Protocolos de comunicação

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Protocolos de comunicação

  1. 1. 1) RS-232 Também conhecido por EIA RS-232C ou V.24, o RS-232 é um padrão bastante antigo mas que continua sendo bem utilizado por sua simplicidade e confiabilidade. RS é uma abreviação de “Recommended Standard”. Ela relata uma padronização de uma interface comum para comunicação de dados entre equipamentos, criada no início dos anos 60, por um comitê conhecido atualmente como “Electronic Industries Association” (EIA) O protocolo RS-232 é um conjunto de especificações eléctricas publicado pela EIA - Electronic Industries Association, e que se destina a promover a comunicação série entre computadores. Podemos considerá-lo como um conjunto de definições e regras que descrevem o interface físico e o protocolo de comunicação de dados em comunicações série de relativamente baixa velocidade, e que são utilizadas normalmente entre computadores e periféricos. Exemplos concretos da utilização deste protocolo são a comunicação entre PCs, via porta série; a comunicação entre PCs e e alguns tipos de impressoras ou plotters; a comunicação entre PCs e modems; entre PCs e telemóveis; entre PCs e PDAs. No entanto estas aplicações mais "domésticas", estão hoje gradualmente a ser substituídas pela ligação USB - Universal Serial Bus, descrita no manual de Informática de Manutenção. Assim as ligações por porta série mantém-se hoje a um nível "mais industrial", concretamente em programação de autómatos e PLCs, em programação de centrais telefónicas, máquinas industriais de CNC, etc, etc... Abaixo exemplo de dois dispositivos são interligados em um sistema básico de comunicação usando o protocolo RS-232 (definido pela norma EIA232).
  2. 2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E ELÉCTRICAS DAS LIGAÇÕES RS-232 O protocolo RS-232 (normalmente) define velocidades de comunicação entre 0 a 19200 bits por segundo, mas já chegou a haver implementações a 119200 bit/s e mesmo 1,6 Mbits por segundo (pela empresa Sangoma - www.sangoma.com) que apresenta uma série de equipamentos para comunicações série. As tensões fornecidas na saída para indicação dos valores lógicos a transmitir são as seguintes: Valor lógico Valor máximo de tensão Valor mínimo de tensão 1 - 3 V - 15 V 0 + 15 V + 3 V A impedância de carga típica admissível na linha é de 3 a 7 K ohms. A característica eléctrica essencial do protocolo RS-232 consiste no facto de os sinais serem definidos como uma tensão medida em referência ao pino 7, que é a terra. A tensão dos sinais de saída duma ficha RS-232 variam +15 V e -15 V. Existe uma área proibida entre - 3 V e + 3 V, que é considerada sempre para absorver tensões de ruído. Existem no entanto variantes a esta norma que consideram outros valores de área proibida. Este tipo de interface pressupõe a existência de uma terra comum entre os dispositivos DTE e DCE. Assume-se claro que os dispositivos DTE e DCE são interligados por um cabo curto numa mesma sala. Se os cabos forem muito longos, começa a haver problemas com flutuações dos valores da tensão de terra. O facto de haver terras flutuantes, pode trazer graves consequências não só à comunicação, mas também aos equipamentos. Se tivermos um só sinal numa única linha é impossível ser medido com exactidão o nível de ruído. No entanto se o cabo inteiro fôr monitorado, é possíivel reduzir a influência do ruído externo, mas o ruído gerado internamente continua a ser muito difícil de monitorar, controlar e reduzir. Á medida que a velocidade de transmissão (baud rate) aumenta, e o comprimento da linha de transmissão aumenta, o efeito capacitivo entre os condutores traduz-se num sério efeito de crosstalk, que pode levar mesmo a que os dados fiquem ilegíveis. É possível reduzir este efeito, usando cabos com redução do efeito capacitivo. No entanto o problema mantém-se mesmo a altas frequências. Uma solução é controlar o "slew rate" através de ligeira alterações nas formas de onda (tornando-a mais arredondada que quadrada), assim consegue-se reduzir o Crosstalk. No entanto o protocolo RS-232 não apresenta restrições quanto ao "slew rate". Na norma inicial que foi definida o baud rate máximo era de 19200 bits/, mas hoje é comum utilizar- se 56 Kbits/s e até mesmo 119200 bit/s, sem ocorrerem grandes quandtidades de erros de transmissão. A limitação inicial de cabos de 15 metros de comprimento que foi imposta, aquando da definição da 1ª norma, hoje já foi ultrapassada e extendida até 25 m, desde que o cabo seja blindado e essa blindagem ligada à massa. Já foram testados cabos de 25 m a uma velocidade de transmissão de 112 Kbps, sem serem registados problemas, quer em cabo redondo quer "espalmado", com condutores paralelos e não cableados.
