In
arrivo, i pacchetti vengono riassemblati in un flusso di output
per il livello superiore.
⇒ UDP (User Datagram Protocol): è un protocollo non connesso e
non affidabile, i pacchetti possono arrivare in ordine diverso o
non arrivare affatto.
Livello Application
Nell'architettura TCP/IP non ci sono i livelli session e presentation (non
furono ritenuti necessari; l'esperienza col modello OSI ha mostrato che
questa visione è condivisibile). Sopra il livello transport c'è direttamente il
livello application, che contiene tutti i protocolli di alto livello i quali
33
vengono usati dalle applicazioni reali.
I primi protocolli furono: Telnet:
terminale virtuale; FTP (File Transfer Protocol): file transfer e SMTP (Simple
Mail Transfer Protocol) e POP (Post Office Protocol) utilizzati
posta
elettronica. Successivamente se ne sono aggiunti altri, fra cui: DNS
(Domain Name Service): mapping fra nomi di host e indirizzi IP numerici;
NNTP (Network News Transfer Protocol): trasferimento di articoli per i
newsgroup; HTTP (HyperText Transfer Protocol): alla base del Word Wide
Web. I vari protocolli nell'architettura TCP/IP si collocano come segue:
Application
Telnet
Ftp
Transport
Smtp
Http
Tcp
Nntp
ecc.
Udp
Internet
IP
Host -to - Network
Vari standard per LAN, WAN e MAN
Figura 1-20: Relazione fra i livelli e i protocolli dell'architettura TCP/IP
Confronto fra modello di riferimento OSI e architettura TCP/IP
Le somiglianze fra i vari protocolli si fondano sul presupposto che sono
basati entrambi sul concetto di pila di protocolli indipendenti e che hanno
funzionalità simili in entrambi per i vari livelli. Al contrario le differenze
riguardano il fatto che il modello OSI nasce come modello di riferimento
(utilissimo
per
le
discussioni
generali),
i
protocolli
vengono
solo
successivamente; il TCP/IP invece nasce coi protocolli, il modello di
riferimento viene a posteriori. Il fatto che il modello OSI fosse nato prima
dei relativi protocolli si ebbero da una parte benefici e dall’altra
conseguenze negative: il modello era, ed è tuttora, molto generale (punto a
favore); vi era insufficiente esperienza nella progettazione dei livelli (punto
a sfavore).
Ad esempio: il livello data-link (pensato all'origine per linee
punto-punto) ha dovuto essere sdoppiato per gestire reti broadcast; ed
34
infine mancò del tutto l'idea di internetworking: si pensava ad una rete
separata, gestita dallo stato, per ogni nazione. I protocolli dell'architettura
TCP/IP sono invece il punto di partenza del progetto, per cui l'architettura
è molto efficiente (punto a favore); il reference model non è generale, in
quanto descrive solo questa particolare architettura (punto a sfavore) ed è
difficile rimpiazzare i protocolli se necessario (punto a sfavore).
Confronto fra pile di protocolli OSI e TCP/IP
I protocolli OSI non sono riusciti ad affermarsi sul mercato per una serie di
ragioni: Scelta di tempo non appropriata: la definizione dei protocolli è
arrivata
troppo
tardi,
quando
cioè
quelli
TCP/IP
si
erano
già
considerevolmente diffusi; le aziende non se la sono sentite di investire
risorse nello sviluppo di una ulteriore architettura di rete; l’infelicità
di
scelte tecnologiche: i sette livelli (e i relativi protocolli) sono stati dettati in
realtà dalla architettura SNA dell' IBM, più che da considerazioni di
progetto; grande complessità e conseguente difficoltà di implementazione;
inutili i livelli session e presentation;
la non ottimale attribuzione di
funzioni ai vari livelli: alcune funzioni appaiono in molti livelli ad es.
controllo errore e flusso in tutti i livelli e altre funzioni mancano del tutto
ad es. sicurezza e gestione rete ; l’infelice implementazione: le prime
realizzazioni erano lente ed inefficienti, mentre contemporaneamente
TCP/IP era molto ben implementato (e per di più gratis!).
protocolli
dell'architettura
TCP/IP
invece
sono
stati
In effetti i
implementati
efficientemente fin dall'inizio, per cui si sono affermati sempre più, e quindi
hanno goduto di un crescente supporto che li ha resi ancora migliori. Ad
ogni modo, neanche l'architettura TCP/IP è priva di problemi, infatti :
l'architettura TCP/IP non ha utilità come modello (non serve ad altro che a
descrivere se stessa); non c'è una chiara distinzione fra protocolli, servizi e
interfacce, il che rende più difficile l'evoluzione dell'architettura; alcune
35
scelte di progetto cominciano a pesare oggi (ad es., indirizzi IP a soli 16
bit). In conclusione: il modello OSI è ottimo come “modello”, mentre i suoi
protocolli hanno avuto poco successo; TCP/IP è ottima (per ora e si crede
per ancora molti anni con l’introduzione di IPv6 ) come architettura di rete,
ma inutile come modello.
LE RETI NEL MONDO REALE: PROBLEMI E STANDARD FISICI
Un limite per le reti: il rumore e i disturbi elettromagnetici
Il rumore in elettronica è l'insieme di segnali in tensione o corrente elettrica
indesiderati che si sovrappongono al segnale utile. Si distingue tra rumore
e disturbo, per rumore solitamente si intende segnali di origine interna,
mentre i disturbi sono segnali che provengono dall'esterno. Il rumore
consiste in "fluttuazioni" dovute a proprietà fondamentali della materia,
come ad esempio nel flusso degli elettroni che forma una corrente,e in
quanto tali di origine interna e non eliminabili. Queste fluttuazioni che si
osservano a livello macroscopico derivano da fluttuazioni a livello
microscopico.
Si manifestano nella forma di segnali casuali il cui
andamento nel tempo non è descrivibile analiticamente, ma solo in termini
statistici.
Trattazione matematica del rumore
In genere, essendo intrinsecamente stocastico, il rumore viene analizzato
usando la teoria dei processi stocastici: si assume perciò che il rumore sia
stazionario cioè ha proprietà invarianti nel tempo e sia ergodico cioè tutte le
proprietà
d'insieme
osservazione.
del
processo
sono
estraibili
da
una
singola
Perché sia possibile trattare il rumore bisogna che se ne
possa associare una qualche distribuzione di probabilità. In genere se la
36
distribuzione è gaussiana, come nella maggior parte dei casi, allora la sua
distribuzione è nota:
dove η rappresenta il suo valore medio e σ la sua deviazione standard
entrambi costanti nel tempo se il processo è stazionario. Inoltre è
necessario conoscere la funzione di autocorrelazione:
che rappresenta la correlazione fra due campioni del processo a distanza
temporale τ. la correlazione è massima per τ = 0, cioè quando la
il valore quadratico medio del
correlazione è
processo. Per
, la funzione di autocorrelazione rappresenta il grado di
prevedibilità di una realizzazione al tempo t + τ una volta nota al tempo t.
Dunque lo studio del rumore passa per la definizione di una appropriata
distribuzione di probabilità e come funzione di correlazione nel caso dei
segnali. Si usa lo spettro di potenza e si utilizzano le relazioni di WienerKinchin:
cioè della trasformata e antitrasformata di Fourier della funzione di
autocorrelazione. Lo spettro ottenuto è
, ma in genere essendo
simmetrico si utilizza lo spettro di potenza unilatero positivo. Le relazioni di
Wiener-Kinchin possono allora scriversi esplicitamente:
37
A seconda dei casi le grandezze possono essere misurate in tensione allora
l'unità di misura degli spettri è V2 / Hz o in corrente allora A2 / Hz. Dagli
spettri di potenza dei segnali si possono anche ricavare gli spettri di
ampiezza di rumore:
Per calcolare il valore efficace della tensione o della corrente in un
intervallo di banda si applica semplicemente:
I tipi di rumore
La sorgente di rumore più comune negli apparati e dispositivi elettronici è il
rumore termico, esso è infatti intrinseco di ogni elemento dissipativo (es.
resistori) che si trovi ad una temperatura diversa dallo zero assoluto.
Scoperto da Jonhson e teorizzato analiticamente da Nyquist.
Nyquist
(1924) ha dimostrato che un segnale analogico di banda h (da 0 ad h Hz)
può
essere
completamente
ricostruito
mediante
una
campionatura
effettuata 2h volte al secondo. Dunque esso "convoglia" una quantità di
informazione rappresentabile con un numero di bit pari a 2h*(logaritmo in
base 2 del numero di possibili valori del segnale) per ogni secondo. Una
conseguenza di tale teorema è che il massimo data rate (detto anche, con
un termine non del tutto appropriato, velocità di trasmissione) di un canale
38
di comunicazione dotato di una banda passante da 0 Hz ad h Hz (passabasso di banda h) che trasporta un segnale consistente di V livelli discreti è
massimo data rate (bit/sec.) = 2h log2V
Questo risultato implica che un segnale binario non va oltre i 6 kpbs su
una linea di banda passante pari a 3 kHz. Come vedremo, i modem veloci
sfruttano un segnale con un numero V di livelli piuttosto elevato per
riuscire a trasmettere, su una linea funzionante ad x baud, più di x
bit/sec. (il termine baud indica la velocità di segnalazione di una linea,
ossia quante volte al secondo essa è in grado di cambiare valore). Questo
rumore è conseguenza dell'agitazione termica dei portatori di carica in un
conduttore. Il loro movimento caotico è tale da creare ai capi di un resistore
una differenza di potenziale che mediamente vale 0 Volt (si dice che il
valore medio del processo rumore bianco è nullo), ma che se misurata con
uno strumento che non carichi il resistore è altamente variabile e
descrivibile solo in termini statistici: il valore quadratico medio (quadrato
.
del valore efficace) dipende dalla temperatura ed è pari a
Disturbi elettromagnetici
Per poter parlare di Disturbi elettromagnetici bisogna prima parlare di
Compatibilità elettromagnetica. Il termine compatibilità elettromagnetica
(EMC, dall'inglese Electromagnetic Compatibility) si riferisce alla disciplina,
nell'ambito
dell'ingegneria
elettrica
ed
elettronica,
che
studia
la
generazione, la trasmissione e la ricezione non intenzionali di energia
elettromagnetica in relazione agli effetti indesiderati che queste possono
comportare, con l'obiettivo di garantire il corretto funzionamento nel
medesimo ambiente dei diversi apparati che coinvolgono fenomeni
elettromagnetici nel loro funzionamento.
39
Figura 1.21 - Schema di propagazione di disturbi elettromagnetici tra un dispositivo
sorgente di disturbi (Device 1, EMC Source) e un dispositivo soggetto a tali disturbi
(Device 2, EMC Sinc). In rosso i disturbi irradiati; in azzurro i disturbi condotti.
Nelle prove di compatibilità elettromagnetica quando si verificano le
emissioni Device 1 è il dispositivo da testare (DUT Device under test),
mentre Device 2 è lo strumento di misura dei disturbi. Le parti si invertono
quando si fanno le prove di immunità (o suscettibilità). Nel perseguire il
suo intento, la compatibilità elettromagnetica prende in considerazione
diverse problematiche: le problematiche di emissione si riferiscono alla
riduzione della generazione non intenzionale di energia elettromagnetica ed
alle contromisure atte ad evitare la sua trasmissione e le problematiche di
suscettibilità (o immunità), si riferiscono invece al corretto funzionamento
degli apparati elettrici ed elettronici in presenza di disturbi elettromagnetici
provenienti
dall'esterno.
Quando,
nell'ambito
della
compatibilità
elettromagnetica, si prendono in considerazione disturbi elettromagnetici
che si propagano in strutture guidanti quali conduttori metallici, ci si
riferisce a problematiche di suscettibilità ed emissione condotte (in azzurro
nella figura 1), quando invece ci si riferisce a disturbi propagatisi in spazio
40
libero, ci si riferisce a problematiche di suscettibilità ed emissione irradiata
(radiata, irraggiata), indicate in rosso nella figura 1. In passato le
problematiche
di
compatibilità
elettromagnetica
erano
lasciate
alla
valutazione dei singoli produttori o regolamentate a livello nazionale. Gli
sviluppi sempre più rapidi dell'elettronica e l'interscambio commerciale
sempre più intenso hanno reso necessario imporre delle normative comuni
di regolamentazione. Con la nascita dell'Unione Europea, in particolare, si
è cercato di unificare la legislazione in materia. Le normative proposte in
sede comunitaria sono poi state ratificate dai parlamenti degli stati
membri. L'Italia, in particolare, ha approvato tali normative e dal 1°
gennaio 1997 l'apposizione del marchio CE comporta il rispetto di
normative specifiche su queste problematiche (oltre al rispetto di altre
normative relative alla sicurezza elettrica
Lo standard più diffuso ai livelli 1 e 2: Ethernet
Ethernet è il nome di un protocollo per reti locali, sviluppato a livello
sperimentale da Robert Metcalfe e David Boggs, suo assistente , alla Xerox
PARC. La data ufficiale è il 1973 quando Metcalfe scrisse un promemoria
ai suoi capi della Xerox sulle potenzialità di Ethernet. Nel 1976 Metcalfe e
Boggs pubblicano un articolo dal titolo Ethernet: Distributed PacketSwitching
For
Local
Computer
Networks.
L'obiettivo
originale
dell'esperimento era ottenere una trasmissione affidabile a 3Mbps su cavo
coassiale in condizioni di traffico contenuto, ma in grado di tollerare bene
occasionali picchi di carico. Per regolamentare l'accesso al mezzo
trasmissivo era stato adottato un protocollo di tipo CSMA/CD (Carrier
Sense Multiple Access / Collision Detection). Il successo dell'esperimento
suscitò forte interesse e portò alla formazione di un gruppo di imprese,
costituito da Xerox Corporation, Intel Corporation e Digital Equipment
Corporation, che nel 1978 portarono alla standardizzazione 802.3 e il 30
41
settembre 1980 a pubblicare la versione 1.0 dello standard Ethernet.
