Autor: Constantino Seixas Filho
UFMG – Departamento de Engenharia Eletrônica 1
Industrial
Ethernet
Esboço original da rede Ethernet feito por Metcalfe em um guardanapo em 1976
Capítulo
R5
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Ethernet Industrial, Notas de estudo de Engenharia de Telecomunicações
A rede Ethernet passou por uma longa evolução nos últimos anos se constituindo na rede de melhor faixa e desempenho para uma variada gama de aplicações industriais. Autor:Constantino Seixas Filho - UFMG ? Departamento de Engenharia Eletrônica
Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
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Autor: Constantino Seixas Filho 1
Industrial
Ethernet
Esboço original da rede Ethernet feito por Metcalfe em um guardanapo em 1976
Capítulo
R
Autor: Constantino Seixas Filho 2
Ethernet
Introdução:
A rede Ethernet passou por uma longa evolução nos últimos anos se constituindo na rede de melhor faixa e desempenho para uma variada gama de aplicações industriais. A Ethernet foi inicialmente concebida para ser uma rede de barramento multidrop (100Base-5) com conectores do tipo vampiro ( piercing ) , mas este sistema mostrou-se de baixa praticidade. A evolução se deu na direção de uma topologia estrela com par trançado. As velocidades da rede cresceram de 10 Mbps para 100 Mbps e agora alcançam 1 Gbps (IEEE802.3z ou Gigabit Ethernet). A Gigabit Ethernet disputa com a tecnologia ATM o direito de ser a espinha dorsal ( backbone ) das redes na empresa. A outra evolução se dá no uso de hubs inteligentes com capacidade de comutação de mensagens e no uso de cabos full duplex em substituição aos cabos half duplex mais comumente utilizados. Isto faz com que a rede se torne determinística e reduzem a probabilidade de colisão de dados.
Figura 1: Ethernet e faixa de aplicação das redes de campo
Outras iniciativas visam utilizar a rede Ethernet para como substrato para outras aplicações. Alguma iniciativas nesta direção são:
Faixa de Aplicação de Redes
NÍVEL DE AUTOMAÇÃO
Discreto (^) Processo
Negócio
Controle
SensorNível de Bit^ Interbus
Loop
InterbusProfibus
DP
ControlNet
ATM/FDDI
CCLink DeviceNet
SDS Ethernet
10/100/
Base-T
ASI Seriplex
CAN
Profibus
FMS
HART
LonWorks
Profibus
PA
IEC/SP50H
IEC/SP
H
DeviceWFIP
WorldFIP
Aplicações
Autor: Constantino Seixas Filho 4
ControlNet International e agora está sendo adotada pela ODVA ( Open Device Net Vendors Association ). A especificação da ControlNet consiste do Control and Information Protocol (CIP) rodando sobre a canada CTDMA ( Concurrent Time Domain Multiple Access ). O protocolo DeviceNet é uma especialização do CIP rodando sobre CAN. Ethernet/IP é uma especialização do protocolo CIP rodando sobre TCP/UDP/IP, que por sua vez roda sobre a rede Ethernet.
P R O F I n e t : Existe um esforço em se buscar o acoplamento transparente entre as rede Profibus e Ethernet. O que se busca é uma redução dos custos de engenharia e promover uma comunicação mais uniforme entre aplicativos de alto nível e dispositivos de campo. Os principais objetivos são:
- Mapear todos os serviços de engenharia do PROFIBUS para TCP/IP, incluindo acesso ao status das variáveis de processo, dados de diagnóstico, parametrização e a definição de interfaces relevantes de SW com base em OPC. O usuário poderá monitorar dispositivos localmente ou remotamente através da Ethernet/Internet.
- Roteamento direto de TCP/IP para Profibus. Uma das idéias é se permitir o uso de web server em dispositivos de campo.
- Dispositivos de campo complexos serão representados como sistemas orientados a objeto distribuídos.
Outro grande objetivo do projeto Profibus é maior suporte para as funções de motion control.
Figura 3: Profibus e Ethernet TCP/IP.
Autor: Constantino Seixas Filho 5
I E E E 1 4 5 1 : Esta iniciativa visa ligar sensores e atuadores diretamente à redes de controle incluindo a Ethernet, que devido ao baixo custo do chip reduziria muito o custo comparado com outros tipos de conexões. Um dos grandes suportadores desta solução é a HP que combina este tipo de conexão com embedded Java e o uso de um web browser por instrumento. Com a miniaturização e a redução do custo dos web browsers esta tecnologia pode se tornar muito atrativa.
