Manual Ethernet. Manual de introducción al uso de las comunicaciones Ethernet en la plataforma

Transcripción

1 Manual Ethernet Manual de introducción al uso de las comunicaciones Ethernet en la plataforma Unity.

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3 ADVERTENCIA Los productos presentados en este manual son susceptibles de evolución en cuanto a sus características de presentación, de funcionamiento o de utilización. Su descripción en ningún momento puede revestir un aspecto contractual. El Instituto Schneider Electric de Formación, acogerá favorablemente cualquier solicitud con fines didácticos exclusivamente, de utilización de gráficos o de aplicaciones contenidas en este manual.

4 Manual de formación Comunicaciones Ethernet Creado: Instituto Schneider Electric de Formación Bac de Roda 52, Edificio A 1ª Planta Fecha: 24 de Noviembre del 2008 Versión: 2.2 SCHNEIDER ELECTRIC ESPAÑA

5 Manual de formación comunicaciones Ethernet Índice Página 1. Conceptos de redes de comunicación p Qué es una red de comunicaciones? p Cómo funciona una red? p Las capas OSI p Red de comunicaciones ethernet p Introducción a la red Ethernet p Terminología general p Capas OSI de una Red Ethernet p El modelo de capa TCP/IP p Equipos utilizados p Topologías de la red Ethernet p Direccionamiento MAC p Direccionamiento IP p Enmascaramiento de Subred p Dominios de Colisión p Medios Físicos p Protocolos asociados p Arquitecturas y prestaciones ethernet p Red compartida (con hubs) p Red conmutada (con switches) p Red conmutada en anillo p Red conmutada en anillo y unión p Red conmutada en doble anillo p Red conmutada en doble anillo y unión p Configuraciones/programación de equipos p Introducción al Web Server p. 60 5

6 Instituto Schneider Electric de Formación 1. Conceptos de redes de comunicación. 1.1 Qué es una red de comunicaciones? Sistema de interconexión de equipos (ordenadores, PLC,...) que permite compartir recursos e información. Una red de equipos está formada por diferentes elementos: o Adaptadores o tarjetas de red que capaciten a un equipo a conectarse a la red. o Un cable u otro medio entre los adaptadores a través del cual viajan los datos. o Finalmente, una determinada topología o estructura de red. Las redes se pueden clasificar en función de su radio de acción en: o LAN - Local Area Network: Red de Área Local o simplemente Red Local. Es la interconexión de varios ordenadores y periféricos. Su extensión esta limitada físicamente a un edificio o a un entorno de unos pocos kilómetros. Su aplicación más extendida es la interconexión de ordenadores personales y estaciones de trabajo en oficinas, fábricas, etc; para compartir recursos e intercambiar datos y aplicaciones. En definitiva, permite que dos o más máquinas se comuniquen. 6

7 Manual de formación comunicaciones Ethernet o MAN - Metropolitan Area Network: Red de área metropolitana, es una red de alta velocidad (banda ancha) que da cobertura en un área geográfica extensa, proporciona capacidad de integración de múltiples servicios mediante la transmisión de datos, voz y vídeo, sobre medios de transmisión tales como fibra óptica y par trenzado de cobre a velocidades que van desde los 2 Mbit/s hasta 155 Mbit/s. El concepto de red de área metropolitana representa una evolución del concepto de red de área local a un ámbito más amplio, cubriendo áreas de una cobertura superior que en algunos casos no se limitan a un entorno metropolitano sino que pueden llegar a una cobertura regional e incluso nacional mediante la interconexión de diferentes redes de área metropolitana. o WAN Una red de área amplia, con frecuencia denominada WAN, acrónimo de la expresión en idioma inglés Wide Area Network, es un tipo de red de ordenadores capaz de cubrir distancias desde unos 100 hasta unos 1000 km, proveyendo de servicio a un país o un continente. 7

8 Instituto Schneider Electric de Formación Tabla resumen LAN-MAN-WAN 1.2 Cómo funciona una red? La información que se desea transmitir se divide en paquetes con el formato impuesto por el protocolo que se utiliza en la transmisión. Transmisión de paquetes Cada puesto o nodo, tiene una dirección, y la información irá desde el origen hacia el destino. Esto se realiza a través de los medios de transmisión (cable de par trenzado, fibra óptica, aire, etc.) Toda la información pasa a través de unos niveles, dependiendo del protocolo utilizado, y cada uno de ellos añade información de control, que el mismo nivel en el nodo destino irá eliminando (control de errores, fragmentación en tramas, etc.) Normalmente, el nodo destino examina todas las tramas que circulan por la red y la dirección de destino. Si la información es para él la recoge. (Productor/Consumidor). Dependiendo del protocolo utilizado, el nodo destino puede mandar un mensaje diciendo que se ha recibido la información completa o no. 8