Intanto Metcalfe lasciò Xerox nel 1979 per promuovere l'uso del PC e delle
LAN per cui fondò 3Com. Metcalfe spesso attribuisce il successo di 3Com a
Jerry Saltzer. Questi collaborò alla stesura di un articolo importantissimo
dove suggeriva che l'architettura token ring fosse teoricamente superiore
alla Ethernet. Con questo le grosse aziende decisero di non puntare su
Ethernet mentre, al contrario, 3Com poté creare un business intorno al
sistema riuscendo a guadagnarsi un ottimo vantaggio tecnico e a dominare
sul mercato quando Ethernet prese piede.
Successivamente, l'interesse
delle imprese del settore aumentò al punto che l'IEEE costituì alcuni
gruppi di studio finalizzati a perfezionare e consolidare Ethernet, nonché a
creare numerosi altri standard correlati. Uno dei risultati raggiunti fu la
pubblicazione, nel 1985, della prima versione dello standard IEEE 802.3,
basato
sull'originale
specifica
Ethernet,
ma
non
completamente
identificabile con essa. In seguito, lo standard Ethernet come tale non è più
stato mantenuto, ma il termine continua ad essere usato quasi come fosse
un sinonimo di IEEE 802.3, sebbene i due standard non coincidano affatto.
I motivi del successo
Ethernet attualmente è il sistema LAN più diffuso per diverse ragioni: é
nata molto presto e si è diffusa velocemente per cui nuove tecnologie come
FDDI e ATM hanno trovato il campo occupato. Rispetto ai sistemi
concorrenti è più economica e facile da usare e la diffusione delle
componenti hardware ne facilitano l'adozione. Funziona bene e genera
pochi problemi. È adeguata all'utilizzo con TCP/IP e, nonostante i suoi
concorrenti fossero più veloci nella trasmissione dati, Ethernet si è sempre
ben difesa.
42
Il Frame
Nonostante Ethernet abbia diverse tipologie, l'elemento comune è nella
struttura del frame che viene definito DIX (DEC, Intel, Xerox) ed è rimasto
fedele alla versione originale:
Figura 1.22 : schema pacchetto Ethernet
Questo è il frame ricevuto dallo strato di rete nella pila di protocolli. Gli
elementi sono:
Preamble: Preambolo (8 byte): I primi 7 byte hanno valore 10101010 e
servono a svegliare gli adattatori del ricevente e a sincronizzare gli
oscillatori con quelli del mittente. L'ultimo byte ha valore 10101011 e la
serie dei due bit a 1 indica al destinatario che sta arrivando del contenuto
importante.
Destination MAC address: Indirizzo di destinazione (6 byte). Questo campo
contiene l'indirizzo LAN dell'adattatore di destinazione, se l'indirizzo non
corrisponde il Livello fisico del protocollo lo scarta e non lo invia agli strati
successivi.
Source MAC address: Indirizzo sorgente (6 byte);
EtherType: Campo tipo (2 byte): Questo campo indica il tipo di protocollo
del livello di rete in uso durante la trasmissione oppure (nel caso di frame
IEEE 802.3) la lunghezza del campo dati;
Payload: Campo dati (da 46 a 1500 byte): contiene i dati reali e possono
essere di lunghezza variabile in base all'unità massima di trasmissione
43
della Ethernet. Se i dati superano la capacità massima, vengono suddivisi
in più pacchetti;
FCS Frame Check Sequenze: Controllo a ridondanza ciclica (CRC) (4 byte):
permette di rilevare se sono presenti errori di trasmissione, in pratica il
ricevente calcola il CRC mediante un algoritmo e lo confronta con quello
ricevuto in questo campo. È molto simile al frame IEEE 802.3 tranne che
per il campo tipo che nell'802.11 diventa Tipo o Lunghezza e il preambolo
ridotto a 7 byte con 1 byte trasformato in Start of Frame.
Indirizzo Ethernet
Gli indirizzi sono tutti a 6 byte in quanto Ethernet definisce uno schema di
indirizzamento a 48 bit: ogni nodo collegato, quindi, ha un indirizzo
Ethernet univoco di questa lunghezza. Esso corrisponde all'indirizzo fisico
della macchina ed è associato all'hardware. Sono anche detti indirizzi
hardware, indirizzi MAC (o MAC address) o indirizzi di livello 2.
Tipologia di trasmissione
La codifica usata per i segnali binari è la codifica Manchester. che prevede
una transizione del valore del segnale nel mezzo di ogni bit, zero o uno che
sia.
44
Codifica
di Zero
Codifica
di Uno
+ 0,85 V
0V
- 0,85 V
Durata
del bit
Durata
del bit
Figura 1-23: Codifica Manchester
Fra i vantaggi di tale codifica è facilità di sincronizzazione fra mittente e
destinatario; il codice trasmissivo è bilanciato, cioè vi è uguale energia per
lo zero e per l'uno, e quindi la trasmissione di dati, anche se genera diverse
quantità di zeri e uni, non produce componenti in corrente continua, molto
dannosa, perché ostacola la trasmissione dei segnali, per questo è facile
rilevare le collisioni.
Si noti però che tale codifica richiede, a parità di
velocità di trasmissione, una banda doppia rispetto alla codifica diretta
(ogni bit richiede la trasmissione di due valori distinti). Ethernet è una
tecnologia che fornisce al livello di rete un servizio senza connessione, in
pratica il mittente invia il frame nella LAN senza alcun handshake iniziale,
questo frame viene inviato in modalità broadcast (o a bus condiviso) e
attraversa tutta la LAN.
Quando viene ricevuto da tutti gli adattatori
presenti sulla LAN, quello che vi riconoscerà il suo indirizzo di destinazione
lo recepirà, mentre tutti gli altri lo scarteranno.
Il frame ricevuto può
contenere errori, la maggior parte dei quali sono verificabili dal controllo
CRC noto anche come polynomial code.
I polynomial code sono basati
sull'idea di considerare le stringhe di bit come rappresentazioni di polinomi
a coefficienti 0 e 1 (un numero ad m bit corrisponde ad un polinomio di
grado m-1). Ad esempio, la stringa di bit 1101 corrisponde al polinomio x3
45
+ x2 + x0. L'aritmetica polinomiale è fatta modulo 2, secondo le regole della
teoria algebrica dei campi.
In particolare: addizione e sottrazione sono
equivalenti all'or esclusivo (non c'è riporto o prestito); e la divisione è come
in binario, calcolata attraverso la sottrazione modulo 2. Il mittente ed il
destinatario si mettono d'accordo su un polinomio generatore G(x), che
deve avere il bit più significativo e quello meno significativo entrambi uguali
ad 1. Supponiamo che G(x) abbia r bit. Il frame M(x), del quale si vuole
calcolare il checksum, deve essere più lungo di G(x).
abbia m bit, con m > r.
Supponiamo che
L'idea è di appendere in coda al frame un
checksum tale che il polinomio corrispondente (che ha grado m + r -1) sia
divisibile per G(x). Quando il ricevitore riceve il frame più il checksum,
divide il tutto per G(x). Se il risultato è zero è tutto OK, altrimenti c'è stato
un errore.
Un frame che non supera il controllo CRC, viene scartato.
Ethernet non prevede la ritrasmissione del frame scartato, né una notifica
della sua perdita agli strati superiori. Ethernet non è quindi affidabile, ma
anche semplice ed economica.
Sarà compito degli strati superiori (ad
esempio TCP) provvedere alla ritrasmissione. La gestione delle collisioni e
dell'occupazione simultanea del canale di trasmissione viene gestita
mediante il CSMA/CD. CSMA/CD che è l'acronimo inglese di Carrier Sense
Multiple Access with Collision Detection, ovvero accesso multiplo tramite
rilevamento della portate e con rilevamento delle collisioni. È un'evoluzione
del protocollo MAC del CSMA ed è nato per la risoluzione del conflitti di
trasmissione dovuti al CSMA puro. L'algoritmo è il seguente: l'adattatore
sistema il frame in un buffer; se il canale è inattivo si procede alla
trasmissione, se è occupato attende prima di ritrasmettere; mentre si
trasmette l'adattatore monitora la rete (è questo il vero e proprio Collision
Detection), se non riceve segnali da altri adattatori considera il frame
spedito. Tale segnale si ricava confrontandolo con quello che trasmette: se
i due differiscono è avvenuta una collisione, quindi va interrotta la
trasmissione. Se l'adattatore riceve, durante una trasmissione, un segnale
da un altro adattatore, arresta la trasmissione e trasmette un segnale di
46
disturbo (jam). Dopo aver abortito la trasmissione attende in maniera
esponenziale
(backoff
esponenziale)
in
questo
modo:
gli
adattatori
aspettano un tempo casuale entro un valore massimo d (il protocollo che
usa il CSMA/CD fissa tale valore). Se viene generata nuovamente una
collisione il valore d viene raddoppiato, così fino a che questo è
sufficientemente grande. Questa tecnica viene chiamata recessione binaria
esponenziale. Avviene perché se altri adattatori sono contemporaneamente
in attesa, tutti simultaneamente tenteranno di trasmettere provocando
altre collisioni.
Il segnale di disturbo viene inviato per avvertire tutti gli
adattatori che è avvenuta una collisione. Anche da questo punto di vista
ciò permette all'Ethernet, in certe condizioni, di avere un'efficienza di
trasmissione del 100%.
L'efficienza è vista come la frazione di tempo a
lungo termine durante la quale sono trasmessi frame senza collisioni con
altri mittenti. Nei sistemi Ethernet recenti, il problema non si presenta in
quanto con gli switch e la crescita della capacità (vedi Gigabit Ethernet) si
eliminano le collisioni e si rende molto più improbabile la congestione.
Ethernet con ripetitori e hub
Ethernet tende a crescere ma il cavo Ethernet ha una capacità limitata sia
in lunghezza (100 mt.) sia in capacità di traffico, per cui le LAN di grosse
dimensioni vengono suddivise in reti più ridotte interconnesse tra loro da
particolari nodi tra i quali possiamo trovare dei ripetitori, degli hub o
elementi più sofisticati come bridge o switch. Il ripetitore semplicemente
replica il segnale ricevuto. Il cavo Ethernet può quindi assumere lunghezze
molto maggiori alle sue capacità. L'unico vincolo è che tra due computer ci
devono
essere
al
massimo
due
ripetitori
per
salvaguardare
la
temporizzazione di CSMA/CD. Il bridge è un elemento di interconnessione
più sofisticato dell'hub perché opera sui pacchetti e non sui segnali
elettrici. Con questo sistema si possono creare segmenti di LAN
47
indipendenti in cui le collisioni e i ritardi restano limitati. Molti bridge sono
adattativi o ad apprendimento per cui sono provvisti di un software con
elenchi di indirizzi per ogni scheda ethernet che posseggono.
In questo
modo quando arriva un pacchetto, estrapolano l'indirizzo di destinazione, e
inviano lo stesso pacchetto nel segmento giusto in base agli elenchi
associati alle schede.
Molto più sofisticati sono gli switch che sono
composti da un numero elevato di schede ethernet che consente ad ogni
host di essere connesso direttamente.
Allo switch vengono poi collegati
uno o più cavi Ethernet ad alta velocità che collegano altri segmenti di LAN.
In questo modo lo switch intercetta i pacchetti e li ridireziona ad un host
oppure sui segmenti Ethernet. La gestione dei pacchetti, quindi, è
ottimizzata perché questi sono subito indirizzati alla destinazione evitando,
per quanto possibile, collisioni.
In questo modo ogni scheda ha un suo
dominio di collisione.
Uno standard diffusissimo per le reti “corte”: seriale o RS-232
EIA RS-232 equivalente allo standard Europeo CCITT V21/V24, è uno
standard che definisce una interfaccia seriale a bassa velocità per lo
scambio di dati tra dispositivi digitali. Stendendo un cavo fisico tra due
apparecchiature elettroniche dotate di una porta RS-232 (tra cui i PC) è
possibile realizzare una comunicazione tra di loro
48
FIGURA 1.24 : Retro di un PC con due porte RS-232 (i due connettori maschio in basso)
Utilizzi
Lo standard EIA RS-232 nacque nei primi anni '60 per opera della
"Electronic Industries Association" ed era orientato alla comunicazione tra i
mainframe e i terminali attraverso la linea telefonica, utilizzando un
modem. Oggi la porta seriale EIA RS-232 è presente in quasi tutti i PC
desktop, anche se è stata soppiantata dall'interfaccia USB (o da PS/2) in
quasi tutti gli utilizzi. La gran parte dei PC portatili invece non viene ormai
più dotata di questa interfaccia.
possono
citare:
connessione
Tra gli utilizzi della porta seriale, si
di
terminali
ad
un
calcolatore
(tradizionalmente un mainframe, ma anche un PC); connessione di
periferiche: la porta seriale è stata usata per collegare i mouse ai primi PC,
stampante (soppiantato dalla porta parallela, e poi da USB e dalle
stampanti di rete) dispositivi specializzati, come ad esempio lettori di codici
a barre e di tessere magnetiche (soppiantato da USB), ancora tutt’oggi in
uso collegare a un PLC ad un singolo PC od altri, connessione a dispositivi
embedded, ad esempio Dispositivi di rete, per scopi di configurazione e
monitoraggio.
In questo utilizzo RS-232 è ancora ampiamente usato,
anche se spesso è necessario dotarsi di un adattatore seriale/USB per
utilizzare come terminale un computer privo di porta seriale.