Figura 4: Web browser da Fairchild
M o d b u s / T C P : Esta rede une o protocolo de camada de aplicação mais popular com o stack de transporte/rede mais utilizados na indústria. Na verdade o protocolo Modbus rivaliza em popularidade com o protocolo DF1 da Rockwell Automation, mas é mais difundido. Uma das vantagens do protocolo TCP/IP é a facilidade de se usar diversas camadas de aplicação diferentes. No port 1000 estamos tratando requisições de serviço do protocolo Modbus, enquanto no port 1001 tratamos um protocolo DF1, por exemplo. Este tipo de aplicação visa mais interligar dispositivos de campo orientados a byte, mais simples, como equipamentos de laboratório, medidores de energia CA/CC, relés inteligentes, etc. As empresas que atuam nesta área defendem que não se pode fazer uma revolução e trocar todos os standards de uma só vez, como feito no passado, quando se definiu o padrão MAP/TOP. O que se deve fazer é procurar uma evolução gradativa do que é usado de fato em direção a padrões mais abrangentes e de melhor desempenho.
Uma outra tecnologia emergente nesta área é o que se chama “ comm port redirection ”. Um dispositivo serial está ligado numa rede Ethernet TCP/IP. Um computador cliente acessa seus dados utilizando o protocolo Modbus. Um device driver rodando em Windows permite enxergar o dispositivo na rede como se estivesse ligado a uma porta serial do micro, digamos a uma COM ou COM4. Isto permite continuar utilizando aplicações do legado, por exemplo um programador ladder, mesmo utilizando uma conexão moderna em rede do instrumento.
Autor: Constantino Seixas Filho 7
P r e â m b u l o O preâmbulo DIX consiste de 64 bits de “1s” e “0s” alternados e terminando com dois “1s”. O preâmbulo 802.3 é idêntico, apenas o último byte recebe o nome de start of frame delimiter (SFD).
E n d e r e ç o d e d e s t i n o Um endereço de destino todo preenchido com 1’s implica em uma transmissão em broadcasting.
E n d e r e ç o d e o r i g e m É inserido na mensagem para uso de protocolos de mais alto nível. Este campo não é necessário para acesso ao meio. O endereço de origem é baseado na identificação do fabricante, que é um número de 24 bits único: Organizationally Unique Identifier (OUI) administrado pelo IEEE. Os outros 24 bits formam um número seqüencial definido pelo fabricante.
Por exemplo:
O fabricante Hirshmann produz placas com o seguinte endereço:
00: 80: 6 3: xx. yy. zz
Quadros DIX e quadros IEEE são idênticos quanto ao comprimento total e ao número de bits de cada campo, mas não são interoperáveis. Todos os protocolos TCP/IP para Ethernet usam quadros DIX e não quadros 802.3.
Observe que o tamanho mínimo do frame de dados é de 46 bytes.
Níveis físicos:
Vários meios físicos são utilizados na rede Ethernet dependendo das distâncias envolvidas.
As implementações do 802.3 são codificadas segundo a seguinte sintaxe:
As principais implementações são:
Rede Velocidade Meio Distância (m) 10BASE5 10 Mbps baseband coaxial grosso 500 10BASE2 10 Mbps baseband coaxial fino 185 10BASE-T 10 Mbps baseband par trançado 100 10BASEF 10 Mbps baseband fibra ótica variável 10BROAD36 10 Mbps broadband 3600
Tabela 2: Características básicas das redes 802.
Autor: Constantino Seixas Filho 8
1 0 B A S E 5 Esta é Ethernet original já fora de moda em nossos dias. O Ethernet grosso necessita de transceptores denominados MAU ( Medium Attachment Unit ) para efetuar o acoplamento do cabo grosso ao computador. As MAUs devem ser instaladas em taps espaçados de 2.5 metros. De cada MAU parte um cabo AUI ( Attachment Unit Interface ) até o cartão de interface no computador. A conexão se dá via um conector DB-15. Cada cabo AUI pode ter no máximo 50 metros. Vencidos os 500 m máximos de comprimento do cabo, um repetidor deve ser instalado até um comprimento máximo total de 2000 m. Esta tecnologia não suporta o padrão fast Ethernet.
1 0 B A S E 2 O Ethernet fino ou Thinnet ou Cheapernet irá utilizar conectores BNC de baixo custo, fácil aplicação e ótima conformação mecânica e cabo coaxial tipo RG- 58/u. O Ethernet fino continua a ser uma rede do tipo barramento. No máximo 30 estações podem ser interligadas até um comprimento máximo de 185 metros por segmento. Segmentos podem ser estendidos até o comprimento total de 740 metros. Também foram eliminados do mercado pelo advento da rede 10Base- T. Não suporta Fast Ethernet.
1 0 B A S E - T Transforma a arquitetura de rede em barramento em árvore. A ligação de cada computador é feita a um hub. Cada conexão não pode exceder a 100 metros. O Ethernet 10Base-T pode usar conector AUI-DB15 de 15 pinos ou conectores RJ45 de 4 vias grimpados. A última opção é a mais utilizada. Esta tecnologia deu origem ao Fast Ethernet.
