ICI_T3 Redes de Comunicaciones

Informtica y Comunicaciones IndustrialesREDES DE COMUNICACIONES

TEMA 3 P 1 2013 - Dpto. Arquitectura y Tecnologa de Computadores. Universidad de Granada

Grado en Ingeniera Electrnica Industrial

Informtica y comunicaciones Industriales

Tema-3Redes de Comunicaciones




Contenidos

Comunicaciones. Conceptos bsicos. Componentes del proceso de comunicacin Interferencias y ruido Medios fsicos de comunicacin Multiplexacin, modulacin y codificacin

Redes de comunicaciones Concepto de red de comunicaciones Elementos de una red de comunicaciones Enlace de datos Modos de dilogo Tipos de redes

Segn tecnologa, segn forma (topologa), segn relacin entre nodos y segn extensin

Protocolos Modos de Inicio de la transmisin Arquitectura de redes

Modelo OSI Tipos de nodos en una red de comunicaciones




Bibliografa

A. Rodrguez Penin: Comunicaciones Industriales. Guia prctica, MARCOMBO, 1ed., 2008.http://site.ebrary.com/lib/univgranada/Doc?id=10232353

Deon Reynders, Steve Mackay, Edwin Wright. Practical industrial data communications : best practice techniques. Amsterdam, Elsevier, 2005. http://site.ebrary.com/lib/univgranada/docDetail.action?docID=10216687




Componentes del proceso de comunicacin

Un canal est formado por el conjunto de elementos fsicos destinados a la transmisin de una seal entre dos puntos: transmisor-medio-receptor.Un canal se caracteriza por sus propiedades fsicas: naturaleza de la seal que es capaz de transmitir, velocidad de transmisin, ancho de banda, nivel de ruido que genera, modo de insercin de emisores y receptores, etc.

DestinatarioFuente de informacin

Transmisor ReceptorMedio

Fuente de ruido

Seal Seal

RuidoMensaje Mensaje




Medios fsicos de comunicacin

Cable (par trenzado, coaxial)Fibra pticaRadio, microondasInfrarrojosLserSatlite




Interferencias y ruido

Ruido: Seal no deseada que interfiere con la seal original que se desea transmitir El medio de transmisin puede contaminar la seal (atenuacin, filtrado, distorsiones,

retardos, ruidos, ..)

La fuente de ruido puede ser interna o externa. Ruido interno:

Ruido trmico (movilidad de electrones en funcin de la temperatura), Defectos de diseo de los circuitos, Seales de osciladores y amplificadores, Intermodulacin de seal de RF

Ruido externo: Interferencias Electromagnticas (EMI)

De origen natural: Interferencias electrostticas y tormentasInterferencias de Radio Frecuencia (RFI)

El ruido es aleatorio y por tanto la interferencia que produce es impredecible.




Relacin seal-ruido (SNR)

La relacin seal-ruido (SNR) (cociente entre la potencia de la seal y la del ruido) disminuye a lo largo del medio de transmisin. Se expresa en dB como:

Se considera que una SNR de 20 dB es ruidosa, mientras que una SNR de 60 dB es aceptable (en realidad est en funcin de la tasa de transferencia de datos que necesitemos).

La mxima velocidad de transmisin de datos (Vmax) en bps depende del ancho de banda Ab y de la relacin seal ruido

db)/log(10 NSSNR

bps)/1(log.max 2 NSAbV




Bit Error Rate (BER)

Bit Error Rate (BER): N de bits correctos recibidos comparados con los bits errneos. Un BER=10-6 (1 bit

de error en 1 milln) est bien, mientras que un BER =10-12 es excelente. Para un sistema de telecontrol industrial con baja tasa de transferencia de datos, un BER de 10-4 puede ser aceptable.

Relacin entre SNR y BER: Conforme el SNR aumenta, el BER disminuye rpidamente:




Multiplexacin

Combinacin de dos o ms canales de informacin en un solo medio de transmisin usando un dispositivo llamado multiplexor.El proceso inverso es la demultiplexacin, realizada por un demultiplexor.Estrategias de multiplexacin: por divisin en el tiempo (TDM, Time division multiplexing) por divisin de frecuencia (FDM, Frequency-division multiplexing) por divisin de longitud de onda (WDM, Wavelength-division multiplexing) por divisin en cdigo (CDM, Code division multiplexing)Cuando existe un esquema o protocolo de multiplexacin para compartir un medio comn, como por ejemplo en telefona mvil o WiFi, suele denominarse acceso mltiple: acceso mltiple por divisin de frecuencia o FDMA; acceso mltiple por divisin de tiempo o TDMA; acceso mltiple por divisin de cdigo o CDMA.




Modulacin

Modulacin: tcnicas que se usan para transportar informacin sobre una onda portadora, tpicamente una onda sinusoidal.Onda portadora: seal, generalmente senoidal y que se adapta al medio de transmisin, modificada en alguno de sus parmetros (amplitud, frecuencia o fase) por la seal que se desea transmitir (seal moduladora).

Suele ser necesario modular la seal para adaptarla al medio de transmisin. El canal permite la transmisin de una determinada banda de frecuencias La onda portadora es de una frecuencia (frecuencia portadora) ms alta que la de la

seal de informacin. Cuando no se modula se dice que se transmite en banda base.




Tcnicas bsicas de modulacin

Modulacin analgica (la seal es analgica): de amplitud (AM). de frecuencia (FM). de fase (PM). de amplitud en cuadratura, amplitud modulada en cuadratura (QAM)

Modulacin Digital (la seal es analgica): Modulacin por desplazamiento de amplitud (ASK, Amplitude Shift Keying) Modulacin por desplazamiento de frecuencia (FSK,Frecuency Shift Keying) Modulacin por desplazamiento de fase (PSK, Phase Shift Keying)

Modulacin por pulsos (la portadora es un tren de polsos): Modulacin por ancho de pulsos (PWM, Pulse Width-Modulation) Modulacin por amplitud de pulsos (PAM, Pulse Amplitude-Modulation) La Modulacin por Posicin de Pulso (PPM, Pulse Position Modulation)

El espectro ensanchado, disperso, expandido (SS, Spread Spectrum) por secuencia directa (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) por salto de frecuencia (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum)




La amplitud de la seal portadora vara con la seal de mensaje a transmitir

La frecuencia de la seal portadora se mantiene constante

Seal de mensaje

x(t)

Seal portadora

Seal

AM

s(t)

t

t

t

Modulacin en Amplitud (AM)




La frecuencia de la seal FM vara con la seal de mensaje

La amplitud de la portadora no cambia

Seal portadora

Seal de mensaje

x(t)

Seal FM

s(t)

t

t

t

Modulacin en frecuencia (FM)




1 0 1 1 0 1

t

t

t

t

Seal digital de mensaje

x(t)

Portadora 2

para 0

Portadora 1

para 1

Seal FSK s(t)

Frequency Shift Keying (FSK)




Phase Shift Keying (PSK)

Se usan dos ondas de fase distinta para codificar los bits

Portadora

Portadora

)2sin( tfc

Seal de mensaje

x(t)

)2sin( tfc

1 0 1 1 0 1

Seal PSK

s(t)

t

t

t

t




Codificacin de seales

Determina la conversin de los bits de informacin en una seal fsica para su transmisin serie (un bit en cada ranura temporal). Asncrona: un bit de inicio (start bit) para sincronizar la comunicacin. Transmisor y

receptor usan la misma velocidad. Ejemplo RS-232.

Sncrona. Una seal de reloj indica al receptor los instantes de muestreo de la seal. Sncrono con reloj. El transmisor enva el reloj como una seal adicional. Sncrono autoreloj, El transmisor mezcla la seal de reloj con la seal de informacin. El

receptor recupera la seal de reloj. (ejemplo cdigo Manchester)

1 0 0 111 0 1Bit de start Cdigo del carcter Bit de stop

delimitadores del carcter

Bit de paridad




Ejemplo de codificacin: cdigo Manchester

Las seales de datos y de reloj, se combinan en una sola (auto-reloj)Cada bit codificado contiene una transicin en la mitad del intervalo de duracin de los bits: de negativo a positivo representa un 1 y de positivo a negativo un 0Es una modulacin por desplazamiento de faseUsada en Ethernet




Redes de comunicaciones

Una red de computadoras, tambin llamada red de ordenadores, red de comunicaciones de datos o red informtica, es un conjunto de equipos informticos y software conectados entre s por medio de dispositivos fsicos que envan y reciben impulsos elctricos, ondas electromagnticas o cualquier otro medio para el transporte de datos, con la finalidad de compartir informacin, recursos y ofrecer servicios.

Redes de computadoras; Andrew S. Tanenbaum




Nodo2

Nodo4

Nodo3Nodo

1

Nodo6

Nodo7

Nodo5

Nodos

Enlaces

Elementos de una red de comunicaciones

Una red de comunicaciones est formada por un conjunto de dispositivos llamados nodos interconectados entre s por enlaces de comunicacin de datos




Enlace de datos (data link)

Sistema de conexin entre dos equipos con el propsito de transmitir y recibir informacin.

Estructura de un enlace:

DTE (Data Terminal Equipment): Equipo Terminal de Datos. DCE (Data Communication Equipment): Equipo de Comunicacin de Datos.

DTE DTEDCE DCECanales




Modos de dilogo

Simplex Un emisor y un receptor de datos, y la informacin solamente fluye del primero al

segundo. Un canal.

Half Duplex La informacin fluye en las dos direcciones, pero no de forma simultnea, sino por

turnos. Un canal.

Duplex (Full duplex) El intercambio de informacin es bidireccional y simultneo. Hay dos canales: un canal para emitir y otro para recibir.




Tipos de redes segn tecnologa

Modos de comunicacin Punto a punto

Las redes punto a punto son aquellas que responden a un tipo de arquitectura de red en las que cada enlace de datos se usa para comunicar nicamente dos nodos.

Multipunto En las redes multipunto cada enlace de datos se puede usar para comunicarse con diversos

nodos. Permiten la comunicacin por difusin (BroadCast)

PUNTO A PUNTO MULTIPUNTO




Tipos de redes segn forma (Topologa)

La Topologa define la disposicin de los diferentes equipos alrededor del medio de transmisin de datos, determinando unas estructuras de red caractersticas: Redes Centralizadas (Clustered Systems)

Todos los equipos estn supeditados a un equipo central (Host) que controla todo el sistema. El Host debe ser un equipo potente para gestionar el trfico de datos con eficiencia.

El fallo de un Terminal no afecta al funcionamiento de la red, pero si el fallo es en el Host, se paraliza todo.

Redes Distribuidas (Distributed Systems) En este tipo de red, los equipos pueden ser mquinas sencillas que comparten las cargas de

trabajo, los recursos y comunicaciones. El fallo de un Terminal no afecta al resto de equipos.




Topologa de redes: configuraciones




Tipos de redes en funcin de la relacin entre nodos

Maestro-Esclavo Se establece una jerarqua entre los equipos, en la que uno de ellos, el maestro, tiene

el control de las comunicaciones (de forma temporal o permanente). Los dems equipos actan como esclavos.

El Maestro puede leer o escribir sobre los esclavos de la red que controla, mientras que el esclavo recibe los mensajes enviados por el maestro y emite hacia ste cuando le llega la orden de hacerlo.

Cliente-Servidor Se basa en la prestacin de servicios por parte de algunos equipos de una Red

(servidores), y el aprovechamiento de estos servicios por parte del resto (clientes). Un Servidor puede ser, a su vez, un esclavo de la red y una estacin puede ser, a la

vez, Cliente y Servidor.

Productor-Consumidor (basado en difusin) Se basa en el concepto difusin (broadcast). Un nodo productor emite un mensaje

global a la red cuando lo necesita. Los nodos consumidores reciben la informacin, y determinan si son los destinatarios del mensaje.

Peer-to-peer Red entre iguales, en la que todos o algunos aspectos funcionan sin clientes ni

servidores fijos:los nodos que se comportan como iguales entre s.




Tipos de redes segn extensin

Redes de rea Amplia, WAN (Wide Area Network) Cubre necesidades internacionales o nacionales (Seguridad Social, etc.).

Redes de rea Metropolitana, MAN (Metropolitan Area Network) Cubre necesidades a escala de una ciudad (gestin de edificios municipales).

Redes de rea Local, LAN (Local Area Network) Redes Locales. Geogrficamente limitadas (sobre 1Km de radio), y permite

interconectar de forma sencilla ordenadores situados en edificios prximos, que pueden ser de uso industrial, terciario o domstico (Ethernet o FDDI).

Redes de rea personal, PAN (Personal Area Network) Comunicacin entre distintos dispositivos cercanos, normalmente unos pocos metros

y para uso personal.

Redes de rea Corporal, BAN, (Body Area Network) Red de comunicacin entre dispositivos utilizados en el cuerpo,, por ejemplo

micrfonos, auriculares, sensores, etc.

Anteponiendo una W indicamos inalmbrica (wireless):Por ejemplo: WLAN (Wireless Local Area Network)




Protocolos de comunicacin

Un protocolo controla el formato de los mensajes entre los dispositivos de una red.Estos mensajes deben ser eficientes, seguros, flexibles y fciles de implementar por software y hardware.Se define la eficiencia como: N bits de informacin transmitidos / n de bits totales transmitidos

Los mensajes se dividen en: Establecimiento del mensaje: suministra las seales que sincronizan al receptor y

al transmisor Informacin: Datos en forma codificada que permiten al receptor decodificar la

informacin y usarla en forma apropiada Terminacin del mensaje: Test de seguridad (CRC, checksum, ) y marcas de

final




Modos de Inicio de la transmisinCon dilogo El maestro tiene el control total de las comunicaciones Se puede usar para configuraciones multipunto y es la modalidad ms sencilla de

utilizar y de implementar. Los esclavos no inician nunca la comunicacin: slo responden al master cuando este lo

solicita (comunicacin half-duplex). Formas de comunicacin:

Transmisin acclica bajo demanda: un nodo esclavo (slave) responde a la llamada de un maestro (master) que le solicita datos o le enva rdenes.

Sondeo cclico (polling): el maestro solicita (o enva) datos en forma peridica a todos los esclavos. Se puede romper el ciclo para comunicaciones urgentes con un esclavo (rdenes con prioridad).

Sin dilogo Los nodos pueden enviar mensajes sin esperar a un maestro Formas de comunicacin:

Transmisin cclica: transmisin peridica de datos desde el nodo Transmisin iniciada tras evento (transmisin espontnea): se produce un evento (alarma,

cambio de estado, modificacin de una variable) y el nodo enva la informacin




MASTER

SL-1 SL-2 SL-3

Lista de polling:

SL-1

SL-2

SL-3

Peticin-1

Respuesta-1

Peticin-2

Peticin-3

Respuesta-2 Respuesta-3

Diagrama de sondeo cclico




Modelo OSI

OSI (Open System Interconnection, Interconexin de Sistemas Abiertos) Modelo de referencia para la interconexin de

sistemas de comunicacin abiertos.

Establecido en 1984 por la ISO (International Standards Organization): ISO 7498

Esta arquitectura se basa en un esquema de siete capas o niveles, que se superponen en mayor o menor medida.

Es slo un modelo de referencia




OSI. Arquitectura de capas

Bsicamente, cada nivel se comunica con su nivel homlogo de otro sistema, haciendo servir de intermediarias las capas que tiene por debajo, creando una serie de canales que codifican (envo) y decodifican (recepcin) la informacin, cada uno con su correspondiente protocolo de comunicacin.

Aplicacin

Presentacin

Sesin

Transporte

Red

Enlace de datos

Fsico

P.AplicacinP.Aplicacin

P.PresentacnP.Presentacn

P.SesinP.Sesin

P.TransporteP.Transporte

P.RedP.Red

P.EnlaceP.Enlace

Canal

Aplicacin

Presentacin

Sesin

Transporte

Red

Enlace de datos

Fsico

protocolos

inte

rface

s

serv

icio

s

Bits

Tramas

Paquetes

Segmentos

Datos




Nivel 1 Capa Fsica (Physical Layer)

Especifica las caractersticas mecnicas y elctricas del sistema fsico de transporte. Se definen: El medio: cable de par trenzado, cable coaxial, fibra ptica, etc. Las interfaces que permiten la conexin fsica de los equipos a dicho sistema de

transporte Las topologas aceptadas El modo de emisin (forma de la seal) El soporte de transmisin (Banda Base o Seal Portadora) Velocidades, etc.