49
Storia dello standard
L'interfaccia seriale EIA RS-232 è uno standard costituito da una serie di
protocolli meccanici, elettrici ed informatici che rendono possibile lo
scambio di informazioni a bassa velocità tra dispositivi digitali. Esso
includeva
le
caratteristiche
elettriche
dei
segnali,
la
struttura
e
temporizzazioni dei dati seriali, la definizione dei segnali e dei protocolli per
il controllo del flusso di dati seriali su un canale telefonico, il connettore e
la disposizione dei suoi pin ed infine il tipo e la lunghezza massima dei
possibili cavi di collegamento. Nel corso di questi oltre 40 anni lo standard
si è evoluto pur mantenendosi in larga parte invariato. L'evoluzione è
riconoscibile dalla sigla, leggendo l'ultima lettera; l'ultima revisione è del
1997 ed è indicata come EIA RS-232f. Probabilmente la versione più
diffusa è la RS232c, del 1969, corrisponde alle specifiche europee CCITT
raccomandazione V.24. Pur essendo un protocollo piuttosto vecchio,
attualmente la EIA RS-232 è ancora largamente utilizzata per la
comunicazione a bassa velocità tra microcontrollori, dispositivi industriali
ed altri circuiti relativamente semplici che non necessitano di particolare
velocità; è invece praticamente scomparsa in ambito "desktop", ambito nel
quale lo standard è nato per la comunicazione tra un computer ed un
modem. Le informazioni raccolte, relative principalmente al livello elettrico,
sono
state
codificate
inizialmente
dallo
standard
EIA/TIA-232-E
e
successivamente modificate in alcuni dettagli secondari dallo standard
EIA/TIA-562.
Definizione
Seriale significa che i bit che costituiscono l’informazione sono trasmessi
uno alla volta su di un solo "filo". Questo termine è in genere contrapposto
a "parallelo": in questo caso i dati sono trasmessi contemporaneamente su
50
più fili, per esempio 8, 16 o 32. Parlando astrattamente si potrebbe pensare
che la trasmissione seriale sia intrinsecamente più lenta di quella parallela
(su di un filo possono passare meno informazioni che su 16). In realtà
questo non è vero in assoluto, soprattutto a causa della difficoltà di
controllare lo skew (disallineamento temporale tra i vari segnali) dei molti
trasmettitori in un bus parallelo, e dipende dalle tecnologie adottate: per
esempio in una fibra ottica, in un cavo ethernet, USB o FireWire (tutti
standard seriali) le informazioni transitano ad una velocità paragonabile a
quella di un bus PCI a 32 fili.
In questo capitolo si tratterà
solo di
interfacce seriali "lente" cioè gestibili da PC e microcontrollori "normali".
Asincrono significa, in questo contesto, che i dati sono trasmessi, byte per
byte, in modo anche non consecutivo e senza l'aggiunta di un segnale di
clock, cioè di un segnale comune che permette di sincronizzare la
trasmissione con la ricezione; ovviamente sia il trasmettitore che il
ricevitore devono comunque essere dotati di un clock locale per poter
interpretare i dati. La sincronizzazione dei due clock è necessaria ed è fatta
in corrispondenza della prima transizione sulla linea dei dati.
Le unità di misura
Le unità di misura della velocità di trasmissione sono essenzialmente due:
il baud ed il bit per secondo (bps o, meno spesso, b/s), spesso trattate
erroneamente come sinonimi. Il baud rate indica il numero di transizioni al
secondo che avvengono sulla linea; il bps indica, come dice il nome, quanti
bit al secondo sono trasmessi lungo la linea.
Nel caso di trasmissione
binaria (cioè è presente un livello alto ed uno basso) le due cose ovviamente
coincidono numericamente, da cui la parziale equivalenza dei due termini.
Nel caso di trasmissioni a più livelli, invece, è possibile trasmettere con una
sola transizione più bit: se per esempio posso trasmettere otto diversi valori
di tensione tra 0 ed 7 volt, con un solo valore di tensione invio tre bit (0 V =
51
000, 1 V = 001, 2 V = 010…) ed in questo caso una trasmissione a 1000
baud equivale ad una a 3000 bps. Nel caso dello standard EIA RS-232 i
livelli utilizzati sono due quindi il baud rate coincide numericamente con il
bps.
Come è fatto un segnale EIA RS-232
Figura 1.25:Segnale della porta RS232
Il modo più semplice per descrivere un segnale EIA RS-232 è partire con un
esempio.
Nell’immagine è visualizzato, in modo idealizzato, cosa appare
collegando un oscilloscopio ad un filo su cui transita un segnale EIA RS232 a 9600 bps del tipo 8n2 (in seguito verrà indicato il significato di
questa sigla ) rappresentante il valore binario 01001011. L’ampiezza del
segnale è caratterizzata da un valore "alto" pari a circa +12 V ed un valore
"basso" pari a –12 V. Da notare che, nello standard EIA RS-232 un segnale
alto rappresenta lo zero logico ed uno basso un uno, è quindi una codifica
a logica negativa, ossia rovesciata rispetto al comune pensare. A volte un
segnale alto (+12 V, cioè uno zero logico) è indicato come space ed uno
basso (-12 V, uno logico) come mark. Tutte le transizioni appaiono in
corrispondenza di multipli di 104us (pari ad 1/9600 cioè ciascun bit dura
esattamente l'inverso del baud rate). La linea si trova inizialmente nello
stato di riposo, alta (nessun dato in transito); la prima transizione da alto a
basso indica l’inizio della trasmissione (inizia il "bit di start", lungo
52
esattamente 104us). Segue il bit meno significativo (LSB), dopo altri 104
uS il secondo bit, e così via, per otto volte, fino al bit più significativo
(MSB). Da notare che il byte è trasmesso "al contrario", cioè va letto da
destra verso sinistra.
Segue infine un periodo di riposo della linea di
almeno 208us, cioè due bit di stop e quindi (eventualmente) inizia un
nuovo pacchetto di bit. Esistono diversi tipi di codifiche e metodi per capire
quando e dove una serie di dati termina, qui in seguito verranno mostrati e
proposti i principali. Se la trasmissione è più veloce o più lenta, la distanza
tra i fronti varia di conseguenza (p.e. a 1200 bps le transizioni avvengono a
multipli di 0,833 ms, pari a 1/1200) invece di trasmettere 8 bit, ne posso
trasmettere 5, 6, 7 o anche 9 (ma quest’ultima possibilità non è prevista
dalle porte seriali dei normali PC). Al termine è possibile aggiungere un bit
di parità. Alla fine la linea rimane nello stato di riposo per almeno 1, 1.5 o
2 bit; se non si ha più nulla da trasmettere, il "riposo" è molto più lungo,
ovviamente. Molti sistemi non possono utilizzare 1.5 bit di stop che
venivano usati dalle telescriventi a 110 baud di velocità perché permetteva
il CR/LF (ritorno carrello/salto linea). In genere, nei personal computer, il
formato del pacchetto ricetrasmesso è indicato da una sigla composta da
numeri e cifre, per esempio 8n1 e 7e2: la prima cifra indica quanti bit di
dati sono trasmessi (nei due esempi rispettivamente 8 e 7). La prima lettera
segna il tipo di parità (rispettivamente nessuna ed even-parity, cioè parità
pari). La seconda cifra il numero di bit di stop (rispettivamente 1 e 2).
Tenendo conto che esiste sempre un solo bit di start, un singolo blocco di
bit è quindi, per i due esempi riportati, costituito rispettivamente da 10
(1+8+0+1) e 11 (1+7+1+2) bit.
Da notare che di questi bit solo 8 e,
rispettivamente, 7 sono effettivamente utili. Lo standard originale prevede
una velocità da 75 baud a 19200 baud. Uno standard successivo (RS-562)
ha portato il limite a 64 Kbps lasciando gli altri parametri elettrici
praticamente invariati e rendendo quindi i due standard compatibili a
bassa velocità. Nei normali PC le cosiddette interfacce seriali RS-232
arrivano in genere almeno a 115 Kbps o anche più: pur essendo
53
formalmente al di fuori di ogni standard ufficiale non si hanno particolari
problemi di interconnessione. Ovviamente sia trasmettitore che ricevitore
devono accordarsi sul modo di trasmettere i dati prima di iniziare la
trasmissione. È importante garantire il rigoroso rispetto della durata dei
singoli bit: infatti non è presente alcun segnale di clock comune a
trasmettitore e ricevitore e l'unico elemento di sincronizzazione è dato dal
fronte di discesa del bit di start. Come linea guida occorre considerare che
il campionamento in ricezione è effettuato di norma al centro di ciascun bit:
l'errore massimo ammesso è quindi, teoricamente, pari alla durata di
mezzo bit (circa il 5% della frequenza di clock, considerando che anche il
decimo bit deve essere correttamente sincronizzato). Naturalmente questo
limite non tiene conto della possibile difficoltà di riconoscere con precisione
il fronte del bit di start (soprattutto su grandi distanze ed in ambiente
rumoroso) e della presenza di interferenze intersimboliche tra bit adiacenti:
per questo spesso è consigliabile usare un clock con una precisione
migliore dell'1% imponendo di fatto l'uso di oscillatori a quarzo.
Si
potrebbe anche ipotizzare un meccanismo che tenta di estrarre il clock dai
fronti intermedi, ma si tratta nel caso specifico di un lavoro poco utile, visto
che la lunghezza del pacchetto è piuttosto breve.
Il bit di parità
Oltre ai bit dei dati (in numero variabile tra 5 e 9) viene inserito un bit di
parità (opzionale) per verificare la correttezza del dato ricevuto. Di questo
particolare ma importante bit ne esistono 5 importanti versioni:
• None: nessun tipo di parità, cioè nessun bit aggiunto;
• Pari (even): il numero di mark (incluso il bit di parità) è sempre pari;
• Dispari (odd): il numero di mark (incluso il bit di parità) è sempre
dispari;
54
• Mark: il bit di parità vale sempre mark;
• Space: il bit di parità vale sempre space;
Il bit di parità può essere LRC o VRC , cioè la funzione di parità, un XOR di
bit a bit della stringa dati incluso il bit di parità stesso, può essere eseguita
sia lateralmente che verticalmente sui dati inviati, ottenendo una stringa
dati di parità finale con il relativo bit di parità : il LRC di tale stringa dati di
controllo deve combinarsi secondo le parità precedentemente eseguite
verticalmente che sul blocco VRC-dati creato.
I SISTEMI PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Architetture tipiche dei sistemi
In questa sezione verrà effettuata un’analisi inerente le architetture tipiche
dei sistemi in ambito industriale. Non esiste un modello unico e standard,
perchè le applicazioni e le necessità di ogni azienda sono svariate e
molteplici, tutte però si appoggiano ad uno schema logico chiamato CIM
(Computer Integrated Manifacturing) come impiego articolato e cooperante
della tecnologia informatica nei processi di
progettazione, produzione,
distribuzione volto comunque continuamente ad acquisire un durevole
vantaggio competitivo. La grossa fetta di mercato dove questa tecnologia
può essere applicata riguarda tutte le funzioni dell’impresa che possono
essere assistite dall’elaboratore o
automatizzate e quindi eseguite e
controllate dalle macchine con un alto livello di integrazione. Di seguito
viene riportata una rappresentazione grafica che mostra i vari livelli di
questo semplice e snello schema logico.
55
Figura 2-1: schema logico architettura CIM
56
La piramide CIM
Gestione
Azienda
Livello 4 :
Gestione Stabilimento
Livello 3 :Supervisione Integrata
Livello 2 :Supervisione di Cella (Cell Area)
Livello 1: Sistemi di Controllo (Field Area)
Livello 0 : Piano di Officina (Sensor/Actuator )
Figura 2-2 : piramide Cim
Descrizione dei livelli
Livello 0: sensori, attuatori, tools legati al processo esecutivo
E’ costituito dall’insieme dei sensori e degli attuatori, ossia dai dispositivi di
campo che vengono interfacciati direttamente all’impianto industriale
costituendo la sezione di ingresso – uscita del sistema di controllo. La
funzione del livello 0 è quella di riportare al livello sovrastante le misure di
processo e di attuare i comandi ricevuti da esso. Il livello di intelligenza
richiesto ai dispositivi di campo è limitata, dovendo essi soltanto tradurre
grandezze fisiche di varia natura (es. temperatura, pressione, tensione,
ecc.) a segnali tipicamente di tipo elettrico (corrente e tensione) e viceversa.
57
E’ bene notare come sia crescente la tendenza di dotare sensori ed attuatori
di intelligenza dedicata anche alla gestione di una interfaccia di
comunicazione digitale e seriale.
Livello 1: Controllo di macchina
Sistemi industriali che comandano direttamente i processi al livello 0
(comando individuale delle macchine e del processo o
controllo di
macchina). E’ costituito dai controllori, solitamente di tipo automatico o
semiautomatico, interfacciati con i sensori e gli attuatori dei dispostivi
meccanici facenti parte di una stessa unità operatrice. Le apparecchiature
del livello 1 sono i controllori a logica programmabile (PLC, ecc ), semplici
sistemi di controllo distribuito (DCS, Distributed Control System), centri di
lavorazione a controllo numerico (CNC, Computer Numeric Controller). Le
funzioni cui il controllo di macchina è preposto sono la regolazione diretta
delle variabili e la realizzazione sequenziale di operazioni; tali operazioni
non sono in genere molto complesse, ma devono essere coordinate con
quelle fatte eseguire alle altre macchine attraverso l’operato del livello
superiore.
Livello 2: Controllo di cella
Workshop computer (comando centralizzato delle macchine e del processo
o controllo di cella).