1 0 B A S E - F Existem três padrões de mídia: 10BASE-FL: substitui o padrão FOIRL. 10BASE-FB: padrão para backbones pouco utilizado. 10BASE-FP: tecnologia utilizando hubs passivos, pouco popular.
O padrão 10BASE-FL requer fibra ótica duplex 62.5μm para cada link. É possível interligação em distâncias até 2 km, full duplex.
Tipo do cabo Impedância Uso Ethernet 10BASE5 50 ohms Ethernet grosso/IEEE802. RG 58/U 50 ohms Ethernet fino/IEEE 802. RG6 75 ohms IEEE 802.7 Broadband drop IEEE 802.4 Carrier band drop RG11 75 ohms IEEE 802.7 Broadband drop IEEE 802.4 Carrier band trunk RG59 75 ohms IEEE 802.7 Broadband drop Banda larga semi rígido 75 ohms IEEE 802.7 Broadband trunk RG62 93 ohms ARCnet, conexões IBM 3270 Tabela 3 : Tipos de cabos usados nas principais redes
Autor: Constantino Seixas Filho 10
o Compartilhamento necessita de arbitragem do barramento sem o conceito de prioridade o Compartilhamento resulta em colisões quando 2 ou mais dispositivos desejam transmitir simultaneamente. o Colisões bloqueiam a rede e impedem outros dispositivos de transmitir.
- Mais dispositivos em um segmento aumenta a probabilidade de colisão.
- Broadcast de mensagens consumiriam grande banda
- Não existe como diferenciar o tráfego de alta e de baixa prioridade.
- Não existe como assegurar um caminho de baixo atraso para o tráfego de tempo real. Estas limitações estão ilustradas na Figura 9.
Figura 9 : Limitações da rede Ethernet [Hirschmann QoS]
Autor: Constantino Seixas Filho 11
Evolução:
De 1973 até o presente – LANs isoladas (^) Na rede A todos os dispositivos
compartilham o mesmo meio físico. Para aumentar a performance três passos são necessários:
- Colapsar o backbone
- Incrementar links com servidores
- Micro segmentar a rede
De 1995 até hoje: backbone colapsado (^) Cada segmento de rede está
ligado a uma porta de um switch. Com a redução do custo e aumento do throughput dos switches tornou-se possível ligar cada nodo em uma porta individual. Quando os requerimentos por banda são baixos, pode-se ligar vários dispositivos a um segmento.
Arquitetura cliente - servidor (^) Com a adoção da arquitetura
cliente servidor, tornou-se necessário utilizar canais Fast Ethernet full duplex, propiciando largura de faixa de até 200 MHz para cada servidor. Os usuários passaram a utilizar canais com autodetecção de 10/100 Mbps. A microsegmentação implica em dar a cada usuário um canal dedicado, sem compartilhamento com outros dispositivos.
Com a microsegmentação tornou-se possível o uso de interfaces full duplex também para os usuários, o que inibe eliminar a arbitragem do barramento e permite a comunicação na velocidade nominal da rede. Isto implica também na duplicação da velocidade do barramento de 10/100Mbps para 20/200Mbps.
Figura 10 : Evolução de arquiteturas Ethernet
Autor: Constantino Seixas Filho 13
Os switches que tratam este quadro são os switches de camada 2. Outros switches irão trabalhar com campos de informação de prioridade pertencentes às camadas 3 (IP) e 4 (UDP ou TCP).
22 bytes 46..1500 bytes 4 bytes
MAC Dados FCS
22 bytes 24 bytes 22..1476 bytes 4 bytes
MAC IP Dados FCS
Versão IHL Tipo do Serviço
Comprimento total
Identificação Flags Offset de fragmentação Tempo de existência
Protocolo Checksum cabeçalho
Endereço Fonte Endereço Destino Opções Padding
Figura 12 : Quadro Ethernet simples e com quadro IP, mostrando campo ToS
22 bytes 24 bytes 8 bytes 14..1468 bytes 4 bytes
MAC IP UDP Dados FCS
Porta origem Porta destino Comprimento Checksum
22 bytes 24 bytes 24 bytes 0..1452 bytes 4 bytes
MAC IP TCP Dados FCS
Porta Origem Porta Destino Número de seqüência Número de Acknowledge Offset Reservado Flags Janela Checksum Urgent pointer Opções Padding
Autor: Constantino Seixas Filho 14
Figura 13 : Quadro Ethernet com quadros IP de UDP/TCP
Arquitetura em anel x barramento
A rede em anel traz como vantagem uma economia de cabos quando implementando redes com redundância. Apenas a Hirschman oferece esta solução no mercado atualmente (2002).