9 Manual de formación comunicaciones Ethernet 1.3 Las capas OSI. En 1984, la Organización Internacional de Estandarización (ISO) desarrolló un modelo llamado OSI (Open Systems Interconectiòn, Interconexión de sistemas abiertos). El cual es usado para describir el uso de datos entre la conexión física de la red y la aplicación del usuario final. Este modelo es el mejor conocido y el más usado para describir los entornos de red. Las capas OSI están numeradas de abajo hacia arriba. Las funciones más básicas, como el poner los bits de datos en el cable de la red están en la parte de abajo, mientras las funciones que atienden los detalles de las aplicaciones software de usuario están arriba. 1. Capa Física ( Physical Layer ): Este nivel define las características físicas de la interfaz, como componentes mecánicos y conectores, aspectos eléctricos, como los niveles de voltaje que representan cada valor binario. 9

10 Instituto Schneider Electric de Formación 2. Capa de Enlace ("Data Link Layer"): Este nivel define las reglas para enviar y recibir información a través de la conexión física entre dos sistemas. Esta capa codifica y descompone los datos para su transmisión, además de proporcionar detección y control de errores. La Capa de Enlace de Información agrupa los datos en secciones para prepararlos y transferidos por la red. 3. Nivel de Red ("Network Layer"); Este nivel define los protocolos para abrir y mantener un camino en la red entre sistemas. Está relacionado con los procedimientos de conmutación y transmisión de datos. Este nivel vela que los paquetes sean dirigidos a su destino en la red. La Capa de Red identifica los equipos que hay conectados a la red y determina como dirigir la transferencia de información por la misma. 10

11 Manual de formación comunicaciones Ethernet 4. Nivel de Transporte ("Transport Layer"); Este nivel proporciona un control de alto nivel para la transferencia de datos entre sistemas, incluyendo funcionalidades de manejo de errores más sofisticados, niveles de prioridad y seguridad. Controla la secuencia de paquetes, regula el flujo de tráfico y reconoce paquetes duplicados. Este nivel asigna al paquete un número de secuencia el cual es comprobado en su destino. Si se pierden datos del paquete, el protocolo del nivel de transporte de destino se coordina con el nivel de trasporte de origen para la retransmisión del paquete. Este nivel asegura que se reciban los datos en el orden apropiado. La Capa de Transporte corrige los errores de transmisión y se asegura que la información sea entregada de forma fiable. 5. Nivel de Sesión ("Sesion Layer"); Este nivel coordina el intercambio de información ente sistemas utilizando técnicas conversacionales o diálogos. No siempre se requiere el diálogo, pero algunas aplicaciones pueden precisar una forma de saber dónde volver a comenzar la transmisión de datos si se pierde temporalmente la conexión o pueden necesitar un diálogo periódico para indicar el final de un conjunto de datos y el comienzo de uno nuevo. La Capa de Sesión determina como dos dispositivos se comunican, además de establecer y diagnosticar las conexiones entre ellos. 11

12 Instituto Schneider Electric de Formación 6. Nivel de Presentación ("Presentation Layer"); Los protocolos del nivel de presentación son parte del sistema operativo y de las aplicaciones utilizadas por el usuario en una estación de trabajo. Se le da formato a la información en este nivel para ser visualizada e impresa. También son interpretados los códigos dentro de los datos, como tabuladores y caracteres especiales. Asimismo es en este nivel donde se lleva a cabo la encriptación de datos y traducción desde otros juegos de caracteres. La Capa de Presentación pone el formato a los datos de manera que la aplicación de software pueda leerla. 7. Nivel de Aplicación ("Aplication Layer"); Las aplicaciones acceden a los servicios de red subyacentes, utilizando procedimientos definidos en este nivel. El nivel de aplicación se utiliza para definir un rango de aplicación que manejan transferencia de archivos, e intercambio de mensajes ej. Correo Electrónico. La Capa de Aplicación es responsable de intercambiar la información entre los programas que corren en el PC y otros servicios de red, tales como base de datos o servicio de impresión. 12