Unidad de informacin: bit




Nivel 2 Capa de Enlace de Datos (Data Link Layer)

Establece cmo se accede a la red, el mtodo de acceso al bus y el direccionado de los equipos.Unidad de datos: trama.Dos subcapas: Control de Enlace Lgico (LLC, Logical Link Control)

Establece la forma de agrupar los datos en paquetes de longitud adecuada, y aade los mecanismos necesarios para poder controlar la transmisin de informacin y poder detectar y corregir los errores que puedan aparecer (CRC, Cyclic Redundance Code).

Control de Acceso al Medio (MAC, Media Access Control): Debe realizar el control de envi y recepcin de informacin en el bus, teniendo en cuenta

que puede haber ms de un interlocutor, y debe garantizar el acceso a todos los equipos conectados a la red.

Centralizado. Controlado por un maestro: tcnica de sondo (polling).Paso de testigo (Token Passing). Su poseedor puede emitir un mensaje y a continuacin transmitir el testigo al equipo siguiente: Token-bus y Token-ring.Aleatorio. El equipo que quiere emitir verifica que la lnea de transmisin est libre. Si dos equipos emiten de forma simultnea, se origina una colisin (los mensajes se destruyen): CSMA (Carrier Sense Multiple Access), CSMA/CD (con deteccin de colisiones), ...




Nivel 3 Capa de Red (Network Layer)

Esta capa se ocupa del direccionamiento a travs de sistemas mediante tcnicas de encaminamiento (routing), y de control de flujo.Unidad de informacin: paquete.Aqu se aplican algoritmos de control de trfico y optimizacin, de manera que un mensaje puede estar fragmentado en varios paquetes que no tienen por qu seguir el mismo camino. El tamao del paquete se elige para optimizar el trfico. Los mensajes se fragmentan y recomponen en la capa de transporte. Cada paquete seguir el camino ptimo determinado por los controladores de la red,

atendiendo a variables tales como la disponibilidad de equipos y el estado del trfico de la red en cada momento.

Enrutamiento centralizado Enrutamiento distribuido

Orientacin de la conexin Datagrama: cada paquete se encamina independientemente. Puede prestar servicio

de circuitos virtuales. Circuito: se establece una conexin que se mantiene durante toda la sesin.




Nivel 4 Capa de Transporte (Transport Layer)

Tiene la misin de garantizar un enlace fiable entre terminales. Ofrece un protocolo independiente de la red.Unidad de informacin: mensaje PDU de TCP/IP: segmento (TCP) o datagrama (UDP).

Divide la informacin en paquetes manejables por el sistema de transmisin. Controla la gestin de los paquetes de informacin (orden de envo y recepcin, formatos de transmisin, peticiones de reenvo en caso de error, etc.).Esta capa no es indispensable en el caso de un bus de campo, pues sus servicios ya los soportan las capas 1, 2 y 3.




Nivel 5 Capa de Sesin (Session Layer)

Administra las comunicaciones entre equipos (organizacin y sincronismo en el intercambio de datos). Se ocupa de coordinar las comunicaciones mediante el establecimiento de comunicacin, su mantenimiento y su finalizacin de una forma ordenada.Servicios: Control del Dilogo Agrupamiento: el flujo de datos se puede marcar para definir grupos de datos. Recuperacin: puede proporcionar un procedimiento de puntos de comprobacin, de

forma que si ocurre algn tipo de fallo entre puntos de comprobacin, la entidad de sesin puede retransmitir todos los datos desde el ltimo punto de comprobacin y no desde el principio.

Al igual que la capa cuatro, en el caso de un bus de campo sus servicios ya los soportan las capas 1, 2 y 3.




Nivel 6 Capa de Presentacin (Presentation Layer)

Realiza la conversin de datos a un formato comn, entendible por todos los equipos (compatibilizando ficheros, impresoras, etc.). Lenguaje propio del equipo para transmitir y recibir. Por ejemplo, invertir el orden de los bytes (little endian o big endian).

En esta capa se tratan aspectos tales como la semntica y la sintaxis de los datos transmitidos.Encriptacin, codificacin y compresin de datos.En este nivel deberan situarse las normas que definen los "Aparatos Virtuales (Virtual Devices), que respetaran las mismas rdenes y la misma codificacin de las variables, haciendo la aplicacin transparente al Usuario (todos los elementos de red seran idnticos, representados de la misma manera).




Nivel 7 Capa de Aplicacin (Application Layer)

Ofrece a las aplicaciones la posibilidad de acceder a los servicios de comunicacin y define los protocolos que utilizan las aplicaciones para intercambiar datos, como correo, servidor de ficheros (FTP): FTP (File Transfer Protocol) Protocolo de transferencia de archivos HTTP (HyperText Transfer Protocol) para acceso a pginas web y HTTPS POP (Post Office Protocol) para recuperacin de correo electrnico SMTP (Simple Mail Transport Protocol) para envo de correo electrnico SSH (Secure SHell); TELNET para acceder a equipos remotos etc.

Hay tantos protocolos como aplicaciones distintas y puesto que continuamente se desarrollan nuevas aplicaciones el nmero de protocolos crece sin parar. En Automatizacin por ejemplo se utiliza el protocolo MMS (Manufacturing Message

Specification), en el que se incluyen los servicios y protocolos MAP (ManufacturingAutomation Protocol).




Tipos de nodos en una red de comunicaciones

Los elementos de la electrnica de red ms habituales son: Repetidor (repeater), o concentrador (hub) Conmutador (switch) Puente de red (bridge) Enrutador (router) Pasarela (gateway) Puerta de enlace (default gateway) Punto de acceso inalmbrico (Wireless Access Point, WAP)




Repetidor (repeater)

Dispositivo electrnico que recibe una seal dbil o de bajo nivel y la retransmite a una potencia o nivel ms alto para cubrir distancias ms largas: opera en el nivel fsicoSi es digital se llama regenerador o concentrador (hub)

Aplicacin

Presentacin

Sesin

Transporte

Red

Enlace de datos

Fsico

Aplicacin

Presentacin

Sesin

Transporte

Red

Enlace de datos

Fsico Fsico

Host A Host B

Repeater




Conmutador (switch) y puente de red (bridge)

Son dispositivos de interconexin de equipos que operan en la capa de enlace de datos del modelo OSI.En Ethernet su funcin es interconectar dos o ms segmentos de red pasando datos de un segmento a otro de acuerdo con la direccin MAC de destino de las tramas en la red.Un puente de red puede interconectar sistemas con distinta capa fsica, por ejemplo un punto de acceso Wifi-Ethernet.

Aplicacin

Presentacin

Sesin

Transporte

Red

Enlace de datos

Fsico

Aplicacin

Presentacin

Sesin

Transporte

Red

Enlace de datos

Fsico

Enlace de datos

Fsico

Host A Host B

Switch




Enrutador o encaminador de paquetes (Router)

Es un dispositivo que proporciona conectividad a nivel de red o nivel tres en el modelo OSI.Su funcin principal consiste en enviar o encaminar paquetes de datos a travs de la red.

Aplicacin

Presentacin

Sesin

Transporte

Red

Enlace de datos

Fsico

Aplicacin

Presentacin

Sesin

Transporte

Red

Enlace de datos

Fsico

Red

Enlace de datos

Fsico

Host A Host B

Router




Pasarela (Gateway) o puerta de enlace (Default Gateway)

Dispositivo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas diferentes.

Aplicacin

Presentacin

Sesin

Transporte

Red

Enlace de datos

Fsico

Aplicacin

Presentacin

Sesin

Transporte

Red

Enlace de datos

Fsico

Host A Host BGateway

Aplicacin

Presentacin

Sesin

Transporte

Red

Enlace de datos

Fsico

Aplicacin

Presentacin

Sesin

Transporte

Red

Enlace de datos

Fsico

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