  3. 3. Como Funciona Como qualquer dispositivo de transmissão serial, os bit são enviados um à um, sequencialmente, e normalmente com bit menos significante primeiro (LSB). Por ser um protocolo assíncrono isto é, sem uma linha de relógio (clock), é responsabilidade do transmissor e do receptor efetuarem controles de tempo para saber quando cada bit inicia e finaliza. Na sua forma padrão o RS-232 utiliza dois sinais de controle, o RTS (ready to send) e o CTS (clear to send) para efetuar o controle de fluxo via hardware. Basicamente, quando o transmissor deseja começar um envio ele sinaliza através do pino RTS. O receptor, ao perceber que o transmissor deseja enviar algum dado, prepara-se para recebe-lo e seta o pino CTS. Apenas depois de receber o sinal CTS o transmissor pode começar a transmissão. Para cada byte existem bit de start e stop; o mais comum é utilizar-se 1 bit de início (start bit) e 1 bit de parada (stop bit), mas é possível encontrar aplicações que utilizam 1,5 ou 2 bit de início/parada. A figura abaixo mostra como a transmissão de um byte ocorre: Tendo a velocidade de comunicação ajustada nos dois dispositivos inicialmente, cada um deles sabe quanto tempo um bit demora para ser transmitido, e é com base nisto que a identificação dos bit é possível. No transmissor o envio basicamente resume-se à enviar um bit de início, aguardar um tempo, e enviar os próximos 8 bit + bit de parada, com o mesmo intervalo de tempo entre eles. No receptor, após a primeira borda de descida (nível lógico de "1" para "0") (start bit) o receptor sabe que uma sequencia de mais 8 bit de dados + bit de parada chegará. Ele também conhece a velocidade de transmissão, então tudo que ele precisa fazer é aguardar o tempo de transmissão entre cada bit e efetuar a leitura. Após receber o bit de parada, a recepção encerra-se e ele volta à aguardar o próximo start bit. Nos microcontroladores modernos todo este trabalho normalmente é efetuado por uma UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Este periférico encarrega-se de efetuar todo o controle e apenas gerar interrupções quando um byte é recebido. No entanto, algumas vezes o microcontrolador utilizado não possui uma UART, ou mesmo ela está sendo utilizada. Nestes casos é possível implementar uma interface serial através de software, tratando a seqüência de transmissão e recepção descrita anteriormente. Na interface RS232 o nível lógico "1" corresponde à uma tensão entre -3V e -12V e o nível lógico "0" à uma tensão entre 3V e 12V. Valores de tensão entre -3V e +3V são indefinidos e precisam ser evitados. O estado idle da linha é 1 lógico (-V). Porém a grande maioria dos periféricos que trabalham com portas seriais não utilizam o padrão RS232 para níveis elétricos diretamente. Portanto é sempre necessário um circuito de conversão de nívels TTL/RS232. O circuito integrado mais comum para efetuar esta conversão, de baixo custo, é o MAX232 que possui alimentação TTL.
  4. 4. Grande parte da confiabilidade do padrão deve-se à sua boa imunidade à ruídos, por ter níveis elétricos diferenciais em suas linhas. Mesmo assim, o padrão RS-232 é destinado à aplicações de curto alcance. Outras interfaces, como RS-485 são mais recomendadas quando grandes distâncias são necessárias. 2) RS 485 Ele é chamado normalmente de RS-485, entretanto, seu nome oficial é EIA-485 que reflete o nome do comitê que naquele tempo foi padronizado. Esse padrão será logo revisado e se tornará a norma TIA/EIA-485-A. O padrão RS-485 é baseado na transmissão diferencial de dados que é ideal para transmissão em altas velocidades, longas distâncias e em ambientes propícios a interferência eletromagnética. Ele permite a comunicação entre vários elementos participantes em uma mesma rede de dados. Suas características básicas são: •Característica multipoint; • Apenas uma fonte simples de +5V para alimentar os circuitos de transmissão e recepção; • Transmissão de dados em modo comum com tensões de –7V até +12V. • Até 32 participantes (cargas); • Transmissão de dados em até 10 Mbps em uma distância máxima de 12 metros; • Distância máxima de 1200 metros em 100 Kbps. As interpretações de suas especificações e as características do padrão variam de fabricante para fabricante, porém, essas especificações têm que ser seguidas pelos fabricantes dos chips de implementação do padrão. Podemos citar, por exem- • Característica multipoint; • Apenas uma fonte simples de +5V para alimentar os circuitos de transmissão e recepção; • Transmissão de dados em modo comum com tensões de –7V até +12V. • Até 32 participantes (cargas); • Transmissão