I controllori costituenti questo livello regolano il
funzionamento di tutte le macchine operatrici costituenti una cella di
lavoro attraverso la comunicazione con i relativi controllori; le operazioni
svolte a questo livello sono analoghe a quelle del livello 1 risultando
soltanto più complesse e a maggior spettro in varietà e dimensioni. In modo
analogo i controllori PLC e DCS del livello 2 sono più potenti in termini di
capacità elaborativa, memoria, comunicazione, ecc…. Crescente interesse,
58
soprattutto dal punto di vista economico, rivestono le moderne soluzioni di
automazione basate su Personal Computer (PC).
Livello 3: Controllo di area
High performance computer per il management e la supervisione delle
unità di processo (gestione della produzione o controllo di area).
E’ costituito dal sistema di supervisione, controllo e acquisizione dati
(SCADA); le apparecchiature su cui sono implementate le piattaforme
software sono tipicamente Work Station o PC nelle applicazioni più
semplici.
dell’intero
Le funzioni svolte a livello 3 sono quelle legate alla gestione
processo
controllato:
gestione
operativa
intesa
come
impostazione del lotto da produrre o dei cicli di lavorazione, gestione delle
situazioni di allarme, analisi dei risultati, ecc….Il controllo di area differisce
sostanzialmente da quello di macchina e di cella, in quanto i requisiti di
elaborazione real-time sono fortemente ridotti; le funzioni infatti che devono
essere svolte a questo livello sono fortemente dipendenti dall’operatore
eventualmente coadiuvato da sistemi automatici di tipo gestionale che però
lavorano su orizzonti temporali e con obiettivi completamente differenti.
Restano invece molto importanti i tempi di risposta dell’intero sistema per
quanto concerne la rilevazione e segnalazione di eventuali situazioni di
allarme in cui l’operatore può e deve essere in grado di prendere
provvedimenti.
Livello 4: mainframe per il governo del management, gestione
commesse e amministrazione centrale delle attività di fabbrica
(pianificazione della gestione globale).
Questo ultimo ed importante livello mostra i veri risultati del lavoro svolto
dai livelli sottostanti lavorando e trattando dati non solo grezzi e a volte
privi di significato ma dati elaborati e molto complessi i quali possono
essere utilizzati in tutti i modi possibili a partire dal semplice calcolo
59
statistico di errori di produzione e di conseguenza ha una maggior resa dal
punto di vista sia produttivo che dal punto di vista di costi a grosse
indagini di mercato e altro ancora.
Come accennato sopra,
sposando questa causa, si ottengono ottimi
risultati e vantaggi tra i quali:
• ottimizzazione e pianificazione dei processi produttivi
• migliore utilizzo delle risorse
• riduzione del tempo di produzione
• semplificazione dell'installazione e manutenzione ad esempio
taratura a distanza e rilevamento guasti massima flessibilità di
produzione
• riconfigurazione del sistema a nuove lavorazioni in tempi brevi
• miglioramento del controllo della qualità
•
controllo di ogni singolo prodotto invece che solo alcuni
campioni
Lo Scada e le sue caratteristiche
La definizione comunemente utilizzata per l’identificazione di sistemi
SCADA corrisponde al significato esteso dell’acronimo e rappresenta senza
dubbio il mezzo più semplice per introdurre il modello rappresentato da
questo tipo di sistemi. L’acronimo SCADA sta per Supervisory Control And
Data Acquisition ed è nient’altro che l’enumerazione delle tre funzionalità
principali realizzate dai sistemi: supervisione, controllo e acquisizione dati.
In realtà
la versione estesa dell’acronimo SCADA non è una definizione
poiché in nessun modo permette di discriminare quelli che effettivamente
vengono considerati sistemi SCADA da una gran quantità di sistemi o
semplicemente di dispositivi più o meno complessi che svolgono le tre
funzioni o parte di esse.
Ciò che manca all’acronimo per essere una
definizione compiuta è la descrizione del modo in cui questo tipo di
60
sistema espleta le proprie funzioni e il campo di applicazione. Utilizzando il
linguaggio della matematica possiamo dire che i sistemi SCADA sono
insiemi di funzioni dei quali si usa dare una definizione enumerando le
funzioni dell’insieme senza che queste siano qualificate in termini di
dominio e codominio (determinati dalle caratteristiche del campo di
applicazione) e in termini di proprietà delle funzioni, è
come se la
trigonometria potesse essere definita come Seno Coseno Tangente e
Cotangente
senza
la
definizione
delle
caratteristiche
di
continuità,
periodicità e quant’altro necessario a giustificare l’esistenza stessa del
termine “trigonometria” e del metodo di calcolo che questa rappresenta.
Così come in matematica lo studio di un insieme di funzioni come “caso
particolare” serve a estendere la comprensione del problema ma non la
conoscenza, nel caso dei sistemi di controllo la distinzione tra sistemi
SCADA e altri sistemi affini serve a comprendere meglio il ruolo che è stato
attribuito loro dall’applicazione che hanno avuto per la risoluzione di
problemi di controllo. Le parte seguente mostra una breve descrizione delle
funzioni svolte da un sistema SCADA e le differenze che possono essere
individuate nel confronto tra questo tipo di sistemi e un altro tipo, affine al
primo,
anch’esso
destinato
a
realizzare
funzioni
di
controllo
e
comunemente indicato con l’acronimo DCS (Distributed Control System).
61
Figura 2.3 : Schema logico SCADA
Acquisizione dati
L’acquisizione dati è una funzione che nella maggior parte dei casi ha un
ruolo di supporto alle funzioni di supervisione e controllo poiché mette in
relazione il sistema con il processo controllato consentendo la conoscenza
dello stato in cui si trova il processo e l’azione di controllo esercitata per
mezzo della variazione di parametri caratteristici del processo. In questo
senso “acquisizione dati” significa in realtà scambio dati in entrambe le
direzioni: dal processo verso il sistema e viceversa.
In alcuni sistemi
classificati come sistemi SCADA l’acquisizione è la funzione principale
svolta dal sistema; questo è il caso in cui non ci sono procedure di controllo
implementate dal sistema e la fase di supervisione può essere realizzata
sporadicamente o come analisi a posteriori degli stati acquisiti dal
processo.
Esempio di questo tipo di casi è un qualsiasi sistema di
telerilevamento nel quale il primo obiettivo è la raccolta e l’organizzazione
dei dati sui quali possono essere condotte analisi non necessariamente
predefinite. L’acquisizione dati entra nella definizione di sistema SCADA
per il fatto che non è possibile espletare funzioni di supervisione senza
62
acquisire informazioni sullo stato in cui si trova il processo osservato così
come non è possibile orientarne il comportamento, cioè controllarlo, senza
avere la possibilità di influenzare lo stato cambiando il valore di parametri
che lo caratterizzano. La funzione di acquisizione dati di un sistema SCADA
è considerata generalmente una funzione di scambio puro e semplice di
informazioni tra la parte di sistema che realizza supervisione e controllo e
processo
controllato,
cioè
si
considera
assente
qualsiasi
processo
decisionale interposto tra le strutture di supervisione e controllo e il
processo controllato. Nei casi in cui questa condizione viene a mancare si
ha a che fare con sistemi che realizzano qualcosa di diverso rispetto a
quanto viene fatto da un sistema SCADA inteso in senso classico, si hanno
cioè strutture a intelligenza distribuita. Uno dei motivi per il quali esiste
questa distinzione consiste nel fatto che la distribuzione della capacità di
elaborazione si rende necessaria solitamente nei casi in cui il processo
controllato ha dimensioni geograficamente rilevanti, tali da ostacolare la
realizzazione di un sistema di elaborazione concentrato e collocato a
ridosso del processo.
Supervisione
La supervisione è l’attività per mezzo della quale un sistema SCADA rende
possibile l’osservazione dello stato e dell’evoluzione degli stati di un
processo
controllato.
Con
tale
funzionalità
prendono
corpo:
la
visualizzazione delle informazioni relative allo stato attuale del processo, la
gestione delle informazioni storiche, la gestione degli stati che costituiscono
eccezioni rispetto alla normale evoluzione del processo controllato.
La funzione di supervisione costituisce un fine per qualsiasi sistema
SCADA.
Questa funzione è determinante nella caratterizzazione di un
sistema nel senso che un sistema che non permetta di accedere alle
63
informazioni di stato corrente e/o storiche del processo osservato e/o
controllato non può essere definito come sistema SCADA.
Controllo
La funzione di controllo rappresenta la capacità di un sistema di prendere
decisioni relative all’evoluzione dello stato del processo controllato in
funzione dell’evoluzione del processo medesimo. La modalità con la quale
le
procedure
di
controllo
vengono
realizzate
nell’ambito
dell’intera
architettura del sistema dipende fortemente dal tipo di processo, essendo
questo in grado di imporre scelte architetturali sia hardware che software.
In questo senso i sistemi SCADA sono comunemente intesi come sistemi
che hanno la funzione di acquisizione dati nell’intera catena di acquisizione
che dai sensori al sistema di elaborazione e archiviazione veicola
informazioni che sono i dati grezzi prelevati come valori di parametri di
stato del processo. L’esercizio di controllo é quindi concentrato nel sistema
di elaborazione il quale, una volta eseguite opportune procedure di
elaborazione, sfrutta il sistema di acquisizione dati in senso inverso per
cambiare il valore di opportuni parametri di stato del processo controllato.
La varietà dei processi controllati da sistemi classificati come sistemi
SCADA si manifesta in notevoli differenze tra le diverse realizzazioni
La
qualità dello sviluppo di sistemi di controllo dipendente in ugual misura
dalla capacità di realizzazione di sistemi tecnologici e dall’efficacia
dell’analisi del processo da controllare.
Quest’ultima impone vincoli
significativi nella realizzazione di sistemi di controllo rendendo quest’ultimo
un processo, che di volta in volta, richiede tecniche di sviluppo adeguate
difficilmente riconducibili a modelli convenzionali.
L’analisi del processo
controllato produce informazioni che influenzano le scelte progettuali sia
dal punto di vista tecnologico che organizzativo ed è norma aurea anteporre
l’approfondimento della conoscenza del processo alla definizione delle
64
caratteristiche del sistema destinato a controllarlo.
Nel seguito sono
presentati alcuni elementi classici di indagine per la determinazione delle
caratteristiche fondamentali del sistema di controllo. La qualificazione del
processo rispetto a questi elementi permette di individuare vincoli nella
definizione delle specifiche tecniche,funzionali, organizzative che nella
maggior parte dei casi si traducono negli elementi distintivi del sistema
realizzato rispetto a tutti gli altri.
⇒ Realtime: il termine realtime si riferisce alla capacità del
sistema di reagire alle sollecitazioni del processo con ritardi
trascurabili rispetto alla dinamica evolutiva del processo
medesimo. Allo stesso tempo la reazione del sistema deve essere
caratterizzata da tempi di elaborazione compatibili con quelli
imposti dagli obiettivi del controllo. Le funzioni svolte da un
sistema di controllo sono tali da rendere questa capacità di
reazione un requisito solitamente irrinunciabile mentre altri
elementi di complessità del sistema e del processo controllato
⇒ Alta affidabilità: una qualità della quale i sistemi di controllo
non possono fare a meno è l’affidabilità intesa secondo il
significato dato nel gergo tecnologico anglosassone al termine
reliability. Un sistema di controllo è un mosaico di componenti
ognuno
dei
quali
caratterizzato
da
un
determinato,
o
determinabile, grado di affidabilità, cioè da un valore di
probabilità di malfunzionamento espresso come percentuale del
tempo
di
esercizio
realizzazione
considerazione
di
un
del
componente
sistema
l’affidabilità
dei
è
medesimo.
necessario
singoli
Nella
tenere
componenti
in
per
provvedere alla eventuale implementazione di contromisure
destinate a contenere l’influenza che un dato sottosistema ha
sull’affidabilità dell’architettura complessiva.
65
⇒ Alta disponibilità: la disponibilità è la percentuale di tempo per
la quale deve essere assicurato lo stato di esercizio del sistema,
cioè il valore complementare della percentuale di tempo in cui il
sistema
è
in
stato
di
fermo
manutenzioni,aggiornamenti o
a
causa
di
guasti,
altro. La disponibilità può
essere riferita all’intero sistema o a parti critiche dello stesso e,
come le altre, è una caratteristica che si esprime in vincoli che
differiscono in funzione del tipo di processo da controllare. Un
processo può avere esigenze stringenti di disponibilità
per
motivi di sicurezza (si pensi ai sistemi di controllo di processi
produttivi tipici dell’industria chimica nei quali l’indisponibilità
del sistema di controllo può pregiudicare l’attività del processo
di
produzione
lasciandolo
in
stati
potenzialmente
molto
pericolosi per la sicurezza delle strutture e l’incolumità degli
operatori) o di continuità del servizio (questo è il caso dei
sistemi di gestione del traffico). In altri casi la disponibilità è
un’esigenza di secondo piano rispetto ad altre caratteristiche
anche se i vincoli che essa produce sono comunque stringenti.
⇒ Grado d’interazione uomo-macchina: la realizzazione delle
funzioni di un sistema di supervisione e controllo comporta
sempre
la
realizzazione
dell’interazione
denominati
tra
gli
interfacce
di
operatori
sottosistemi
e
il
uomo-macchina
sistema
(in
responsabili
medesimo
inglese
si
usa
l’acronimo HMI di human-machine interface). La complessità
dello sviluppo è in
funzione del tipo di interazione richiesta
mentre quest’ultima dipende dalle caratteristiche del processo
controllato. L’interfaccia uomo-macchina può realizzare molti
gradi di interazione comprendendo funzionalità di semplice
osservazione dello stato di esercizio del sistema, nel caso di
sistemi che realizzano procedure completamente automatizzate,
66
o funzionalità responsabili della esecuzione di procedure
manuali gestite dagli operatori. In casi analoghi a quello dei
sistemi di telerilevamento ambientale le procedure automatiche
sono responsabili dell’acquisizione dei dati e di un’eventuale
primo trattamento degli stessi (un esempio è dato dalle
procedure di validazione) mentre l’interfaccia uomo-macchina
rende disponibili funzionalità per tipi di analisi dell’informazione
altrimenti non realizzabili. In altri casi, cioè in quelli che
prevedono forme di controllo oltre che di supervisione, risulta
fondamentale la realizzazione di interfacce di facile utilizzo e di
funzionalità accessorie necessarie alla comprensione dello stato
di esercizio del sistema comprendenti la gestione della notifica
degli allarmi e la visualizzazione di grafici relativi alle grandezze
più rappresentative.
