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Corso: Sistemi di comunicazione ind.
RETI DI COMUNICAZIONI
INDUSTRIALI
Ing. Stefano Maggi
Politecnico di Milano
www.etec.polimi.it e www.zigbee.it
[email protected]
… cos’è una rete di comunicazione?
• Una rete di comunicazione è un sistema hardware/software che
consente a più dispositivi di comunicare fra di loro,
condividendo risorse comuni, entro un tempo accettabile
• I dispositivi sulla rete sono denominati host o nodi
• I nodi possono essere dislocati anche in aree geografiche
distanti fra di loro
• WAN - Wide Area Network
– p.e. World Wide Web
• Alcune caratteristiche differenziano una rete dalle altre
– Lunghezza massima
– Numero massimo di nodi ammessi
– Tempi di risposta garantiti
– Dimensione dei pacchetti (Frame)
In una rete di comunicazione …
• I nodi sono connessi ad un solo MEZZO FISICO di trasmissione
• I dati vengono inviati con modalità SERIALE
• Tutti i nodi devono utilizzare lo stesso PROTOCOLLO
– Un protocollo è un insieme di regole definito che specifica
disposizione e significato dei Byte nei Frame trasmessi
– Un Frame comprende differenti campi
• Un preambolo
• Un indirizzo di destinazione o un identificatore
• Un campo dati utili (Data Frame)
• Un campo di controllo
– Spesso inviato con un Frame a parte
• Un campo di End of Frame
– Ogni campo è costituito da un numero variabile di Byte
Il modello ISO/OSI
• Lo scambio delle informazioni fra due o più nodi coinvolge più
fasi intermedie (Livelli)
• Il modello OSI - Open System Interconnection definito da
ISO - International Organization for Standardization descrive
un’architettura a 7 Livelli
• I Livelli dal 2 al 7 sono regolati da un proprio protocollo
• Ciascun Livello definisce la metodologia di ripartizione delle
singole funzioni di comunicazione
– Accesso al mezzo fisico ed avvio di una trasmissione
– Indirizzamento ed instradamento delle informazioni
– Formato dei dati
– Servizi e comandi
• Ogni Livello interagisce solo con quelli adiacenti
– Utilizza i servizi del Livello inferiore
– Fornisce i servizi al Livello superiore
Il modello ISO/OSI
Application (7)
Servizi
di
Rete
Presentation (6)
Session (5)
Transport (4)
Traspsorto
delle
Informazioni
Network (3)
Data Link (2)
Physical (1)
MODELLO ISO/OSI
Il modello ISO/OSI - Livelli 1-4
• I Livelli 1-4 sono orientati al trasporto delle informazioni
– Livello 1 – Physical Layer
• Contiene le specifiche dei mezzi fisici utilizzati per la
trasmissione (cavi, connettori, ecc …)
– Livelli di tensione/corrente ammessi
– Tipologia dei cavi e delle connessioni
– Protocolli di Livello 2 - Data Link Layer
• Definiscono il metodo di accesso alla rete
– Centralizzato Master/Salve o Bus Arbitrer
– Distribuito Token Passing
– Multiplo CSMA
• Specificano il formato dei Frame
• Rilevano gli errori sui Frame ricevuti dal Livello 1
Il modello ISO/OSI - Livelli 1-4
• I Livelli 3-4 sono implementati SOLO sulle reti più complesse
– Protocolli di Livello 3 - Network Layer
• Presiedono all’indirizzamento (routing) delle informazioni
• NON garantiscono l’integrità del Frame trasmesso, vale a
dire che il Frame non vada perso o non arrivi corrotto
• Esempio
– IP - Internet Protocol
– Protocolli di Livello 4 - Transport Layer
• Gestiscono l’instradamento del flusso delle informazioni
– Verifica/conferma del risultato della trasmissione
– Frammentazione/Riassemblaggio dei Frame
• Esempi
– TCP - Transmission Control Protocol
– UDP - User Datagram Protocol
Il modello ISO/OSI - Livelli 5-7
• I Livelli 5-7 sono orientati all’applicazione
– Protocolli di Livello 5 - Session Layer
• Gestiscono la condivisione delle risorse di rete fra
differenti applicazioni
– Funzioni spesso integrate nei Livelli 4 o 7
– Protocolli di Livello 6 - Presentation Layer
• Gestiscono la codifica dei dati in un formato che ne
consenta la corretta interpretazione da parte del Livello 7
– I vari dispositivi hanno codici differenti per la
rappresentare di caratteri, di numeri interi, ecc …
• Funzioni spesso integrate nel Livello 7
– Protocolli di Livello 7 - Application Layer
• Definiscono i servizi di rete disponibili all’utente (User)
• Esempi
– Applicazioni TCP/IP quali: FTP, SMTP, HTTP, ecc …
Tecniche di comunicazione
• L’indipendenza di ciascun Livello ha consentito una grande
flessibilità nello sviluppo dei singoli protocolli
– Protocolli Applicativi differenti possono essere supportati sulla
stessa rete
• Esempio
– Applicativi Ethernet TCP/IP
• HTTP - Hyper Text Transfer Protocol
• SMTP - Simple Mail Transfer Protocol
• FTP - File Transfer Protocol
– Un Protocollo Applicativo può essere implementato su più reti
• Esempio
– Il protocollo CIP è usato da tre reti differenti
• DeviceNet
• ControlNet
• EtherNet/IP
Tecniche di comunicazione
• Reti di campo orientate ad elevate prestazioni (bassi tempi di
latenza) mantengono solo 3 dei 7 Livelli del modello ISO/OSI
– Physical Layer
– Data Link Layer
– Application Layer
• Esempi
– CANOpen
– DeviceNet
– Interbus S
Dimensioni dei Frame
• REGOLA generale
– Quanto più è piccola la dimensione del Data Frame tanto più
deve essere ridotta la dimensione complessiva del Frame
• La dimensione del Data Frame è legata al tipo di applicazione
– Automazione a bordo macchina
• Sensor Bus - pochi Bit (tip. 8 Bit)
– ASi, Seriplex
• Device Bus – qualche Byte (tip. 8 Byte)
– CANOpen, DeviceNet, Interbus S, ecc …
– Automazione di impianto
• Control Bus - centinaia di Byte (tip. < 500 Byte)
– Profibus DP, ControlNet, ecc …
– Information Level - più di 500 Byte
• EtherNet/IP, Industrial Ethernet, ecc …
Metodi di accesso
• L’efficienza di una comunicazione è legata oltre alla dimensione
dei Frame anche al metodo di accesso alla rete
– Centralizzato
• Master/Slave (estremamente deterministico)
• Bus Arbitrer
– Distribuito
• Token Passing anche nella variante
– TDMA - Time Domain Multiplexed Access
• ControlNet
– Multiplo
• CSMA - Carrier Sense Multiple Access
– CD - Collision Detection (IEEE 802.3 Ethernet)
• EtherNet/IP
– BA - Bit Arbitration (ISO 11898 CAN)
• DeviceNet