de dados em até 10 Mbps em uma distância máxima de 12 metros; • Distância máxima de 1200 metros em 100 Kbps. As interpretações de suas especificações e as características do padrão variam de fabricante para fabricante, porém, essas especificações têm que ser seguidas pelos fabricantes dos chips de implementação do padrão. Podemos citar, por exemplo, a redes Fieldbus que transmitem em RS- 485 em 12 Mbps em 100 metros. Funcionamento 485 A comunicação RS485 funciona em modo diferencial. Ou seja, a diferença entre as tensões na linha dirão se o mestre está transmitindo 1 ou 0. A RS485 suporta a comunicação half-duplex e full- duplex sendo que para a primeira a necessidade da utilização de um cabo par-trançado enquanto no segundo são necessários dois pares de cabos. Este tipo de comunicação alcança grandes distâncias de cabo. Podemos chegar até 1200m de cabo estando a mesma funcionando a 9600 bps. Conforme o baud-rate aumenta, o tamanho do
  5. 5. cabo diminui. Este meio utiliza a estrutura mestre-escravo onde há uma máquina que faz a pergunta e os escravos respondem de acordo com o frame que chegar estiver com o mesmo endereço ajustado no escravo. O cabo de comunicação 485 é composto de dois fios, sendo um destes chamado de A e o outro de B. Abaixo temos uma tabela que mostra os estados lógicos da linha A e B de acordo com o dado que o transmissor quiser enviar: Quando o transmissor (INPUT D) fica em alto, a linha A fica mais positiva que a B e o inverso ocorre quando o estado inverte. Note que também há uma linha de controle chamada DE e quando a mesma fica em nível lógico baixo, o barramento fica em alta-impedância. Para que o receptor identifique um sinal válido, a diferença entre os terminais A e B deve ser maior que 200 mV. Entre 200mV e –200mV o sinal não é indefinido. HART O protocolo de comunicação HART é mundialmente reconhecido como um padrão da indústria para comunicação de instrumentos de campo inteligentes 4-20mA, microprocessados. O uso dessa tecnologia vem crescendo rapidamente e hoje virtualmente todos os maiores fabricantes de instrumentação mundiais oferecem produtos dotados de comunicação HART. O protocolo HART permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais analógicos de 4-20mA, sem interferência, na mesma fiação. O HART proporciona alguns dos benefícios apontados pelo fieldbus, mantendo ainda a compatibilidade com a instrumentação analógica e aproveitando o conhecimento já dominado sobre os sistemas 4-20mA existentes. Comunicação Analógica + Digital Há vários anos, a comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de processos tem sido o sinal analógico de corrente, o miliampére (mA). Na maioria das aplicações, esse sinal de corrente varia dentro da faixa de 4-20mA proporcionalmente à variável de processo representada. Virtualmente todos os sistemas de controle de processos de plantas usam esse padrão internacional para transmitir a informação da variável de processo. Comunicação Digital + Sinal Analógico Simultâneo
  6. 6. O HART usa a tecnologia FSK para codificar a informação digital de comunicação sobre o sinal de corrente 4 a 20 mA O protocolo de comunicação de campo HART estende o padrão 4-20mA ao permitir também a medição de processos de forma mais inteligente que a instrumentação de controle analógica, proporcionando um salto na evolução do controle de processos. O protocolo HART promove uma significativa inovação na instrumentação de processos. As características dos instrumentos podem ser vistas via comunicação digital que são refletidas na denominação do protocolo, HART, que significa “Highway Addressable Remote Transducer”. O Protocolo HART possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo inteligentes sem interferir no sinal analógico de 4-20mA. Tanto o sinal analógico 4-20mA como o sinal digital de comunicação HART, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma fiação. A variável primária e a informação do sinal de controle podem ser transmitidos pelo 4- 20mA, se desejado, enquanto que as medições adicionais, parâmetros de processo, configuração do instrumento, calibração e as informações de diagnóstico são disponibilizadas na mesma fiação e ao mesmo tempo. Ao contrário das demais tecnologias de comunicação digitais “abertas” para instrumentação de processos, o HART é compatível com os sistemas existentes. Funcionamneto O Protocolo HART usa o padrão Bell 202, de chaveamento por deslocamentos de frequência (FSK) para sobrepor os sinais de comunicação digital ao de 4-20mA. Por ser o sinal digital FSK simétrico em relação ao zero, não existe nível DC associado ao sinal e portanto ele não interfere no sinal de 4-20mA. A lógica “1” é representada por uma frequência de 1200Hz e a lógica “0” é representada por uma frequência de 2200Hz, como mostrado nas figuras 1 e 2. O sinal HART FSK possibilita a comunicação digital em duas vias, o que torna possível a transmissão e recepção de informações adicionais, além da normal que é a variável de processo em instrumentos de campo inteligentes. O protocolo HART se propaga há uma taxa de 1200 bits por segundo, sem interromper o sinal 4- 20mA e permite uma aplicação tipo “mestre” possibilitando duas ou mais atualizações por segundo vindas de um único instrumento de campo. O HART sobrepõe o sinal de comunicação digital ao sinal de corrente 4 a 20 mA
  7. 7. Flexibilidade de Aplicação O HART é um protocolo do tipo mestre/escravo, o que significa que um instrumento de campo (escravo) somente “responde” quando “perguntado” por um mestre. Dois mestres (primário e secundário) podem se comunicar com um instrumento escravo em uma rede HART. Os mestres secundários, como os terminais portáteis de configuração, podem ser conectados normalmente em qualquer ponto da rede e se comunicar com os instrumentos de campo sem provocar distúrbios na comunicação com o mestre primário. O mestre primário é tipicamente um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), um CLP (Controlador Lógico Programável), um controle central baseado em computador ou um sistema de monitoração. Uma instalação típica com dois mestres é mostrada na figura 3. - O Protocolo HART permite que dois equipamentos Mestres acessem informação de um mesmo equipamento de campo (escravo) O Protocolo HART pode ser usado de diversas maneiras para trocar informações de/para instrumentos de campo inteligentes à controles centrais ou equipamentos de monitoração. A comunicação mestre/escravo digital, simultânea com o sinal analógico de 4-20mA é a mais comum. Este modo, permite que a informação digital proveniente do instrumento escravo seja atualizada duas vezes por segundo no mestre. O sinal de 4-20mA é contínuo e carrega a variável primária para controle. Exemplo de Aplicação A flexibilidade do Protocolo HART é evidente no diagrama de controle da Figura 4. Essa aplicação inovadora usa a capacidade inerente ao Protocolo HARTde transmitir tanto sinais 4-20mA analógicos como sinais digitais de comunicação simultaneamente pela mesma fiação. Nessa aplicação, o transmissor HART tem um algorítimo interno de controle PID. O instrumento é configurado de modo que o loop de corrente 4-20mA seja proporcional à saída de controle PID, executado no instrumento (e não à variável medida, como por exemplo, a pressão, como na maioria das aplicações de instrumentos de campo). Uma vez que o loop de corrente é controlado
  8. 8. pela saída de controle do PID, este é utilizado para alimentar diretamente o posicionador da válvula de controle. A malha de controle é executada inteiramente no campo, entre o transmissor (com PID) e a válvula. A ação de controle é contínua como no sistema tradicional; o sinal analógico de 4-20mA comanda a válvula. Através da comunicação digital HART o operador pode mudar o set-point da malha de controle e ler a variável primária ou a saída para o posicionador da válvula. Uma economia substancial pode ser obtida através dessa inovadora arquitetura de controle. Alguns equipamentos HART incluem controlador PID em seus algoritmos, implementando uma solução de controle com boa relação custo-benefício. PROTOCOLO Modbus Modbus é um protocolo de comunicação de dados utilizado em sistemas de automação industrial. Criado na década de 1970 pela Modicon. É um dos mais antigos protocolos utilizados em redes de Controladores lógicos programáveis (PLC) para aquisição de sinais de instrumentos e comandar actuadores. A Modicon (atualmente parte do grupo Schneider Electric) colocou as especificações e normas que definem o Modbus em domínio público. Por esta razão é utilizado em milhares de equipamentos existentes e é uma das soluções de rede mais baratas a serem utilizadas em Automação Industrial. 1. Modicon, hoje Schneider Electric, introduziu o protocolo Modbus no mercado em 1979. A Schneider ajudou no desenvolvimento de uma organização de usuários e desenvolvedores independentes chamada Modbus–IDA. 2. Modbus-IDA é uma organização com fins não lucrativos agrupando usuários e fornecedores de dispositivos de automação que visam adoção do pacote de protocolos Modbus e a evolução da arquitetura de endereçamento para sistemas de automação distribuídos em vários segmentos de mercado.