Il Plc e le sue caratteristiche
Il controllore logico programmabile o programmable logic controller (PLC) è
un computer industriale specializzato in origine nella gestione dei processi
industriali. Il PLC esegue un programma ed elabora i segnali digitali ed
analogici provenienti da sensori e diretti agli attuatori Un attuatore è un
meccanismo attraverso cui un agente (per esempio l'unità di controllo
elettronico, come può essere la centralina automobilistica) agisce su un
ambiente, inoltre l'agente può essere o un agente intelligente artificiale o un
qualsiasi altro essere autonomo (umano, animale). In senso lato, un
attuatore è talvolta definito come un qualsiasi dispositivo che converte
dell'energia da una forma ad un'altra, in modo che questa agisca
nell'ambiente fisico al posto dell'uomo. Anche un meccanismo che mette
qualcosa in azione automaticamente è detto attuatore.
Gli attuatori
presenti in un impianto industriale, nel tempo, con la progressiva
67
miniaturizzazione della componentistica elettronica e la diminuzione dei
costi, sono entrati anche nell'uso domestico. Si porta in proposito come
esempio l'installazione di un PLC nel quadro elettrico di un'abitazione, a
valle degli interruttori magnetotermico e differenziale (salvavita), esso
permette la gestione automatica dei molteplici sistemi e impianti installati
nella casa: impianto di riscaldamento, antifurto, irrigazione, LAN, luci,
ecc.... Un PLC è un oggetto hardware componibile.
La caratteristica
principale è la sua robustezza estrema, infatti normalmente il PLC è posto
in quadri elettrici in ambienti rumorosi, con molte interferenze elettriche,
con temperature elevate o con grande umidità.
In certi casi il PLC è in
funzione 24 ore su 24, per 365 giorni all'anno, su impianti che non
possono fermarsi mai. La struttura del PLC viene adattata in base al
processo da automatizzare. Durante la progettazione del sistema di
controllo, vengono scelte le schede adatte alle grandezze elettriche in gioco.
Funzionamento
La prima cosa che il PLC compie è la lettura degli ingressi e con questo si
intende tutti quelli digitali che analogici, on board o su bus di campo
(schede remote collegate al PLC o con una rete di comunicazione). Lo stato
degli ingressi, una volta letto, viene memorizzato in una memoria che è
definita "Registro immagine degli ingressi". A questo punto le istruzioni di
comando vengono elaborate in sequenza dalla CPU e il risultato viene
memorizzato nel "Registro immagine delle uscite".
Infine, il contenuto
dell'immagine delle uscite viene scritto sulle uscite fisiche ovvero le uscite
vengono
attivate.
Poiché
l'elaborazione
delle
istruzioni
si
ripete
continuamente, si parla di elaborazione ciclica; il tempo che il controllore
impiega
per
una
singola
elaborazione
viene
detto
tempo
di ciclo
(solitamente pochi millisecondi).
68
Struttura del PLC
Un PLC è composto da un alimentatore, dalla CPU che in certi casi può
avere interna o esterna una memoria RAM o Flash o EPROM, da un certo
numero di schede di ingressi digitali e uscite digitali, e nel caso in cui sia
necessario gestire grandezze analogiche, il PLC può ospitare delle schede di
ingresso o di uscita sia analogiche che digitali. Il PLC normalmente opera
in rete con altri PLC, quindi sono necessarie delle schede di comunicazione
adatte al protocollo di rete già implementato sugli altri PLC. Nel caso di
operazioni di movimentazione, come nel campo della robotica, il PLC ospita
delle schede acquisizione controllo assi, cioè delle schede molto veloci e
sofisticate che permettono di gestire spostamenti e posizionamento.
Cpu
La CPU è il cervello del PLC.
E’ una scheda complessa basata su un
microprocessore con un sistema operativo proprietario, e con una zona di
memoria a disposizione del programma utente, cioè del programma di
automazione. La memoria utente è spesso esterna come ad esempio nel
caso di memoria EPROM. Il vantaggio di una memoria esterna è legata alla
semplicità di programmazione o di modifica del microcontrollori o
microprocessori. La CPU durante il funzionamento a regime, colloquia con
tutte le schede connesse sul BUS del PLC, trasferendo dati e comandi sia
verso il mondo esterno, sia dal mondo interno. Una delle caratteristiche
peculiari delle CPU dei PLC è la loro capacità di poter gestire le modifiche
del programma di gestione del processo durante il normale funzionamento.
Questa possibilità è estremamente utile nel caso di impianti che devono
essere sempre attivi. All'interno della CPU sono varie parti, tra cui:
69
•
unità di gestione, ovvero informazioni di gestione del PLC stesso,
impostate dal costruttore e trasparenti all'utente;
•
archivio di temporizzatori e contatori funzionali all'operatività del
PLC;
•
memorie immagine del processo, cioè le informazioni in ingresso ed i
comandi in uscita del processo;
•
memoria utente, in cui vengono scritti i programmi che il PLC deve
eseguire;
•
interfaccia per il dispositivo di programmazione, che comunica con gli
strumenti di programmazione;
•
bus dati, comando, indirizzi per la veicolazione dei dati fra le varie
parti e con l'esterno della CPU.
Schede di comunicazione
Il PLC durante il suo funzionamento può comunicare con computer, con
altri PLC oppure con altri dispositivi come le macchine CNC (i torni e/o le
frese a controllo numerico delle aziende). La comunicazione con computer e
altri dispositivi avviene tramite tipi di connessione standard come:
•
RS232 (quella utilizzata nel progetto attuato)
•
RS422/RS485
•
TCP/IP,UDP/IP
•
USB
La comunicazione con altri PLC avviene tramite protocolli standard, ad
esempio:
•
Profibus
•
DeviceNet
•
TCP/IP
•
Modbus (molto importante)
•
Fins, C-command
70
CANALI DI COMUNICAZIONE PER L’AUTOMAZIONE
Caratteristiche generali dei protocolli usati per l’automazione
I protocolli di comunicazione usati per l’automazione sono molto simili a
quelli
utilizzati
in
altri
ambiti,
ma
devono
accentuare
particolari
caratteristiche per far si che lo scopo per cui vengono creati sia raggiunto
nei migliori dei modi. Nel nostro studio ci siamo soffermati solo ad
analizzare particolari protocolli, in particolare quelli utilizzati per la
comunicazione tra Pc e Plc o tra vari Plc e precisamente su due protocolli,
proprietari di Omron, i C-Command e Fins. Sono stati incontrati, ma non
approfonditi, anche altri protocolli come ModBus, o alcuni proprietari di
Vago (altra nota marca di Plc) e Simens. Tutti soddisfano ed enfatizzano
caratteristiche comuni tra le quali:
Velocità ed immediatezza:
si vuole intendere che sono protocolli molto
snelli, veloci e di semplice utilizzo e che sono in grado di fornire funzioni
immediate senza la perdita di tempo in header e tail inutili.
Tali caratteristiche sono determinanti, in certi casi, soprattutto in catene di
montaggio
dove
la
sincronizzazione
di
apparati
meccanici
deve
assolutamente essere rispettata.
Robustezza:
in ogni istante e come spiegato prima si deve conoscere se il
pacchetto spedito é arrivato correttamente, se non è arrivato o se la
risposta contiene errori. Un altro punto riguardante la robustezza è che il
protocollo deve essere immune ai grandi disturbi elettromagnetici presenti
in una normale azienda dove viene installato. La schermatura dei cavi di
comunicazione costituisce senza dubbio la soluzione ottimale oltre al fatto
che il protocollo deve essere progettato in modo da capire in ogni istante se
durante la comunicazione ci sono stati eventuali errori.
71
Semplicità: questi protocolli non vengono utilizzati solo tra plc e pc ma
anche
tra
vari
plc,
per
cui
devono
essere
semplici
poiché
la
programmazione in questi apparati elettronici non è ancora cosi evoluta
come in quella dei pc. La semplicità, d’altra parte, non é sinonimo di facile
implementazione, infatti implementare questi protocolli su un normale
ambiente di sviluppo di pc comporta un’ottima conoscenza elettronica
riguardo alle varie conversioni. Ad esempio, per lavorare direttamente entro
il Plc, è necessario conoscere a fondo la conversione tra numeri in base
decimale in numeri in base esadecimale (la codifica che usano i Plc ), la
conversione in Bcd e la conversione in Big-endian
Sistemi seriali vs Sistemi ethernet
I principali protocolli utilizzati e progettati
dalla maggior parte dei
produttori e venditori di plc si basano su sistemi Ethernet o su sistemi
seriali. Esistono, però, alcune eccezioni nelle quali gli stessi sono
implementati tramite specifici mezzi trasmissivi o reti private, sui quali in
questa sede non ci soffermeremo, in quanto esula dall’argomento trattato.
Relativamente ai sistemi Ethernet e seriali è rilevante sottolineare che non
esiste un vero e proprio paragone tra i due mezzi trasmissivi. I sistemi
seriali sono ormai datati e progressivamente vengono sostituiti da sistemi
USB
o da sistemi Ethernet. La tecnologia seriale fu il primo tipo di
collegamento tra i vari dispositivi di controllo. La comunicazione via porta
seriale è un canale uno a uno tra i due dispositivi, è relativamente lenta, è
impossibile in alcun modo poter inserire uno strato software per capire
cosa viene inviato e ricevuto dai due partecipanti alla comunicazione. Come
già spiegato in un precedente capitolo i settaggi della porta seriale devono
essere necessariamente fissati a priori e mantenuti costanti, e non viene
offerta la possibilità di modificare i parametri durante la comunicazione. Al
contrario Ethernet, come già sottolineato in precedenza, elimina questi
72
limiti: con esso i parametri possono in qualsiasi momento essere variati,
offre una velocità di trasmissione nemmeno paragonabile alla precedente
soluzione, senza contare la possibilità di “sniffare” tutto ciò che passa
attraverso la rete. Ciò detto costituisce ulteriore conferma del fatto che non
può e non deve esserci paragone tra le due tecniche di comunicazione.
I protocolli dei sistemi Omron
C-Command
Uno dei protocolli usati da Omron per la comunicazione tra i plc e tra pc e
plc viene definito e denotato come C-Command. I C-Command sono uno
dei primi protocolli utilizzati dalla ditta implementati attorno agli anni ’80
erano il punto di forza dell’azienda. Comunicano solo ed esclusivamente
mediante porta seriale. Vorremmo brevemente spiegare il protocollo in tutte
le sue parti partendo con il mostrare in un breve disegno la sintassi e
semantica del pacchetto di invio
@
101
100
Unit Number
Text
*
Header code
FCS
CR
Teminator
Figura 3-1 :pacchetto richiesta C-Command
@:
Unit Number :
Utilizzato come inizializzatore
Specifica in BCD da 0 a 32 il numero dell’host link con cui
si deve comunicare
Header Code :
Text :
specifica il comando che dovrà eseguire il ricevente
Contiene
i
parametri
di
ogni
comando
specificato
nell’header code
FCS :
E’ il controllo sulla corretto ricevimento del pacchetto, non
è nient’altro che l’ X-or a due a due dei bit precedenti
73
Terminator :
Contiene l’asterisco e un carattere speciale di terminazione
Nella tabella unicode corrispondeva al carattere 13
Il campo text varia a seconda dell’header code presente e può contenere, ad
esempio, indirizzi di memoria e bit se il pacchetto contiene le istruzioni di
lettura o scrittura, può contenere un orario se il pacchetto si riferisce alla
sincronizzazione dell’orologio. Vorremmo ora costruire una breve tabella
nella quale sono contenuti i possibili header code supportati e da noi
implementanti in questo protocollo:
Tipo
Header
Descrizione
Code
I/O lettura
RR
Lettura memoria CIO
memoria
RL
Lettura memoria LR
RH
Lettura memoria HR
RC
Lettura memoria Timer e Counter
RG
Lettura memoria stato Timer e Counter
RD
Lettura memoria DM
RJ
Lettura memoria AR
RE
Lettura memoria EM
I/O scrittura
WR
Scrittura memoria CIO
memoria
WL
Scrittura memoria LR
WH
Scrittura memoria HR
WC
Scrittura memoria Timer e Couter
WD
Scrittura memoria DM
WJ
Scrittura memoria AR
WE
Scrittura memoria EM
R#
Lettura timer 1
Timer/Counter R$
Lettura Timer 2
R%
Lettura Timer 3
Lettura
74
Scrittura
W#
Scrittura Timer 1
Timer/counter
W$
Scrittura Timer 2
W%
Scrittura Timer 3
Stato Unità
MS
Lettura dello stato
CPU
SC
Cambiamento di modalità operativa
MF
Lettura di errori
Forzatura
KS
Forzatura a 1
settaggio
KR
Forzatura a 0
resettaggio bit
FK
Forzatura multipla di bit
KC
Cancellazione di tutte le forzature
Modello PLC
MM
Modello del PLC
Testaggio
TS
Test
Modalità
RP
Lettura del programma in memoria
lavoro
WP
Scrittura del programma in memoria
Creazione
MI
Creazione tabella I/O
Creazione
QQMR
Registro di memoria I/O
registri
QQIR
Lettura del registro
Processi di
XZ
Reset della macchina
tabella
comunicazione **
Inizializzazione
IC
Comando lasciato a disposizione dell’utente
Figura 3-2: tabella comandi C-Command
Se il pacchetto di invio é stato ricevuto correttamente segue la sintassi e la
semantica del pacchetto di risposta
@
101 100 160 160 161 160 Text
Unit Number Header code
End code
160 160 *
FCS
CR
Teminator
Figura 3-3 :pacchetto risposta C-Command
75
Il campo Text in certe risposte può anche essere vuoto a seconda del
comando inviato. Se ci sono però stati problemi non dal punto di vista di
sintassi del comando ma se ad esempio una particolare istruzione non è
supportata in una determinata modalità in cui il PLC viene a trovarsi, se vi
è stato un errore nel calcolo FCS, se ancora viene definito un indirizzo di
memoria non incluso nel range disponibile in quel determinato PLC, nel
campo end code viene visualizzato un valore diverso da 00, che si riferisce
ad uno specifico errore. Al contrario se sono avvenuti errori di sintassi e
semantica del pacchetto, viene ricevuto un secondo pacchetto di errore:
101 100 160 160 161 160 160 160 *
@
Unit Number
Header code End code
FCS
CR
Teminator
Figura 3-4: pacchetto errore C-Command
Fins
Rappresenta l’ultimo protocollo nato in casa OMRON. E’ molto affidabile ed
efficiente. Supporta la comunicazione via porta seriale o tramite Ethernet
(mediante socket UDP). Come fatto per il precedente C-Command si
illustrano di seguito la semantica e la sintassi del protocollo:
ICF
00
02
RSV
GCT
160 160
DNA
DA1
DA2
SNA
160 MR SR
SA1
SA2
SID
Text
Command
Figura 3-5: pacchetto richiesta Fins
Attenzione se però la comunicazione avviene tramite porta seriale bisogna
aggiungere la @ all’inizio e FCS e i due caratteri terminatori alla fine.
Analogamente al precedente si mostrerà il significato di ogni sigla:
76
ICF
(Information
control
field)
Configurato
per
mostrare
la
sequenza del datagramma
RSV
(Reserve) Bit usati dal sistema
GCT
(Gateway Count) Indica quanti nodi di rete il pacchetto può
attraversare da 0 a 8.
DNA
(Destination network address) Specifica in esadecimale la rete
di destinazione
DA1
(Destination node address) Specifica il nodo di rete di
destinazione
DA2
(Destination unit address) Specifica l’unità di comunicazione
di destinazione
SNA
(Source network address) Specifica in esadecimale la rete
sorgente
SA1
(Source node address) Specifica il nodo di rete di sorgente
SA2
(Source unit address) Specifica l’unità di comunicazione di
sorgente
SID
(Service ID) usato per identificare il processo di trasmissione
COMMAND Varia da comando a comando
CODE
TEXT
Varia relativamente al comando inviato
Il settaggio di questi parametri varia però se stiamo utilizzando un
comunicazione seriale, infatti esistono alcune sigle speciali per identificare
che la comunicazione avviene mediante questo mezzo trasmissivo. Questo
protocollo non è così diverso dal precedente. Il campo Text contiene i
parametri dei relativi comandi ad esempio per la lettura di una memoria il
campo command code contiene il comandi di lettura, il Text contiene il
codice della memoria in cui dovrà essere effettuata la lettura, l’indirizzo di
memoria, e se richiesto anche l’indirizzo del bit. Segue l’elencazione in
tabella dei comandi:
77
Command
Code
Tipo
MR
Descrizione
SR
Accesso memoria 01
01
Lettura memoria
01
02
Scrittura memoria
01
03
Scrittura si blocchi di memoria
01
04
Lettura blocchi di memoria
01
05
Trasferimento
e
copiatura
blocchi
di
memoria
Parametri
di 02
01
Lettura area parametri
02
02
Scrittura area parametri
02
03
Pulizia area parametri
Area di memoria 03
06
Lettura area del programma
del programma
03
07
Scrittura area del programma
03
08
Pulizia area del programma
Modalità
04
01
Modalità Run
operativa
04
02
Modalità Stop/Program
Configurazione
05
01
Lettura modello della Cpu
dispositivo
05
02
Lettura dati per la connessione
dello 06
01
Stato della Unità CPU
stato
06
20
Lettura tempo Clock CPU
Sincronizzazione
07
01
Lettura Orologio interno
07
02
Scrittura Orologio interno
09
20
Tabella Comandi Fins supportati
Periferiche
0C
01
Memoria di accesso di altre periferiche
esterne
0C
02
Forzatura Memoria di accesso
0C
03
Eliminazione Memoria di accesso
accesso memoria
Lettura
Messaggio
display
78
Errori
21
01
Lettura file di log
21
02
Cancellazione file di log
21
03
Eliminazione del File
Errori protocollo 21
40
Scrittura area di accesso Fins
FINS
21
41
Pulizia Area di scrittura comandi fins
Memoria
22
01
Lettura File
riservata ai File
22
02
Lettura di un singolo file
22
03
Scrittura di un singolo file
22
04
Cancellazione File
22
05
Formattazione Memoria
22
07
Copiatura File
22
08
Modifica none del File
22
0A
Memoria Di appoggio di trasferimento file
22
0B
Parametri di trasferimento File
22
0C
Programma di trasferimento file
22
15
Creazione\Cancellazione Directory
22
20
Trasferimento memoria esterna
23
01
Forzatura Bit
23
02
Eliminazione Forzature
Forzature
Figura 3-6 : Comandi fins
Analogamente al precedente se la risposta non contiene errori di sintassi il
pacchetto ricevuto viene visualizzato come segue:
ICF
00
02
RSV
GCT
160 160
DNA
DA1
DA2
SNA
160 MR SR
SA1
SA2
SID
Command
Text
End Code
Figura 3-7: pacchetto risposta Fins
79
Anche in questo caso la risposta contiene un altro campo denominato End
Code, che contiene un possibile errore avvenuto durante la comunicazione.
Se tutto è andato a buon fine il suddetto conterrà 00.
Strumenti misti : i bridge ethernet-seriali e le loro caratteristiche
Nell’ambito del progetto per la comunicazione mediante i protocolli sopra
citati è stato utilizzato un piccolo apparecchio elettronico comunemente
chiamato
bridge
ethernet-seriale.
Questo
dispositivo
permette
la
interconnessione fra reti o interfacce anche se logicamente e fisicamente
diverse. In commercio ne esistono di svariati tipi di forme, marche, modelli
e con caratteristiche diverse, in grado quindi di soddisfare la vasta gamma
di problematiche, per cui svolgono la funzione. Ci si soffermerà solo ad
analizzare quello da noi utilizzato, in quanto non ci sembra il caso di
illustrare le funzionalità di tanti altri, che non abbiamo avuto modo di
utilizzare. Il nostro bridge ethernet-seriale è un apparecchio di dimensioni
relativamente piccole, di seguito verrà mostrata la foto (è stato eliminato il
produttore per problemi di copyright).
Figura 3-8: Bridge Ethernet-seriale
80
In questa foto non è visibile, ma come interfaccia di ingresso ha un
connettore RJ45 , mentre in uscita, come si vede chiaramente in figura, vi
è un connettore RS232 o comunemente chiamata porta Seriale. Al suo
interno contiene un piccolo server, nel quale è possibile settare i principali
parametri di configurazione, tra i quali:
indirizzo ip e porta del bridge,
parametri di configurazione della porta seriale in uscita, ecc…. Oltre a
questi semplici e importanti parametri offre anche la possibilità di lavorare
in diverse modalità, a seconda della funzione ed infine contiene un access
list (ACL), la quale elenca tutti i possibili indirizzi IP che sono abilitati a
comunicare con o attraverso il bridge . Il corretto funzionamento è
permesso anche grazie ai driver forniti dall’azienda produttrice.
Quando
un applicativo vuole comunicare tramite la porta seriale i driver controllano
se la porta seriale esiste veramente (porta fisica); in questo caso la
comunicazione avviene normalmente. Al contrario quando si tenta di
accedere ad una porta seriale inesistente (porta virtuale) i driver
redirezionano la comunicazione (inserendo header e tail appropriati) sulla
scheda ethernet e viene inviato il pacchetto in modo broadcast.
Gli
eventuali bridge collegati alla rete ricevono il pacchetto, se la porta seriale
di destinazione coincide con i parametri precedentemente stabiliti,
convertono il segnale e lo trasmettono tramite l’interfaccia di output,
mentre se la porta non coincide, il pacchetto viene ignorato.
81
UN’APPLICAZIONE CONCRETA: CONTROLLO DI PLC OMRON
Obiettivo del progetto
L’esigenza dell’attuazione del progetto in esame proveniva da un’azienda di
medie dimensioni della provincia di Parma del settore metalmeccanico.
L’azienda si trovava in una situazione critica dove la comunicazione fra i
vari dispositivi (i Plc) utilizzava mezzi antiquati, lenti e tecnologicamente
inadeguati. Come esempio vorremmo riportare che la comunicazione era
possibile solo tramite uno switch seriale e manuale. Il richiedente quindi
chiedeva un intervento drastico, modificando radicalmente l’architettura,
metodi e protocolli di comunicazione. Modificando, o meglio creando a
nuovo ad hoc, l’architettura, i vincoli e le esigenze da rispettare non erano
molte (almeno ad un primo ed alto stato di analisi), a parte i soliti vincoli di
costi e flessibilità dell’infrastruttura per ampliamenti futuri. L’azienda ci
invitava a progettare ed implementare un applicativo su piattaforma
Windows XP, unico e di facile utilizzo che potesse espletare tutte le funzioni
che l’architettura e i software già installati già compivano. Questo software
quindi aveva il compito di: comunicare con i vari Plc, e quindi
implementare i protocolli di comunicazione propri dell’azienda produttrice
dei dispositivi. Comunicare e manipolare con un base di dati per
mantenere consistenza e persistenza dei dati utilizzati in ogni fase del
progetto. Ed infine creare un interfaccia grafica locale, simile a quelle già
presente in azienda in altri applicativi, in grado di mettere a disposizione
tutte le funzionalità e le proprietà che questo applicativo offre. La ditta
richiedeva la messa in funzione di un sistema che potesse far comunicare e
configurare i sei PLC presenti nella stessa azienda e responsabili
dell’attivazione sia di macchine utilizzate nella produzione che di operazioni
domotiche.
82
Figura 4-1 : vecchia architettura progetto
La situazione descritta nella figura rappresenta
lo stato reale in cui si
veniva ad operare e la carenza strutturale vigente.
Si notano pure sei
elementi sostanziali rappresentanti da altrettanti PLC Omron, dei quali
quattro della serie CPM2A con comunicazione seriale mediante CCommand, e i rimanenti due Omron della serie C200HS comunicanti tra
loro
mediante
modulo
Ethernet
con
protocollo
Fins.
I
4
CPM2A
comunicavano tra loro con un PC dedicato ed un piccolo software scritto in
MS-Dos. Tra i PLC e il PC era posizionato un piccolo switch seriale ancora
manuale. Per comunicare con uno di questi quattro si era costretti a:
posizionare il selettore dello switch
sul nodo d’uscita voluto caricare il
modulo del programma DOS corrispondente al PLC selezionato solo così si
era in grado di comunicare con suddetto PLC. Gli ultimi due PLC rimasti
erano in contatto tramite un’altra applicazione scritta in Visual Basic,
coadiuvata da un controllo Active X che implementava le varie funzioni di
83
comunicazione, mentre il programma VB eseguiva l’ interfacciamento tra
l’utente e la macchina. Come facilmente si deduce, la situazione non era
più sostenibile e imponeva un intervento radicale al fine di ottenere i
seguenti benefici: eliminare lo switch
tecnologia ethernet sicura ed affidabile.
manuale, quindi portarsi su una
Sostituire la macchina MS-Dos
dedicata e l’applicativo VB con un programma ad hoc portabile in grado di
fondere in un unico programma le funzionalità svolte prima. Nei prossimi
capitoli verrà mostrato come e in che modo è stato possibile attuare il
progetto.
L’architettura del nuovo sistema
A seguito di una prima analisi del problema sono emerse le caratteristiche
essenziali e i vincoli che il sistema doveva soddisfare. Abbiamo cercato di
creare un architettura ad hoc che permettesse di soddisfare le esigenze ed
è emerso che:
i 6 Plc precedenti sono rimasti; come ovvio era impossibile eliminare o
sostituire i Plc, in quanto il programma e l’aggiornamento sarebbe
diventato troppo oneroso, sia con riferimento all’acquisto di nuove
macchine che riguardo alla nuova programmazione sulle stesse.
L’azienda disponeva già di una architettura DBMS centralizzata, con Oracle
sotto sistema ERP Baan e di altri applicazioni, in particolare installazioni
Oracle Express usate da un altro programma creato da AreaAsp e CS
Soluzioni per il monitoraggio di postazioni di lavoro. Si è ritenuto
opportuno sfruttare questa tecnologia per creare un Database ad hoc il
quale potesse contenere tutte le informazioni necessarie per le varie fasi. Le
informazioni contenute riguardano sia la parte di impostazione, vengono
cioè memorizzati i settaggi necessari per la comunicazione (indirizzo IP o
porta Seriale dei vari Plc, parametri dei protocolli, ecc…), ma anche tutta
un’altra parte per mantenere, reperire informazioni anche senza dover
84
continuamente
interrogare
i
Plc,
soprattutto
quelli
connessi
con
collegamenti seriali mantenendo ottime le prestazioni di accesso in base ad
un costo temporale. Come spiegato sopra questa applicazione richiede
anche un costante aggiornamento dell’orologio interno dei vari Plc.
Abbiamo utilizzato un piccolo server presente in azienda, costantemente
acceso per il monitoraggio di un’ altra applicazione, inserendo un piccolo
modulo software - chiamato appunto Sincronizzatore – che, dopo un tempo
costante, aggiorna l’ orologio di ogni Plc con l’ora corrente del server in cui
l’ applicativo è installato. L’ultimo ma non meno importante componente è
il programma di interfaccia utente, installato sulla postazione di controllo,
unico vero collante tra le varie parti del sistema.
Questa, viste le soluzioni precedenti e i vari software presenti in azienda,
necessitava essere snella, rapida da comprendere ed usare e infine dotata
di molti shortcut key (o tasti i scelta rapida) molto simile a vecchie
applicazioni Dos.
I sistemi controllati
Dopo aver mostrato l’architettura generale del sistema, abbiamo svolto una
breve e semplice analisi, dalla quale sono emerse le entità coinvolte
meritevoli di considerazione.
Qui sotto si propone un piccolo e breve elenco per capirle comprenderle al
meglio.
I PLC: Sono 6 e precisamente di due famiglie : 4 sono CP1A egli ultimi 2
C200HS. I primi comunicano solo ed esclusivamente mediante porta
seriale, mentre gli ultimi 2 comunicano tramite Ethernet e/o porta seriale.
Le caratteristiche tecniche e logiche di queste entità sono già state
illustrate nei capitoli precedenti.
85
Lo SCADA : é un piccolo modulo software installato su un server che ha il
compito di sincronizzare gli orologi all’ interno dei PLC. Le caratteristiche
teoriche degli scada sono state chiarite in precedenza mentre per la parte
implementava é rimandata ad un successivo capitolo.
DBMS : Si tratta di una postazione Oracle
già largamente utilizzata in
azienda sia per gestire la contabilità, che come base dati per
altri
applicativi. Nel presente progetto viene utilizzata per mantenere la
persistenza e la consistenza dei dati. La logica di costruzione della base di
dati è definita e abbondantemente descritta successivamente.
L’ INTERFACCIA UTENTE: L’interfaccia locale da noi ideata fa in modo che
tutte le varie parti sopra elencate vengano unite, collegate in modo che tutti
gli utenti, anche con poche conoscenze tecniche, possano usufruire e
sfruttare le potenzialità offerte dal sistema. Si è pensato di crearne solo
una locale con tecnologia Windows Form, essendo l’ applicativo interno
all’azienda e non richiedente una visualizzazione o una manipolazione in
sedi al di fuori dell’azienda.
I Plc e le strutture associate
Per comunicare fra i vari PLC, abbiamo dovuto inserire dispositive o schede
elettroniche, atte al raggiungimento di una comunicazione snella e veloce.
Nei nuovi PLC, cioè quelli della famiglia C200HS, è possibile inserire una
scheda di rete, chiamata precisamente ETN-11, la quale, a sua volta,
contiene un connettore RJ45, il classico connettore di rete Ethernet.
Questo fa si che tra un normale computer e suddetto PLC, la
comunicazione avvenga tramite rete Ethernet. I dispositivi associati sono i
più comuni utilizzati in qualsiasi altro ambiente, dove la comunicazione
avviene mediante l’anzidetta tecnologia. (Hub,router,switch,ecc..) Per i
86
restanti PLC, quelli facenti parte della famiglia CP1A, tale modulo ETN-11,
non era più in produzione, pertanto la comunicazione poteva avvenire solo
ed esclusivamente mediante porta seriale. E’ stato quindi necessario
ricorrere ad un bridge ethernet seriale, in grado di ricevere in input un
segnale ethernet, convertirlo in un segnale seriale, inviarlo al plc
e
viceversa. In questo modo tutta la comunicazione globale avviene tramite
cavi RJ45, mentre il cosiddetto “ultimo miglio” avviene tramite canale
seriale.
Lo Scada e le sue caratteristiche
Dal punto di vista teorico lo scada è stato trattato in modo esaustivo nei
capitoli precedenti. Un’architettura di questo tipo però entra pedantemente
a far parte del nostro applicativo come sincronizzatore degli orologi interni
del plc. Vorremmo quindi spiegare brevemente la infrastruttura e la
architettura da noi sfruttata e utilizzata. La tecnologia usata é stata, nel
complesso, molto semplice. Come interfaccia grafica abbiamo pensato di
creare una piccola form che derivasse dalla classe WindowsForm presente
in C# in modo da avere tutte le potenzialità di una classica interfaccia
utente , ma con la possibilità di creare overriding e overloading dei metodi
per poter eliminare alcuni aspetti delle form per noi poco interessanti. La
form da noi creata risulta molto semplice e intuitiva, contiene il simbolo
dell’azienda, una progressbar e alcune label per visualizzare il risultato. Il
sincronizzatore opera in questo modo: sfruttando i componenti C#
e
precisamente il componente Timer ne sono stati creati 7 uno generale e i
restanti associati ad ogni singolo stabile. Il primo chiamato -timer generaleviene attivato ogni 15 minuti, questo non fa altro che attivare un altro
timer, e precisamente quello dello stabile A ( la scelta é ricaduta su questo
perché è il primo in ordine alfabetico, non per motivi tecnici) Il timer dello
stabile A richiama il comando per la sincronizzazione dell’orologio interno.
87
Inoltre, analizzando a fondo il programma del Plc ci siamo accorti che
l’orario era ripetuto all’interno di memorie utilizzate esclusivamente dal
programma e precisamente nella Dm 0, 1 e 2. L’orario però in queste 3
celle di memorie era diviso in questo modo: nella prima erano memorizzati i
secondi, nella seconda era memorizzato l’orario come minuti dalla
mezzanotte, cioè un numero intero compreso tra 0 se si trattava della
mezzanotte del giorno corrente e 1439 se si trattava della
mezzanotte
meno un minuto. Ed infine nella terza ed ultima Dm era memorizzato il
giorno come un numero intero progressivo e compreso tra 1 se si trattava
di lunedì e 7 se si trattava della domenica. Questo timer rimane attivo per 1
minuto infatti il tempo che intercorre tra l’ invio del primo pacchetto
(sincronizzazione orologio) e la risposta dell’ultimo (scrittura avvenuta
correttamente) anche in casi peggiori è sicuramente minore . Ultimate in
modo corretto le sue operazioni attiva il secondo timer che svolge le
medesime operazioni. Terminate poi la sincronizzazioni dei primi 4 stabili
si passa alla sincronizzazione degli ultimi 2 stabili. In questo caso però il
programma contenuto all’interno dei PLC costantemente ed in automatico
aggiorna il suo orario anch’esso creato nelle sue dm cosi in questo caso é
bastato solo creare un piccolo socket
e inviare tramite esso il comando
Fins appropriato. Terminato ciò si disabilitano e si rimane in attesa della
nuova abilitazione. Se il sincronizzatore per qualche motivo non riesce a
comunicare o i parametri dei comandi inviatogli sono errati in automatico
inserisce all’interno del database un record nella tabella dei log contenente
il tipo di errore.
La base di dati per la persistenza
Come in ogni applicazione che si rispetti anche in questo caso serviva una
base dati per la persistenza, la coerenza, la manutenibilità e i possibili
88
aggiornamenti o ampliamenti futuri. La nostra base di dati deve essere in
grado di soddisfare i seguenti requisiti:
• Contenere tutti i dati relativi ai dettagli generali dell’applicazione,
come ad esempio i parametri di connessione ai vari plc, i parametri
del protocollo Fins, e alcuni parametri riferiti ad alcune preferenze
dell’utente
• Contenere gli stessi dati, ovviamente in un formato diverso , presenti
in ogni Plc , per far si che gli utenti di questa futura applicazione, non
siano costretti a collegarsi ad un particolare Plc per poter visualizzare
i dati contenuti, ma con semplici istruzioni SQL possano essere
visibili , aumentando in questo modo l’efficienza globale (rispetto al
tempo di esecuzione).
• Contenere i dati e i vari privilegi degli utenti che andranno ad
utilizzare questa applicazione aumentando in questo modo la
sicurezza .
• Contenere un piccolo storico delle operazioni svolte per mantenere la
tracciabilità e la possibilità di effettuare un rollBack delle possibili
operazioni dannose commesse all’interno del sistema.
Dopo una lunga analisi (con non poche discussioni) siamo arrivati a
definire un piccola base di dati.
89
Figura 4-2: diagramma ER
90
Il Diagramma ER sovrastante spiega i collegamenti logici tra le varie
tabelle, mentre non spiega la semantica delle tabelle, che però viene di
seguito illustrata
PLC_LIST : oltre che ha contenere i 6 plc con i suoi dati “personali” sono
presenti anche i parametri di connessione.
RELE : contiene la lista delle uscite abilitate, che noi per semplicità
abbiamo definito in questo modo. Infine contiene tutti i vari parametri che
servono all’applicazione per trattare in modo corretto le possibili uscite o
rele che i Plc associati ofrono.
FASCIA : suddetta tabella contiene gli orari di inizio e fine di ogni relé
precedentemente abilitato. Una sua particolarità è quella di non caricare
antecedentemente tutte le fasce che potranno essere inizializzate, ma solo
quelle veramente abilitate, (cioè quelle che hanno subito una modifica da
un utente abilitato), in modo da evitare spreco di spazio. E’ stato il motivo
per cui è stato necessario inserire un campo numerico posizione che
permette, anche grazie al giorno e al relé , di risalire con precisione e senza
margine di errore la reale ubicazione della fascia.
UTENTI :
questa piccola tabella contiene i minimi dati anagrafici di un
futuro utilizzatore dell’applicativo. Per mantenere alto il livello di sicurezza
tutta questa tabella verrà criptata utilizzando una chiave di 32 caratteri
PRIVILEGI : contiene i relé o gli stabili che un dato utente può manipolare
(modificare fasce orarie). Se un determinato utente e un Power Admin ,
sinonimo di Amministratore generale, questa tabelle viene ignorata poiché
questo particolare utente ha tutti i privilegi.
91
LOG e SESSIONI : la tabella dei log contiene le operazioni principali svolte
dagli utenti, mentre nella tabella sessioni è contenuto l’ora di ingresso,
inteso come login effettuato in modo corretto, e l’ora di uscita, intesa come
disconnessione o chiusura della form principale, di un utente.
Per l’implementazione di questa base di dati inizialmente ho creato tutte le
tabelle mediante comandi SQL . Per ogni tabella, poi, ho utilizzato una
sequence cioè un contatore che viene impiegato come chiave primaria.
L’unicità di questo particolare elemento viene costruita mediante la
realizzazione di un trigger che, dopo l’inserimento di un determinato
record, incrementa il contatore e lo inserisce nel campo prestabilito. Al
termine mi sono preoccupato di generare dei particolari trigger in grado di
mantenere coerenza e consistenza tra le chiavi primarie e le chiavi esterne
presenti nelle varie tabelle. In corso d’opera poi il cliente, ha modificato le
richieste, esigendo la possibilità che l’applicazione svolgesse il suo normale
compito (anche con funzionalità ridotte) senza la base di dati. Bisognava
quindi trovare una soluzione veloce, ottimale senza dover stravolgere il
codice e la logica già definite e scritte. Dopo una breve analisi e una lunga
ricerca tramite Internet, si è giunti alla soluzione creando dei file Xml in
grado di simulare la stessa base di dati (o almeno una parte…) su questi
particolare file. Pure in questa occasione abbiamo sfruttato le potenzialità
offerte dall’ ambiente di sviluppo e in particolare la libreria di classi
chiamate System.Linq. Tale libreria richiede in input uno schema (sfruttato
nel file per creare i tag e i nodi principali) e una serie di dati nello stesso
formato utilizzato in un database ed in output restituisce il file Xml. Come
si intuisce da quanto detto prima,la libreria non è nient’altro che un parser
Xml che permette di creare e gestire una piccola o modesta base di dati su
file, questo comporta anche la possibile ricerca, cancellazione, o modifica
dei record, chiamati, nello specifico, nodi. Il pacchetto Linq in questo caso
mette a disposizione un particolare linguaggio molto simile al linguaggio sql
atto a svolgere tutte le operazioni sopra citate. Per inserirlo nella logica
precedentemente definita abbiamo creato un serie di classi che hanno il
92
compito di svolgere le funzioni di manipolazione di dati su Xml, cioè un
adapter . Infine, sfruttando al massimo le capacità della programmazione
OOP abbiamo aggiunto un nuovo strato software, con il compito di
mantenere congruente la base di dati con file Xml. Ogni volta che viene
salvato un
particolare record all’interno del database, viene salvato
contemporaneamente sul file Xml, cioè un wrapper, un “cappello” che
maschera il salvataggio.
Visione di insieme
Il disegno sottostante illustra la struttura generale dell’ architettura da noi
realizzata:
Figura 4-3: nuova architettura
93
Come si può notare sono presenti i sei plc dei quali due collegati
direttamente alla rete ethernet, mentre i restanti collegati mediante il
bridge ethernet-seriale. La base dati oracle è accessibile da ogni Pc o
dispositivo collegato.
Figura 4-4: Schermata principale
La schermata principale che, come spiegato, contiene e collega tutti gli
aspetti fondamentali. Questo infatti maschera la vera implementazione,
costituendo buona parte del lavoro svolto durante il tirocinio. Tutto
l’applicativo è stato diviso in pacchetti, contenenti ciascuno un insieme di
classi
atte a soddisfare una determinata tipologia di problema. Vorrei
brevemente
elencare
i
pacchetti
presenti
nell’applicativo
da
me
implementato. Il primo pacchetto contiene le classi che si occupano del
canale di comunicazione e precisamente quello seriale ed ethernet (socket
94
UDP). Il secondo implementa i vari protocolli proprietari di Omron . Il terzo
pacchetto implementa la connessione e la comunicazione al database. Il
quarto si occupa di strutturare in memoria locale tutti i dati e le
informazioni presenti nel database. Ogni entità, quindi, viene rimappata in
memoria mediante le classi atte alla manipolazione dei dati all’interno del
database e all’interno dell’applicazione stessa. Il quinto pacchetto si occupa
delle varie conversioni dei dati per la comunicazione o per la corretta
sintassi dei dati utilizzati all’interno del PLC. L’ultimo pacchetto contiene
tutte le interfacce grafiche (quella rappresentata nella figura sovrastante è
solo la principale, ma, ne sono state realizzate molte altre al fine di
raggiungere un discreto grado di semplicità e immediatezza riguardo la
manipolazione dei dati). Il medesimo pacchetto sviluppa funzioni in grado
di soddisfare appieno le richieste del cliente. Un esempio è la navigazione
completa dell’interfaccia mediante short-key.
Figura 4-5: schermata sincronizzatore
La figura 4-5 rappresenta l’interfaccia del sincronizzatore. Questo piccolo
applicativo non è contenuto nel precedente, ma per svilupparlo ho
utilizzato pacchetti, classi e funzioni proprie di quello sopra citato.
95
IL LAVORO OPERATIVO
Difficoltà incontrate
Dopo aver mostrato nei vari capitoli precedenti tutto ciò che riguarda
l’applicativo, visto sia dal punto di vista teorico sia dal punto di vista di
implementazione e progettazione vorrei soffermarmi sulle difficoltà avute e
incontrate in corso d’opera. Dal punto di vista di progettazione non
abbiamo
incontrato
particolari
difficoltà
perché
il
sistema
era
completamente da rifare, i vincoli erano pochi tra i quali la struttura della
rete e anche la sua disposizione. Il problema maggiore è stata la vera e
propria implementazione, data anche dalla nostra poca esperienza con
l’ambiente di sviluppo. Abbiamo cominciato ad implementare i CCommand, i manuali a disposizione erano tanti ma non sempre
descrivevano effettivamente ciò che si doveva fare nella realtà. E’ giusto
sottolineare che il protocollo utilizza una comunicazione seriale pertanto
era impossibile inserire tra i due attori uno strato software per capire o
visualizzare ciò che i medesimi si inviavano. Dopo alcune prove, ricerche e
tentativi il protocollo è stato implementato correttamente. Siamo poi
passati al protocollo Fins, in questo caso i manuali erano molto più efficaci
ed efficienti, le spiegazioni erano dettagliate (anche se alcuni parametri non
erano documentati sufficientemente). Il problema incontrato in
questo
caso era rappresentato dall’implementazione di un socket UDP con il nuovo
linguaggio di programmazione, anche in questo caso, dopo molte ricerche
su Internet, la cosa si è risolta nei migliore dei modi. Il lavoro di
implementazione del socket, non è stato in seguito utilizzato entro il
progetto complessivo perchè in corso d’opera è risultato preferibile usare
un componente “chiuso” associato ai convertitori Ethernet-seriali. Il passo
successivo é stata la creazione del database. Questo passaggio non ha
creato alcuna difficoltà, sia dal punto di vista della progettazione sia quella
implementativi. Creato il diagramma ER è stato molto semplice ed intuitivo
96
l’implementazione tramite linguaggio sql. Forse l’unico ostacolo é stata la
creazione di “sequenze”. Oracle non contiene un campo speciale di chiave
primaria che permette in automatico la creazione di un numero univoco
che rappresenta ogni record. In Oracle bisogna creare una successione e
un trigger in grado di sopperire la mancanza di questo campo speciale. Un
ulteriore passaggio è stato quello di creare i metodi e le classi per la
comunicazione e la manipolazione di ogni entità all’interno dei database.
Dal punto di vista di logica implementativa non ci sono stati problemi
poiché è bastata la mia poca esperienza a portare a termine questo step.
Qualche difficoltà si è presentata con la vera e propria implementazione.
Per ultimo abbiamo affrontato il lavoro non poco difficoltoso della creazione
dell’interfaccia utente Per risolvere e soddisfare le richieste del cliente si
sono dovute creare molte icone semplici e intuitive da inserire nelle varie
parti del programma per facilitare gli accessi all’utenza. E’ stato poi
semplice “incollare” i vari passaggi sopra elencati, in quanto nelle varie fasi
di progettazione di ogni singola si sono applicate le tecniche apprese nel
corso di laurea.
Correzioni in corso d’opera
Avendo sviluppato un’ottima documentazione e un’ottima progettazione le
correzioni in corso d’opera sono state relative solo ad alcuni componenti e
alla realizzazione nell’interfaccia grafica. Per spiegare meglio il tutto si cita
l’esempio più lampante: durante l’implementazione dei C-Command
abbiamo creato una piccola classe chiamata SerialPortWrapper
che
utilizzava al suo interno il componente porta seriale contenuto in C#. Fino
a che la comunicazione tra PC e PLC avviene in modo diretto non vi è alcun
problema, quindi abbiamo proseguito per questa strada, quando però tra i
PC e PLC si è dovuto inserire il bridge Ethernet seriale, la comunicazione si
bloccava. In un primo momento pensavamo che il problema si dovesse
97
attribuire al Bridge, ma scaricando da Internet un piccolo applicativo Open
Source scritto in Visual Basic 6, abbiamo constatato che la comunicazione
avveniva in modo non solo corretto, ma anche veloce. Il problema quindi si
è spostato dal Bridge al programma in sé. Chiedendo parere ad esperti si è
compreso che la gestione dell’oggetto porta seriale all’interno di C# era
completamente diverso e non supportava di conseguenza le porte virtuali.
Si è deciso pertanto di importare l’oggetto porta seriale, creando un Active
X da VB 6. Nel momento in cui abbiamo dovuto implementare la classe
socket,
avendo
riscontrato
lo
stesso
problema,
si
è
proceduto
analogamente. Su espressa e specifica richiesta del cliente, sono state
successivamente apportate variazioni e correzioni all’interfaccia grafica.
98
CONCLUSIONI
Il sistema in esecuzione
Dopo una prima fase di test eseguita in ufficio si è portato l’applicativo in
azienda, procedendo in questo modo: si è mantenuto l’applicativo vecchio e
si è installato a fianco il nostro nuovo. La situazione rimarrà tale per circa
quattro mesi, così da poter avviare una approfondita fase di collaudo in
azienda e, nel caso di riscontrassero problemi, non venga interrotta la
normale esecuzione del sistema. In questa prima fase si è constatato che il
programma è abbastanza affidabile per quanto riguarda la comunicazione
con il PLC. Sono emerse delle normali incongruenze dovute a piccoli errori
di programmazione o dei vari parametri, che impostati durante la fase di
sviluppo, avevano un determinato valore diverso da quello rilevato in
azienda. Questa tipologia di errore si sa che è inevitabile ed è sempre da
tenere in considerazione per questo motivo, come spiegato si è scelto di
mantenere in parallelo le due soluzioni.
Bilancio del lavoro svolto
Mi ritengo abbastanza soddisfatto del lavoro svolto, ho potuto imparare,
capire e sviluppare un applicativo di medie dimensioni seguendo ed
implementando ogni parte, partendo prima dall’analisi fino al più basso dei
livelli cioè la vera e propria stesura del codice ricordando e applicando,
anche a volte con molte difficoltà tutte le regole, i vincoli e le ottimizzazioni,
conosciute e apprese nel corso di laurea. Un’ottima analisi a monte
permette
di
avere
delle
fondamenta
solide
per
evitare
spiacevoli
inconvenienti e che il programma si svolga in modo fluido e senza
particolari intoppi. L’analisi infatti, coadiuvata dai tutors, approfondita e
studiata nei minimi dettagli, ha prodotto un ottimo risultato. Lo sviluppo
del database, per il quale sono maggiormente appassionato, è stato
99
interessante ed istruttivo. Utilizzando un sistema di DBMS nuovo e di alto
livello ho avuto modo di ampliare la mia esperienza e la mia conoscenza. Mi
sono avvicinato al mondo del PLC, anche se di una singola marca, ma
parlando in ufficio con gente più esperta di me, ho potuto comprendere che
anche gli altri PLC di diversa marca, mantengono caratteristiche pressoché
simili. Non ho dubbi ad affermare di aver pertanto acquisito concrete
capacità di lavorare su PLC di qualsiasi altra marca.
La vera e propria
implementazione è stata complicata, ma nello stesso tempo anche
interessante. Ho potuto e dovuto scrivere righe di codice agendo su varie
parti, anche completamente diverse, ma riutilizzabili sicuramente in altri
programmi.
Si
parte
infatti
dalla
creazione
di
codice
atto
alla
comunicazione (porta seriale, e socket), la realizzazione di un protocollo (nel
caso specifico C Command e Fins, includendo pure la gestioni dei diversi
errori), la comunicazione con un data base, l’implementazione di query per
la manipolazione dei dati, la realizzazione di controlli per la manipolazione
di file XML ed infine una miriade di procedure, funzioni, classi e pacchetti
allo scopo di raggiungere la corretta e completa funzionalità del software.
Applicazioni e ampliamenti futuri
Avendo sfruttato tutte le proprietà e le caratteristiche sia apprese al corso
di laurea sia offerte nell’ambiente di sviluppo, la prima applicazione
potrebbe essere lo sviluppo di un’interfaccia web, in modo tale da poter
manipolare e monitorare i dati anche all’esterno dell’azienda. Con poche
modifiche del codice è possibile inserire una nuova entità, che definiamo
come “profilo” o meglio configurazione. L’entità raggrupperebbe un insieme
di relé impostati in modo tale da gestire gli interventi rispondendo ad
esigenze di orari e periodi diversi. Per spiegarmi meglio, gli orari invernali
sono diversi da quelli estivi, gli orari feriali non sono gli stessi rispetti i
festivi o i prefestivi, le ore diurne richiedono comandi differenti a quelli
100
notturni ecc…. L’utente avrebbe quindi la possibilità di opzione sui diversi
profili e un’amplia possibilità di caricamento dati. Non vediamo rilevanti
applicazioni o aggiornamenti futuri in quanto l’applicazioni e stata creata
ad hoc per quell’azienda rispettando le tutti i suoi vincoli ed esigenze. Ciò
non toglie pero che parti di codice vengano inserite in un altro contesto e
essere riutilizzate per scopi completamente diversi , si pensi al protocollo di
comunicazione Omron , la connessione al DataBase , la gestione dei file
Xml ,ecc…
101
INDICE DELLE FIGURE
1-1
Il modello client-server
1-2
Una rete broadcast
1-3
Una rete punto a punto
1-4
Topologie Bus e Ring
1-5
Distribuited Queue Dual Bus
1-6
Struttura tipica di una WAN
1-7
Topologie di interconnessione
1-8
Interconnessione di router via satellite
1-9
Interconnessione di router via radio al suolo
1-10
Interconnessione di reti
1-11
Relazioni fra subnet, network e internetwork
1-12
Dialogo fra peer entity
1-13
Dialogo fra grandi menti
1-14
Flusso di informazioni fra peer entity
1-15
Servizi connection-oriented (a) e connectionless (b)
1-16
Relazioni fra protocolli e servizi
1-17
Modello OSI
1-18
Rappresentazione schematura dei livelli gestiti lungo un
cammino
1-19
Relazione fra i livelli OSI e TCP/IP
1-20
Relazione tra i livelli e i protocolli dell’architettura TCP/IP
1-21
Schema di propagazione di disturbi elettromagnetici tra un
dispositivo sorgente di disturbi (Device 1, EMC Source) e un
dispositivo soggetto a tali disturbi (Device 2, EMC Sinc). In
rosso i disturbi irradiati; in azzurro i disturbi condotti.
1.22
Schema pacchetto Ethernet
1-23
Codifica Manchester
102
1-24
Retro di un PC con due porte RS-232 (i due connettori
maschio in basso)
1-25
Segnale della porta RS232
2-1
Schema logico architettura CIM
2.2
Piramide CIM
2.3
Schema logico SCADA
3-1
Pacchetto richiesta C-Command
3-2
Tabella comandi C-Command
3-3
Pacchetto risposta C-Command
3-4
Pacchetto errore C-Command
3-5
Pacchetto richiesta Fins
3-6
Comandi Fins
3-7
Pacchetto risposta Fins
3-8
Bridge Ethernet-seriale
4-1
Vecchia architettura progetto
4-2
Diagramma
4-3
Nuova architettura
4-4
Schermata principale
4-5
Schermata sincronizzatore
103
BIBLIOGRAFIA
[1] G.Destri : Introduzione ai sistemi informativi aziendali, Mup Editore,
Parma, 2007
[2] G.Destri : UML nella progettazione software 2003 ,slide per il corso di
ingegneria del software
[3] C.Chiodelli :Sistema Intelidomus IP,2005
[4] C.chiodelli :Building & home Automation 2004
[5] Tanenbaum Andrew S. : Reti di Calcolatori , Addison Wesley ,2003
[6] G.Bongiovanni : sistemi di elaborazione Università di Roma 2000
[7] Omron : manuali operativi Cp1x, 1996 http://www.omron.com/
[8] Omron : manuali Operativi C200H, 1999 http://www.omron.com/
[9] Moxa : manuali Operativi Nport 5110, 2005
[10] I.Bacchi : Progettazione di applicativi per la super visione domotica
2005
[11] Wikipedia : Standard Seriale
[12] Wikipedia : Rumore ed interferenze elettromagnetiche.
104
105

costruzione di protocolli di comunicazione tra pc e dispositivi di

Transcript

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