Figura 14 : Arquitetura em anel e barramento [Hirschmann QoS]
Arquiteturas de roteamento
A Figura 15 e a Figura 16 mostram a evolução de uma rede Ethernet convencional para uma rede com QoS implícito, isto é, obtido através de uma engenharia cuidadosa na atribuição de portas exclusivas a cada dispositivo e na escolha das bandas de passagem. O último estágio é o QoS explícito, em que a aplicação solicita serviços que garantem um caminho de comunicação livre de atrasos e de erro.
Autor: Constantino Seixas Filho 16
Figura 17 : Rede Ethernet com QoS explícito [Hirschmann QoS]
Quality of Service (QoS)
A responsabilidade de determinar o desempenho de uma aplicação é dividida entre o desenvolvedor da aplicação e a pessoa que define a arquitetura da rede. Antes o projetista da aplicação considerava que a performance da rede não era problema seu e considerava que a banda disponível era infinita. Hoje existem formas explícitas de se requisitar serviços especiais para a rede para atender aplicações críticas no tempo.
Prioritização do tráfego
O tempo de latência de switch é o tempo que um switch detém um pacote de dados, até libera-lo ao destino. Prioritização de dados é o nome dado ao processo de aceleração da passagem de pacotes de dados de alta prioridade pelo switch.
A prioritização de dados pode ser explícita ou implícita.
P r i o r i t i z a ç ã o i m p l í c i t a :
Um switch Ethernet ou a rede inteira aloca automaticamente níveis de serviços baseado em critérios especificados pelo administrador da rede tais como: tipo da aplicação, protocolo, ou endereço fonte. Cada pacote recebido é filtrado para verificar se ele obedece um destes critérios. QoS implícito deve ser engenheirado na rede e oferece recursos de fácil implementação. Um switch Ethernet pode prioritizar tráfego baseado no endereço fonte ou destino ou no port físico por exemplo. Este tipo de solução é
Autor: Constantino Seixas Filho 17
entretanto mais difícil de ser modificado, atendendo às mudanças de necessidade das aplicações.
P r i o r i t i z a ç ã o e x p l í c i t a :
No QoS explícito, uma aplicação requisita uma certa qualidade de serviço e os switches e roteadores tentarão cumprir o especificado. Várias técnicas estão hoje disponíveis:
IP Type of Service (IP TOS) Esta é a técnica que vem ganhando maior popularidade atualmente, principalmente devido ao seu uso para aplicações de Voice Over IP (VOIP). ToS Faz parte da definição da norma IPv4. É reservado um campo de 8 bits no pacote IP para especificação do tempo de atraso, throughput e confiabilidade. Padrões mais recentes conhecidos como serviços diferenciados (RFC 2474), particionam o campo em dois sub campos: DSCP(6 bits) e CU (2 bits). O DSCP define 64 códigos de prioridade divididos em 3 classes: Pool 1: DSCP = [0..31] reservado para ações padrões (por exemplo VOIP). Pool 2: DSCP = [32..47] reservado para uso local ou experimental Pool 3: DSCP = [48..63] reservado par uso local ou experimental.
Este campos já podem ser definidos pela função setsockopt() da última versão da biblioteca Winsock. Hoje este protocolo tem sido mais utilizado em aplicações multimídia. O cabeçalho Ipv6 possui um campo correspondente denominado classe de tráfego. Este campo tem a mesma função e localização do campo ToS.
22 bytes 46..1500 bytes 4 bytes
MAC Dados FCS
22 bytes 24 bytes 22..1476 bytes 4 bytes
MAC IP Dados FCS
Versão IHL Tipo do Serviço
Comprimento total
Identificação Flags Offset de fragmentação Tempo de existência
Protocolo Checksum cabeçalho
Endereço Fonte Endereço Destino Opções Padding
Figura 18 : Quadro Ethernet simples e com quadro IP, mostrando campo ToS
Autor: Constantino Seixas Filho 19
Figura 19 : Vídeo sobre IP – [Hirschmann QoS]
Ethernet
Netzwerk
Autor: Constantino Seixas Filho 20
Performance de redes Ethernet
Figura 20 : Rede Profibus DP com um mestre e 31 dispositivos escravos
Figura 21 : Rede Ethernet equivalente
Vamos comparar a performance de uma rede Ethernet Industrial com uma rede Fieldbus convencional.
Vamos considerar uma rede Profibus DP na sua velocidade máxima: 12 Mbps. Na verdade a velocidade desta rede depende do seu comprimento total e de outros fatores. Nós consideramos a existência de um mestre (CLP) e de 31 dispositivos escravos. Esta rede pode alcançar um tempo de scan de 1 ms para transmissão de 8 bytes de dados de entrada e 8 bytes de saída.
Na rede Ethernet não existe compromisso entre comprimento da rede e velocidade.
Dois parâmetros serão usados na avaliação das redes:
- Tempo de scan
- Variância de recepção
Tempo de scan: