Formation Bus de Terrain _Partie 1a _ Un peu de la theorie

RéseauxIndustriels et Bus de Terrain
FORMATION : Réseaux Industriels et Bus de Terrain : P-1a : Un peu de théorieW.GOMOLKA : FESTO France 27/01/2015 1
RéseauxIndustriels et Busde Terrain: Sujets Divers
1 : Types de réseaux
2 : Equipements des réseaux
3. Topologies des réseaux
4. Message/Trame; Modèles decommunication

1 : Types de réseaux

RéseauLocal : LAN
•Un Réseau Localcorrespondàunréseau de communicationintra-entreprise
•Ce typederéseau est généralement désigné parle sigle :
- LAN: LocalArea Network
•«Local»ne signifie pasque ceréseau setrouvedansun endroitlimitégéographiquement: bureau,
bâtimentou uneusine,…,
•«Local» signifie queleréseau est lapropriété exclusive d’unutilisateur pourassurerla transmission
desses données entrel’équipement deson réseau

RéseauLocal (LAN)et les réseaux MAN, WAN
•UnRéseau Local peut être connecté (par unelignepropreou par téléphone) àdes réseau publics (régionaux,
nationaux ou internationaux).
•Enfonction deleurtaille, ces réseaux sont connus sous le nom MANou WAN.
•MAN(Metropolitan Area Network, réseau urbain)permet l’interconnexion de plusieurs sites à l’échelle d’uneville;
chacundes sites pouvant êtreéquipé d’un réseau local.
•WAN(Wide Area Network,réseau longue distance) est, généralement,un réseau d’opérateur qui assure la
transmission des données sur des distances à l’échelle d’unpays ou du globe.

LAN
Réseaux locaux
MAN
Réseau public partagé
WAN
Réseau public de
télécommunication
Débits (bits/s)
Distances (m)
1 k
10 k
100 k
1 M
10 M
100 M
1 G
10 m 100 m 1 km 10 km 100 km 500 km
Types de Réseaux:LAN, MAN, WAN
•Dans un Réseau Local, les liaisons entre les stations sont généralement permanentes.
•Dans un Réseau Public, les liaisons sont limitées à la durée de communication.

Les Réseaux« Ouverts »/Réseaux «Propriétaires»
(Open networks/Proprietary networks)
Le réseau/Bus deTerrain ouverts
• Le terme "Open Network« signifie que lagestion de la spécification du réseau (et des normes correspondantes) est réalisée par une
organisation compétente, indépendante(théoriquement) et ouverte aux multiples participants (constructeurs, utilisateurs,…).
 L'avantage desréseaux ouverts est que les produits« réseau »(matériel, software), proposés par les membres de cet organisme
devraient être en mesure de s’intégrer etd'interopérer sur le réseau « supporté » (interoperabilité) .
 Laplupart des organisations de Bus de Terrain proposent aussi le service decertification pour valider la conformité à la
spécification (afin de donner la confiance aux utilisateurs finaux)
Donc, il est conseillé de toujours vérifier que les appareils utilisés sur un réseau donné, sont certifiés parl'organisme compétent.
Exemples: CiA(CANopen),ODVA (DeviceNet,EthernetIP),modbus.org(Modbus),EPSG(EthernetPowerLink),CLPA(CC-Link),PNO(ProfiBus,ProfiNet),
ETG (EtherCAT),AS-International (AS-I)

Les Réseaux« Ouverts »/Réseaux «Propriétaires»
(Open networks/Proprietary networks)
RéseauxPropriétaires
• Réseaux propriétaires sont généralement contrôlés etmaintenus parun seul constructeur ou un petit grouped'entreprises
« partenaires ».
• Les spécifications de ces réseaux sont souvent étroitement liés auxcaractéristiques requises pour des produits d’un
constructeur, souvent pour proposer unesolution efficace, focalisée sur un problèmeparticulier (exigé parle(s) client(s))
• L'interopérabilité n’est pas un problème car, en général, tous les appareils sont proposés parun seul (ou un partenaire de)
fournisseur
Exemple:
CP-I/I-Bus (Festo),MP-Bus(Beckhoff),SmartWire (Eaton),MECATROLINK (Omron), MetaSys (JohnsonControl),CTNet(Control
Techniques),SafetyNet-P (Pilz)