  9. 9. 3. Modbus-IDA fornece a infra estrutura para obter e compartilha informação sobre os protocolos, suas aplicações e a certificação dos dispositivos visando simplificar a implementação pelos usuários. TIPOS DE PROTOCOLO 1. O MODBUS TCP/IP é usado para comunicação entre sistemas de supervisão e controladores lógicos programáveis. O protocolo Modbus é encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido através de redes padrão ethernet com controle de acesso ao meio por CSMA/CD. 2. O MODBUS PLUS é usado para comunicação entre si de controladores lógicos programáveis, módulos de E/S, chaves de partida eletrônica de motores, interfaces homem máquina etc. O meio físico é o RS-485 com taxas de transmissão de 1 Mbps, controle de acesso ao meio por HDLC (High Level Data Link Control ). 3. O MODBUS PADRÃO é usado para comunicação dos CLPs com os dispositivos de entrada e saída de dados, instrumentos eletrônicos inteligentes (IEDs) como relés de proteção, controladores de processo, atuadores de válvulas, transdutores de energia e etc. o meio fís ico é o RS-232 ou RS- 485 em conjunto com o protocolo mestre-escravo. Características O modbus utiliza o RS-232, RS-485 ou Ethernet como meios físicos. O mecanismo de controle de acesso é do tipo mestre-escravo ou Cliente-Servidor. A estação mestre (geralmente um PLC) envia mensagens solicitando dos escravos que enviem os dados lidos pela instrumentação ou envia sinais a serem escritos nas saídas para o controle dos atuadores. O protocolo possui comandos para envio de dados discretos (entradas e saídas digitais) ou numéricos (entradas e saídas analógicas). 1. Algumas características do protocolo Modbus são fixas, como o formato da mensagem, funções disponíveis e tratamento de erros de comunicação
  10. 10. 2. Outras características são selecionáveis como o meio de transmissão, velocidade, timeout, bits de parada e paridade e o modo de transmissão (RTU os ASCII). 3. A seleção do modo de transmissão define como os dados serão codificados. Exemplo: Transmissão do endereço RTU: 0011 1011 ASCII: 3 = 33h B = 42h 0011 0011 0100 0010 Nos protocolos MODBUS Plus e TCP/IP as mensagens são colocadas em frames, não sendo necessário a definição do modo de transmissão, usando sempre o modo RTU. 5. O modo ASCII permite intervalos de tempo de até um segundo entre os caracteres sem provocar erros, mas sua mensagem típica tem um tamanho duas vezes maior que a mensagem equivalente usando o modo RTU. 6. O modo RTU transmite a informação com um menor número de bits, mas a mensagem deve ter todos os seus caracteres enviados em uma seqüência contínua. 7. O modo RTU também é chamado de ModBus-B ou Modbus Binario e é o modo preferencial. Todo dispositivo em uma rede Modbus deve ter a sua memória dividida em registradores de 16 bits numerados conforme o modelo apresentado. A divisão é baseada na estrutura de memória de um CLP: • Saídas discretas para os atuadores ON-OFF utilizam um bit. Cada registrador comporta 16 saídas. • Entradas discretas para os sensores ON-OFF utilizam um bit. Cada registrador comporta 16 entradas. • Entradas analógicas utilizam registradores de 16 bits para os valores obtidos por conversores A/D a partir dos sinais dos sensores analógicos. • Registradores de Memória com 16 bits para os valores utilizados internamente no CLP. A identificação dos comandos (funções) de leitura e escrita são diferentes de acordo com o tipo de dado a ser lido ou escrito. • A função 1 efetua a leitura do estado das saídas discretas. • A função 5 efetua a escrita de uma única saída discreta.
  11. 11. • A função 15 efetua a escrita de múltiplas saídas discretas. • A função 2 efetua a leitura do estado das entradas discretas. • A função 4 efetua a leitura dos valores das entradas analógicas. • A função 3 efetua a leitura dos valores dos registradores de memória. • A função 6 efetua a escrita de um valor em um registrador de memória. • A função 16 efetua a escrita de múltiplos valores em registradores de memória. Funcionamento Modbus O Mestre solicita uma leitura dos registradores 40108 a 40110 do elemento escravo 06. A mensagem especifica o endereço inicial como 0107(006Bh) SOLICITAÇÃO Nome do Campo Exemplo(HEX) ASCII RTU Cabeçalho : Nenhum Endereço 06 0 6 0000 0110 Código da Função 03 0 3 0000 0011 End. Inicial HI 00 0 0 0000 0000 End. Inicial LO 6B 6 B 0110 1011 Nº Registros HI 00 0 0 0000 0000 Nº Registros LO 03 0 3 0000 0011 Verificação de Erro LRC (2) CRC(2) Trailer LR CF Nenhum Total de Bytes 17 8 1. O primeiro registrador é o “40001”, mas é endereçado como “0”. Portanto se precisamos da informação do endereço “40108”, devemo s endereça-lo como “107”, que transformado em hexadecimal será “6B”. 2. Os registradores utilizam 16 bits para codificar a informação. E stes 16 bits são enviados em dois bytes separados (HIGH BYTE e LOW BYTE). O escravo repete o código da função indicando uma resposta normal. A quantidade de bytes especifica quantos itens estão sendo retornados. RESPOSTA Nome do Campo Exemplo(HEX) ASCII RTU Cabeçalho : Nenhum Endereço 06 0 6 0000 0110 Código da Função 03 0 3 0000 0011 Quantidade bytes 06 0 6 0000 0110 Dado HI 02 0 2 0000 0010 Dado LO 2B 2 B 0010 1011 Dado HI 00 0 0 0000 0000 Dado LO 00 0 0 0000 0000 Dado HI 00 0 0 0000 0000 Dado LO 63 6 3 0110 0011 Verificação de Erro LRC (2) CRC(2) Trailer CR LF Nenhum Total de Bytes 23 11 1. O valor 63h é enviado como um byte no modo RTU (0110 0011).
  12. 12. 2. O mesmo valor enviado no modo ASCII necessita de dois bytes, mas são contabilizados como apenas um. 6 (011 0110) e 3 (011 0011). 3. As respostas indicam: Registro 40108: 02 2Bh = 555 Registro 40109: 00 00h = 0 Registro 40110: 00 63h = 99 O TCP/ IP É um conjunto de protocolos – uma pilha de protocolos, como ele é mais chamado. Seu nome, por exemplo, já faz referência a dois protocolos diferentes, o TCP (Transmission Control Protocol, Protocolo de Controle de Transmissão) e o IP (Internet Protocol, Protocolo de Internet). Existem muitos outros protocolos que compõem a pilha TCP/IP, como o FTP, o HTTP, o SMTP e o UDP. As principais características do protocolo TCP são as seguintes:  TCP permite entregar ordenadamente os datagramas provenientes do protocolo IP  TCP permite verificar a onda de dados para evitar uma saturação da rede  TCP permite formatar os dados em segmentos de comprimento variável a fim de os "entregar" ao protocolo IP  TCP permite multiplexar os dados, quer dizer, fazer circular simultaneamente informações que provêm de fontes (aplicações, por exemplo) distintas numa mesma linha  TCP permite, por último, o começo e o fim de uma comunicação de maneira educada. A arquitetura do TCP/IP pode ser vista na Figura 1. Figura 1: Arquitetura do TCP/IP.
  13. 13. O TCP/IP tem quatro camadas. Os programas se comunicam com a camada de Aplicação. Na camada de Aplicação contém os protocolos de aplicação tais como o SMTP (para e- mail), o FTP (para a transferência de arquivos) e o HTTP (para navegação web). Cada tipo de programa se comunica com um protocolo de aplicação diferente, dependendo da finalidade do programa. Após processar a requisição do programa, o protocolo na camada de Aplicação se comunicará com um outro protocolo na camada de Transporte, normalmente o TCP. Esta camada é responsável por pegar os dados enviados pela camada superior, dividi-los em pacotes e enviá-los para a camada imediatamente inferior, a camada Internet. Além disso, durante a recepção dos dados, esta camada é responsável por colocar os pacotes recebidos da rede em ordem (já que eles podem chegar fora de ordem) e também verificam se o conteúdo dos pacotes está intacto. Na camada Internet temos o IP (Internet Protocol, Protocolo Internet), que pega os pacotes recebidos da camada de Transporte e adiciona informações de endereçamento virtual, isto é, adiciona o endereço do computador que está enviando os dados e o endereço do computador que receberá os dados. Esses endereços virtuais são chamados endereços IP. Em seguida os pacotes são enviados para a camada imediatamente inferior, a camada Interface com a Rede. Nesta camada os pacotes são chamados datagramas. A camada Interface com a Rede receberá os pacotes enviados pela camada Internet e os enviará para a rede (ou receberá os dados da rede, caso o computador esteja recebendo dados). O que está dentro desta camada dependerá do tipo de rede que seu computador estiver usando. Atualmente praticamente todos os computadores utilizam um tipo de rede chamado Ethernet (que está disponível em diferentes velocidades; as redes sem fio também são redes Ethernet) e, portanto, você deve encontrar na camada Interface com a Rede as camadas do Ethernet, que são Controle do Link Lógico (LLC), Controle de Acesso ao Meio (MAC) e Física, listadas de cima para baixo. Os pacotes transmitidos pela rede . Camadas do Protocolo TCP/IP Camada Aplicação Engloba as aplicações standard da rede (Telnet, SMTP, FTP,…) Camada situada no topo das camadas do protocolo. Assegura a interface com as aplicações. É o nível mais próximo do usuário. Exemplos de aplicativos: FTP, navegadores(browser). Protocolos pertencentes a esta camada: FTP, TFTP, SNMP, HTTP, DNS, RIP, NFS, SMTP, POP3, Gopher etc. Nesta camada são usados os aplicativos para acessarem os recursos da rede. Esta camada não possui um padrão comum, cada aplicação tem um padrão para acessar os recursos. A camada converte as diferenças em um padrão comum para acesso, pois não existe um padrão que defina como deve ser estruturada uma aplicação. Transferência de arquivos Nesta camada rodam o proxy, os gateways, ids, ips, antivírus, etc. Define como os dados são formatados. A camada garante que os dados são devidamente empacotados antes de serem repassados