2 : Equipements des réseaux

Unité
(Station)A
Unité
(Station)B
Unité
(Station)Z
Unité
(Station)X
Equipement de communication d’un réseauindustriel
Equipement
d’interconnexion et de
communication
Equipement
communication
Equipement
communication
Equipement
communication
Réseau de transmission
Lignesdetransmission
• Les composants principales d’un réseau sont :
- LesStations :les équipements terminaux qui souhaitent échanger des données,
- Leslignes detransmission : (câbles, connecteurs, ondes radio…) utilisées pour connecter les stations et pour transmettre les
signaux physiques;
- Différents équipementsd’interconnexion et decommunication utilisés pour coder et transmettre les données, ainsi que
pour l’ensemble des tâches du contrôle de communications surle réseau.

Equipements d’interconnexion pour réseauxindustriels (1)
Les composantsquifontpartied’équipementd’interconnexionetdecommunication assurent
l’ensemble destâchesdeconnexionet communicationentredeuxou plusieurséquipements
terminaux.
Parmileplus courants onretrouveles composantssuivants:
- lesmodems
- lesrépéteurs (repeater,HUB)
- lescommutateurs(switches)
- lesmultiplexeurs
- lesponts(bridges)
- lesrouteurs
- lespasserelles
Etaussi :
- les isolateurs, convertisseurs d’interface, dispositifs departage de ligne, résistances de terminaison, etc..

Le MODEM(MODulateur- DEModulateur):
•C’est uncomposant qui transforme, compacte et adapte les données numériques transmises en signaux
physiques définis par la ligne de transmission (medium, support physique) qui doit les transférer.
•Ilassure ces fonctions enréalisant la modulation des signaux à l’émission et démodulation à la
réception.
•Ces sont des recommandations d’un organisme IUT-Tqui définissent les caractéristiques principales dela
modulation etles débits maximums des modems
Réseau(Téléphonique,
Public,Privé,…)
MODEM MODEM
Lignede transmissionLignede transmission
Unité
(Station)A
Unité
(Station)Z
Lignede données
Lignede données

LeREPETEUR(repeater,HUB)
•Unrépéteur est undispositif électronique combinant un récepteur et un émetteur, qui compense les pertes de
transmission d'un média (ligne, fibre, radio) en amplifiant le signal sans modifier son contenu.
•Ilpeut être raccordé entre deux segments du câble ou deux réseaux identiques qui constituerons alors un seul
réseau logique.
•Si besoin, le répéteur permetaussi
le changement de supportphysique,
par exemple connecterun réseau enétoile
avec un réseau en bus
(connecter uncâble STP à un câble coaxial )
•Si un répéteur permetde connecterplusieurs
câbles (multiport), onparle d’un concentrateur.
Equipements d’interconnexion pour réseauxindustriels (3.1)

Les caractéristiques principales d’un REPETEUR
•Unrépéteur est un équipement passif du réseau !!
•Enconséquence :
-Ilne réalise aucune fonction de routage, du traitement des données et d’accès au support
-le débit deretransmission est le même que de réception
-la trame n’est modifiée en aucune façon lors de la traverser du répéteur
•Dela même façon, un HUB est un équipement passif,un concentrateur, qui permet(p.ex. sur les réseaux
Ethernet) de connecter en étoile plusieurs stations duréseau.
Unité
(Station)A
Unité
(Station)Y
Unité
(Station)Z
Unité
(Station)BUnité
(Station)C
Unité
(Station)D

Le COMMUTATEUR(switch):
•Uncommutateur réseau (en anglais, switch) est un équipement qui relie plusieurs segments
(câbles ou sous-réseaux) dans un seul réseau.
•Puisque uncommutateur (switch) possède plusieurs ports decommunication(4 à 100),il a donc
la même apparence qu'unconcentrateur(HUB).
•Alors, ils sont souvent utilisés pour remplacer des concentrateurs.
•Mais, contrairementà unconcentrateur(HUB), uncommutateur (switch) nese contentepas de
reproduire,sur tous les ports, chaque trame qu'il reçoit.

TE TE
TE
TE
TE
TE TE
TE
TE
TE
HUB Switch
LeCOMMUTATEUR(switch):
•Contrairementà un concentrateur, un commutateur (switch) est un appareil intelligent et il sait déterminer sur
quel portil doit envoyer une trame, en fonction de l'adresse à laquelle cette trame est destinée.
•Le switch analyse les trames arrivant sur ses ports d'entrée, détermine l’adresse du destinataire et les aiguille vers le
port adéquat sur lequel le destinataire et connecté.
•On parle donc de commutation de trames ou de réseaux commutés.

Fonctionnementd’uncommutateur(switch)
• Le commutateur établit etmet à jour unetable desadresses, qui lui indique sur quel portdiriger les trames destinées à une
adresse donnée (des trames reçues sur chaque port).
• Lecommutateur construit donc dynamiquement une table qui associe desadresses avecdesports correspondants.
• Lorsqu'il reçoit une tramedestinée à une adresse présente dans cette table, le commutateur renvoie la tramesur le port
correspondant (forwarding).
• Si leport de destination est le même que celui
de l'émetteur, la tramen'est pas transmise.
• Si l'adresse du destinataire est inconnue dans la table,
alors latrame est transmises àtoutes les ports
du commutateur à l'exception du portde réception
(flooding, broadcasting (attentionau « broadcasting storm !!)).

Le ROUTEUR
•UnRouteur est un équipement d'interconnexionde réseaux permettant d'assurer le routage des paquets entre
deux réseaux de même type, c.à.d. de déterminerle chemin qu'unpaquet de donnéesva emprunter.
•Pour y parvenir,les routeurstiennent à jour des tables deroutage, c.à.d. des itinéraires à suivre en fonction de
l'adresse visée.
•Ilexiste denombreuxprotocoles dédiés à cette tâche.
•En plus, les routeurs doivent assurer le passage des données d'unréseau à un autre.
•Dans la mesureoù les réseaux n'ont pas les mêmescapacités (taille depaquets dedonnées), les routeurs sont
chargés de fragmenter les paquets de données pour assurer leur circulation.

Le MULTPLEXEUR
•Les Multiplexeurs permettent le partage statique (allocation fixe etpermanent) de la ligne de transmissionentre
plusieurs stations qu’ils connectent.
•C’est une économie du câblage, cardeux multiplexeurs et unelignepermettent d’assurer le même travail que, par
exemple, 16liaisons modem et câbles.
•le multiplexage peut être fréquentiel (canauxà bandede fréquenceétroite) ou temporel si chaque station occupe
la ligne successivement pendant un lap dutemps.
Unité
(Station)A
Unité
(Station)C Unité
(Station)I
Unité
(Station)Z
Unité
(Station)X Multiplexeur
Multiplexeur
Lignede transmission
Partagée(multiplexée)

Le PONT(bridge)
•Le PONTest unéquipement d'interconnexion permettant deconnecter (de façon intelligente) deux réseaux locaux
ayant la même norme mais des câbles différents.
•Par rapport à un répéteur, le PONT doit aussi assurer
-des fonctions de routage
-le contrôle de flux lorsque les débits des réseaux sont différents
UnePASSERELLE(gateway)
•UnePASSERELLE est un équipement d'interconnexionpermettant deconnecter(de façon intelligente) un réseau
local à un autreréseau de structure/type/normedifférentes (réseaux hétérogènes)

Lignes de transmission : medium/support physique (1)
Le support physique de communication est une ressource critique du réseau.
Le choix du support physique de communication (câbles, connecteurs, lignes de transmission)est une tâche très
importante qui doit prendre encompte plusieurs critèresparmi lesquels on trouve :
•la distance maximumentreles stations
•le typede transmission (numériqueou analogique)
•le débit (vitesse de transmission) minimumet maximum supporté par la ligne
•la fiabilité, l’immunitéen bruits (EMI)
•la nature et le volume des informations échangées (données, voix, imagés vidéo,…)
•la connectique (le typeet le « sexe »de connecteurs par exemple)
•le coûts,…

Les différents supports physiquesutilisés pour construiredes lignes de transmission dans les réseaux industriels sont
:
•les fils de cuivre en Paire Torsadée non blindées (UTP)
•les Paires Torsadées blindées (STP)
•les Câbles Coaxiaux
•les Fibres Optiques
•les faisceaux hertziens (ondes radio)

Les caractéristiques dedifférents supports utilisés dans les réseaux industriels :
•les Solution « cuivre » (UTP,STP,Coax)
-Lescoûts (câbles, connecteurs) raisonnables (++)
- Débit maximum : 100 Mbit/s
- Distance max. (sans répéteurs) :1 km (~4 km pour Coax)
- Immunité en bruits (EMI) :faible pour UTP;bonne pourSTP,très bonne (Coax)
•les Fibres Optiques
- Les coûts (câbles, connecteurs) assez élevés, connexion assez difficile (-)
- Débit maximum : 1000 Mbit/s
- Distance max.(sans répéteurs) : 10 km
- Immunité en bruits (EMI) : excellente (++)
•les faisceaux hertziens (ondes radio)
- Pas decâbles,donc : mobilité, flexibilité (++)
- medium « ouvert» : flexibilité (+)mais les problèmes de sécurité (-)
- Distances et débits limités , atténuation du signal(-)
- Immunité en bruits (EMI) :aucune, risques d’interférence (--)

• Pour la conception des Réseaux Locaux, le choix du supportphysique et d’équipement d’interconnexion est
fondamentale, surtout en milieuindustriel.
• C’est ici, oùil faut choisir le support-médium («filaire», «non-filaire»), letypeet le «sexe» des connecteurs, fairele
choix d’un câblage et d’unetopologie.
• Puisque le support est un élément (ressource) critique, seulement unbon choix detous les éléments dela structure
matérielle peut garantir le fonctionnement performant et efficace du réseau…
Equipement de communication pourréseauxindustriels
Quelques remarquespersonnelles (1)

 Le bonfonctionnement denombreux Réseaux/Bus deterrain nécessite uneterminaison électrique (élimination des reflets et
augmentation de l'immunité aux bruitsEM)
Cette terminaison est généralement réalisée avec des résistances montées aux extrémités physiques d'uncâble de
communication :Résistances deTerminaison.
Si les répéteurs sont utilisés, les segments de chaque côtédurépéteur nécessitent une résistance determinaison.
Equipement de communication pourréseauxindustriels
Quelques remarquespersonnelles (2) : Les terminaisons

3. Topologies des réseaux

LesTOPOLOGIES de réseaux
•La Topologie caractérisela manière dont les équipements sont connectés.
•Le choix de la solution et de la topologie du réseau est très important, car il s’agit d’unchoix d’une
infrastructure de longue durée qui doit assurer le transport (sans problèmes) des données importantes.
•Deplus, la solution retenue doit pouvoir être adaptée et agrandie lorsque les conditions d’utilisation
changent.
•Les solutions (topologies) les plus courantes sont :
-Point à Point sériel (Point-to-Point)
-Réseau en étoile (Star)
-Réseau en anneau (Ring)
-Réseau en bus
-Réseaux mixtes (Arbre)
•Ilfaut souligner que chaque solution « réseau »doit avoir un système efficace de règles de circulation pour les
transmission dedonnées (trafic).

Lestopologies de réseaux
Point à Point sériel
Unité
(Station) A
Unité
(Station) B
•La transmission dedonnées entre deux unités communicantesse fait sur une seule ligne.
•Utilisée dans des liaisons simples, du typeordinateur – imprimante.
•Utilisée aussi dans desstructures plus complexeslorsque, par exemple pour des raisons de sécurité,
on souhaite que chaqueunitépuisse communiquer directement avec uneautre.

Réseauen étoile (Star)
Unité
(Station)A
Unité
(Station)C
Unité
(Station)B
Unité
(Station)Z
Unité
(Station)X
NœudCentral
(HUB)
HUB : Host Unit Broadcast (unité de diffusion vers les hôtes)
• Réseau en étoile contient plusieurs stations connectées « point à
point »
• Chaquestation communique par sa propreligneavec le nœudcentral
(HUB)
• Avantages principales :
- une grandesécurité : si une ligne vient à défaillir, les autres ne
sont pas affectées
- la souplesse (extension facile)
- gestion duréseau : simple
• Les inconvénients :
- Grandes longueurs decâbles (coûts)
- toutes les communications doivent se faireparl’intermédiaire d’un
nœud central HUB; en cas d’une panneduHUB, le réseau est hors
service

Réseauen anneau(Ring)
Unité
(Station)A
Unité
(Station)C
Unité
(Station)B
Unité
(Station)Z
Unité
(Station)X
• Toutes les stations sont connectées en série dans uneboucle fermée
• Lemessage doit traverser certain nombre destations avant arriverchez le
destinataire
• Pouréviter des collisions, on fait circuler un message TOKEN (Slot)
(corbeille à courrier vide)
• L’émetteur contrôle que TOKEN est vide ety ajoute son message et
l’adresse dudestinataire
• Lastations suivante vérifie si le contenu du TOKEN est lui destiné; si ce
n’est pas le cas, elle le fait passer à la suivante.
• Le destinataire videleTOKEN, ypose un accusé de réception etlemet
en circulation
• L’émetteur peut ainsi vérifier que le message a été reçu etpuis ilremet
leTOKEN videen circulation.
Avantage : excellentes performances
Inconvénients : gestion complexe, manque de
souplesse

Unité
(Station)A
Unité
(Station)C Unité
(Station)B
Unité
(Station)Z
Unité
(Station)X
Réseauen bus
TT
• Dans cette configuration chaquestation (nœud) est raccordé à un
câbleconstituant une liaison physique commune (bus).
• Toutes les données sont transmises parlemême câblepour
atteindre les différents nœuds.
• Dans ce typedu réseau, il faut établir desrègles d’accèsau bus
permettant à l’émetteur de contrôler si le bus est libre et de savoir ce
qu’il faut faireen cas d’une collision (p.ex. retransmission différée)
• Unedéfaillance d’un nœud n’interrompe pas la communication entre
les autres nœuds
• Installation, gestion et l’extension aisées
• Inconvénients :letrafic peut être lent lorsque de nombreuses
stations doivent communiquer (problèmes departage du bus,
collisions).

Réseauxmixtes (p.ex. Arbre)
• En utilisant différents composants deconnexion/communication, on peut créer des solutions personnalisées qui
conjuguent les avantages desdifférents topologies.
• Ces solutions mixtes peuvent être plus avantageuses tant au niveau de performances qu’au niveau de la sécurité (données)
• Exemple :un réseau en Bus avec étoiles réparties pourfaire communiquer plusieurs réseaux en étoile.

Lestopologies de réseaux : structure particulière
Réseaumaillé (Meshtopology)
Câblé
RF,
sans file
• Latopologie MESH (terme anglais signifiant maille ou filet), est une topologie (filaires ou non) où toutes les stations sont
connectées en point àpoint, formant ainsi une structure en filet.
• Latechnologie MESH permet aux stations dese connecter d’unefaçon dynamiqueet/ou statique, instantanée, sans hiérarchie
centrale.
• Latechnologie MESH permet aussi la connexion et la déconnexion d’une station sans recourir àla configuration manuelle et
fastidieuse du réseau.

Réseaumaillé (Meshtopology)
Câblé
RF,
sans file
Avantages :
•La facilité d’installation et une robustesse d’infrastructure
•Des possibilités d’alimentation diverses destations
•Le faible coût (l’élimination totale du câblage) en cas du réseau sans fil
Inconvénients
• Gestion complexe: Routage, distributions des adresses (adr.IP parexemple)
• Débits utiles et temps delatence
• SECURITE !
• Lescoût importants en cas d’une solution filaire (câblée)

Structure«Daisy Chain»(Repeatedbustopology)
Station1
COM1 COM2
Station2
COM1 COM2
Station3
COM1 COM2
• Dans la structure Daisy Chain, chaque station est équipé de deux ports decommunication
-COM1pourdialoguer avec la station (directement) précédente
-COM2pourdialoguer avec la station (directement) suivante
• Si lastation envoie des données vers la station plus éloignée, le message doit traverser toutes les stations intermédiaires :donc
ralentissement de communication
• Si l’une de stations intermédiaires est défaillante, le dialogue entre des stations « éloignées » n’est plus possible; mais…