  14. 14. para a camada de transporte. Lida com a representação, codificação e controle dos dialogos. Define como as sessões são iniciadas e terminadas. Esta camada mostra as mensagens na forma que o usuário entenda. Esta camada contém os protocolos de alto nível. Os serviços desta camada ficam por conta dos aplicativos. Esta camada usa os serviços das camadas inferiores. Cada protocolo possui o seu modo de estabelecer as requisições. Depois de codificado é passado para a próxima camada. Cada protocolo codifica ao seu modo a informação para esta ser passada para a camada de transporte. Assim você deve estudar o funcionamento de cada protocolo e como eles funcionam nesta camada. Camada de Transporte Esta camada é responsável por pegar os dados enviados pela camada de aplicação e transformá-los em pacotes, a serem repassados para a camada de Internet. É responsável pelo endereçamento, roteamento dos pacotes, controle de envio e recepção (erros, bufferização, fragmentação, seqüência, reconhecimento, etc.), etc. Provê a comunicação entre as aplicações, chamadas de fim a fim, isto é, uma entidade desta camada só se comunica com a sua entidade-par do host destinatário.. O serviço é confiável, tendo controle de erro e seqüência com mecanismos de identificação dos processos de origem e de destino recebendo dados da camada de aplicação e os dividindo em unidades menores, com o endereço de destino para a camada de rede (IP). Orientado a conexão (ponto a ponto), e pode controlar o fluxo de informações. A camada de transporte utiliza dois protocolos: o TCP e o UDP. O primeiro é orientado à conexão e o segundo é não orientado à conexão . Ambos os protocolos podem servir a mais de uma aplicação simultaneamente. O acesso das aplicações à camada de transporte é feito através de portas que recebem um número inteiro para cada tipo de aplicação, podendo também tais portas serem criadas ao passo em que novas necessidades vão surgindo com o desenvolvimento de novas aplicações. A maneira como a camada de transporte transmite dados das várias aplicações simultâneas é por intermédio da multiplexação, onde várias mensagens são repassadas para a camada de rede (especificamente ao protocolo IP) que se encarregará de empacotá-las e mandar para uma ou mais interface de rede. Chegando ao destinatário o protocolo IP repassa para a camada de transporte que demultiplexa para as portas (aplicações) específicas. Principais funções : Transferência de dados: Através de mensagens de tamanho variável em full-duplex; Transferência de dados urgentes: Informações de controle, por exemplo; Estabelecimento e liberação de conexão: Antes e depois das transferências de dados, através de um mecanismo chamado three-way-handshake; Multiplexação As mensagens de cada aplicação simultânea são multiplexadas para repasse ao IP. Ao chegar ao destino, o TCP demultiplexa as mensagens para as aplicações destinatárias; Segmentação Quando o tamanho do pacote IP não suporta o tamanho do dado a ser transmitido, o TCP segmenta (mantendo a ordem) para posterior remontagem na máquina destinatária;
  15. 15. Controle do fluxo Através de um sistema de bufferização denominada janela deslizante, o TCP envia uma série de pacotes sem aguardar o reconhecimento de cada um deles. Na medida em que recebe o reconhecimento de cada bloco enviado, atualiza o buffer (caso reconhecimento positivo) ou reenvia (caso reconhecimento negativo ou não reconhecimento após um timeout); Controle de erros Além da numeração dos segmentos transmitidos, vai junto com o header uma soma verificadora dos dados transmitidos (checksum), assim o destinatário verifica a soma com o cálculo dos dados recebidos). Precedência e segurança Os níveis de segurança e precedência são utilizados para tratamento de dados durante a transmissão. UDP (User Datagram Protocol) O UDP é um protocolo mais rápido do que o TCP, pelo fato de não verificar o reconhecimento das mensagens enviadas. Por este mesmo motivo, não é confiável como o TCP. O protocolo é não-orientado à conexão, e não provê muitas funções: não controla o fluxo podendo os datagramas chegarem fora de seqüência ou até mesmo não chegarem ao destinatário. Opcionalmente pode conter um campo checksum, sendo que os datagramas que não conferem este campo ao chegarem no destino, são descartados, cabendo à aplicação recuperá-lo. Camada de Rede A camada de rede trata da comunicação entre máquinas. Fornece funções necessárias para interconectar redes e gateways formando um sistema coerente . É responsável pela entrega de dados desde a origem até o destino final. Contém os protocolos IP e ICMP, e os protocolos de roteamento. Efetua também o mapeamento de endereços (ARP) . Esta aceita uma requisição de envio de pacote, vinda da camada de transporte, com a identificação da máquina para onde o pacote deve ser transmitido. Encapsula o pacote em um datagrama IP, preenche o cabeçalho do datagrama, usa um algoritmo de roteamento para determinar se o datagrama deve ser entregue diretamente, ou enviado para um gateway. Finalmente, o datagrama é passado para a interface de rede apropriada, para que este possa ser transmitido. A camada de rede é a primeira (normatizada) do modelo. Dentre os protocolos da Camada de Rede, destaca-se inicialmente o IP (Internet Protocol), além do ARP, ICMP, RARP e dos protocolos de roteamento (RIP ,IGP, OSPF, Hello, EGP e GGP). A camada de rede é uma camada não orientada à conexão, portanto se comunica através de datagramas. Camada de Interface de Rede ou Física É a primeira camada. Também chamada camada de abstração de hardware, tem como função principal a interface do modelo TCP/IP com os diversos tipos de redes (X.25, ATM, FDDI, Ethernet, Token
  16. 16. Ring, Frame Relay, sistema de conexão ponto-a-ponto SLIP,etc.) e transmitir os datagramas pelo meio físico, sinais físicos, tem a função de encontrar o caminho mais curto e confiável. Como há uma grande variedade de tecnologias de rede, que utilizam diferentes velocidades, protocolos, meios transmissão, etc. , esta camada não é normatizada pelo modelo, o que provê uma das grandes virtudes do modelo TCP/IP: a possibilidade de interconexão e inter- operação de redes heterogêneas. Esta camada lida com os meios de comunicação, corresponde ao nível de hardware, ou meio físico, que trata dos sinais eletrônicos, conector, pinagem, níveis de tensão, dimensões físicas, características mecânicas e elétricas etc. Os protocolos da camada física enviam e recebem dados em forma de pacotes, que contém um endereço de origem, os dados propriamente ditos e um endereço de destino. Os datagramas já foram construídos pela camada de redes. É responsável pelo endereçamento e tradução de nomes e endereços lógicos em endereços físicos. Ela determina a rota que os dados seguirão do computador de origem até o de destino. Tal rota dependerá das condições da rede, prioridade do serviço e outros fatores. Também gerencia o tráfego e taxas de velocidade nos canais de comunicação. Outra função que pode ter é o agrupamento de pequenos pacotes em um único para transmissão pela rede (ou a subdivisão de pacotes grandes). No destino os dados são recompostos no seu formato original. Ela estabelece e encerra as conexões. Notificação e correção de falhas. Podem ser guiados, através de cabos. Podem ser não guiados, sem fio: rádio, microondas. Pode usar o sinal analógico ou digital. Permite a transmissão de mais de um sinal em um mesmo meio físico. Esta camada não define protocolos, mas diz como usar os protocolos já existentes. Mapea os endereços lógicos em físicos, ou seja, transforma os endereços lógicos em físicos. Os bits são codificados por Manchester Enconding ou Differencial Manchester Enconding Pode ser considerada uma das mais importantes, pois permitem que os dados cheguem ao destino da forma mais eficiente possível. O protocolo IP situa-se nessa camada. Três funções importantes: determinação do caminho: rota seguida por pacotes da origem ao destino. Algoritmos de roteamento. comutação: mover pacotes dentro do roteador da entrada à saída apropriada.
  17. 17. estabelecimento da chamada: algumas arquiteturas de rede requerem determinar o caminho antes de enviar os dados. Mais Características: - Tradução de endereços - Conversão de endereços IP em endereços físicos - Encapsulamento - Transporte de datagramas IP em quadros da rede física - Multi-Tecnologia - Suporte a diversas tecnologias de redes - Ethernet - Frame Relay - Token Ring - ATM - FDDI - Linhas Seriais - X.25 - Nível de interface de rede - Aceita datagramas IP para transmissão sobre uma rede específica - Encapsulamento de datagramas IP em quadros da rede - Geralmente implementado através de Device Drivers - Permite a implantação de TCP/IP sobre qualquer hardware de rede ou subsistema de comunicação - Aceita datagramas IP para transmissão sobre uma rede específica - Encapsulamento de datagramas IP em quadros da rede - Geralmente implementado através de Device Drivers - Permite a implantação de TCP/IP sobre qualquer hardware de rede ou subsistema de comunicação - Converte os pacotes em frames compatíveis com o tipo de rede que está sendo utilizada. Alguns protocolos nesta utilizados nesta camada são: Protocolos com estrutura de rede própria: X.25, Frame-Relay e ATM Protocolos de Enlace OSI: PPP, Ethernet, Token-Ring, FDDI, HDLC, Slip, etc. Protocolos de nível físico: V.24, X.21 Protocolos de barramento de alta velocidade: SCSI, HIPPI Protocolo de mapeamento de Endereços: ARP

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