Structure« Daisy Chain »en anneaubidirectionnel
Station1
COM1 COM2
Station2
COM1 COM2
Station3
COM1 COM2
• La structure Daisy Chain peut être facilement transformée en doubleanneau (bidirectionnel)
• Il est possible d’assurer la communication en cas dela défaillance d’unestation
- Si la communication « à droite» échoue, les données sont envoyées « à droite»
• Structure Daisy Chainest intéressante en casdesdistances assez importantes (repeatedbus), là où une topologie en étoile
devient tropcoûteuse (le cas Ethernet, parexemple)
• Ou, en structure double anneau, si l’on souhaite assurer le fonctionnement du réseau en cas de rupturede câbles

4. Message/Trame; Modèles decommunication

Application Application
Station A Station B
Message, Trame, …
Messages/Trames
EchangedesDonnées
• L’échange des données se fait par la transmission deMessages.
• Le MESSAGE est uneunitéd’information qui doit êtretransmise par l’application émettrice (expéditeur) vers un ou
plusieurs destinateurs.
• Le message peut contenir les données d’application et des informations ducontrôle (les adressesd’émetteur/destinateur,letype
etle nombrededonnées,checksum,…)
• LaTRAME est unereprésentation numérique (binaire/physique) du message.
Data
Data
Control
Control
Message
Trame

Modèle decommunication
C’est la manière dont leparticipants (stations) communiquententre eux surle
réseau.
Modèles de Communication

• Modèle Maître - Esclave : Un
Maître interroge(un parun) sesEsclaves
– Maître : Stationquipeut prendre lecontrôledu supportdetransmission pour
émettre,desa propre initiative, sans attendre une autorisation
– Esclave: Stationquinepeut pasprendre émettre desa propreinitiative. Elle
émet l’informationuniquement à la demandeduMaître.
Modèle deCommunication : Maître-Esclave(Master/Slave)
Esclave 1 Esclave 2 Esclave 3Maître
1 2 3

• Modèle Client - Serveur:
Le Client envoie desrequêtesen direction duServeur quiréponden renvoyantles données
demandées
- Client : L’application(une station)quiprend l’initiative de
communication
– Serveur : L’application(une station)quiest à l’écouted’une demande de
service en provenanced’un Client
• Modèle de communicationdu type« point-à-point»(Unicast) entredes appareils(stations) présentssur
le Réseau
Modèles de Communication :Client-Serveur
Application
(Station)Client
Application
(Station)Server

• Modèle Producteur - Consommateur : Modèle de
communication basé sur Broadcasting (diffusion) : le message émis par (unseul)
Producteurpeut être reçupar toutes les stations
• Producteur, la station qui émet des données, envoie le message avec l’information reconnuepar son identificateur.
• Consommateurs : toutes les stations qui lisent et utilisent ces données
Modèles de Communication :Producteur- Consommateur
Station 2
Produits ID : 09
Consom ID: 08,10,12
Station 1
Produits ID : 12
Consom ID: 07
Station 3
Produits ID : 10
Consom ID: 07,09,12
Station 6
Produits ID : 07
Consom ID: 09,10
Station 4
Produits ID :
Consom ID: 09,10,12
Station 5
Produits ID : 08
Consom ID: 07,09,12

• Modèle Publisher -Subscriber : Modèle de
communicationbasé sur Multicasting : chaquemessage peut être reçupar
plusieurs stations « autorisées »
• Modèle plus élaboré du Producteur -Consommateur , basé sur le concept de groupes de communication
• Les stations doivent appartenir auxgroupes soit comme Publisher (producteur de l’information) soit comme
Subscriber (Consommateur de l’information)
• Lacommunication est lancée par un Publisher qui envoiele message (informations) vers des stations
autorisées (Subscribers).
• Les messages sont classés par catégories (ou classes demessages) auxquelles les récepteurs s'abonnent
(subscribe)[1].
Modèle deCommunication : Publisher - Subscriber

Fin

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