13 Manual de formación comunicaciones Ethernet Notas 13

14 Instituto Schneider Electric de Formación 2. Red de comunicaciones Ethernet 2.1 Introducción a la red Ethernet: El reconocimiento de Ethernet TCP/IP, tanto en las organizaciones como en Internet, lo ha convertido en el estándar de la comunicación actual. Su extendido uso supone una reducción de los gastos de conexión, un mayor rendimiento y la incorporación de nuevas funciones, elementos que, combinados, garantizan su durabilidad. Gracias a su elevada velocidad, la red ya no limita el rendimiento de la aplicación. La arquitectura puede evolucionar sin ninguna dificultad. Los productos o dispositivos siguen siendo compatibles, lo que garantiza la durabilidad a largo plazo del sistema. Ethernet es una red no determinista de tipo bus CSMA/CD (ver capítulo 2.10), normalizada e independiente de todo constructor. Una red fácil de poner en marcha, coste reducido, ampliable, abierta, que permite la conexión a todos los niveles de una empresa desde las oficinas hasta el nivel de E/S distribuidas y variados de velocidad. 14

15 Manual de formación comunicaciones Ethernet 2.2 Terminología general. Internet: Sistema de redes mundiales con un conjunto de protocolos, el más destacado, el TCP/IP para Transmisión de datos, transferencia de archivos, mensajería electrónica, Web, Chat, foros, e-learning... Sistema de interconexión mundial Intranet: Red de ordenadores de una red de área local (LAN) privada empresarial o educativa que proporciona herramientas de Internet. Únicamente disponible dentro de empresas, edificio. Red de empresa o educativa TCP/IP: Conjunto de protocolos para el transporte y direccionamiento de la información. Es el estándar para las redes Ethernet de tipo local, INTRANET e INTERNET. Protocolos de comunicación en Ethernet 15

16 Instituto Schneider Electric de Formación Diagrama histórico de Ethernet y el protocolo TCP/IP: 2.3 Capas OSI de una Red Ethernet. Ethernet opera en dos áreas del modelo OSI, la mitad inferior de la capa de enlace de datos, conocida como subcapa MAC y la capa física. En la Capa 1 incluye las interfaces con los medios, señales, corrientes de bits que se transportan en los medios, componentes que transmiten la señal a los medios y las distintas topologías. La Capa 1 de Ethernet tiene un papel clave en la comunicación que se produce entre los dispositivos, pero cada una de estas funciones tiene limitaciones. La Capa 2 se ocupa de estas limitaciones. Las subcapas de enlace de datos contribuyen significativamente a la compatibilidad de tecnología y de comunicación. La subcapa MAC trata los componentes físicos que se utilizarán para comunicar la información. La subcapa de Control de Enlace Lógico (LLC) sigue siendo relativamente independiente del equipo físico que se utiliza en el proceso de comunicación. 16

17 Manual de formación comunicaciones Ethernet Correspondencia de Ethernet con las capas del modelo OSI. La Figura relaciona una variedad de tecnologías Ethernet con la mitad inferior de la Capa 2 y con toda la Capa 1 del modelo OSI. Aunque hay otras variedades de Ethernet, las que se muestran son las de uso más difundido. o Diferencias entre Ethernet V2 y IEEE Trama Ethernet V2: o El tercer campo es un campo tipo. o Contiene una identificación de protocolo (P_ID) que las tramas no tienen. o El campo dirección MAC está compuesto de 6 bytes (48 bits) y un 1 bit significativo: Unicast / Multicast. Esquema de la trama de datos generada bajo Ethernet V2 17

18 Instituto Schneider Electric de Formación Trama IEEE 802.3: o Actualmente el más extendido en las empresas. o El tercer campo MAC es ahora un campo longitud. Las direcciones tienen un formato diferente: 2 bit sig nificativo (Individual / Universal) y las direcciones pueden tener teóricamente 16 o 48 bits. Esquema de la trama de datos generada bajo Los módulos de comunicaciones Ethernet NOE y ETY pueden utilizar los formatos los formatos y Ethernet II. En cambio el controlador programable Twido sólo trabaja en Ethernet II. 2.4 El modelo de capa TCP/IP: La familia de protocolos TCP/IP se designa por dos de sus protocolos más importantes: el Protocolo de Control de Transmisión (TCP) y el Protocolo de Internet (IP). TCP/IP, como la mayoría de protocolos de red, se modeló por capas. La representación por capas OSI, se puede usar para situar (pero no para comparar funcionalmente) la familia de protocolos TCP/IP. Los protocolos de Internet se modelan en cuatro capas: o Aplicación. Es un proceso de usuario cooperando con otros procesos sobre la misma estación (host) u otro diferente. Ejemplos de ello son TELNET, FTP y SMTP. (Estos protocolos se explican en detalle en Protocolos de aplicación). 18

19 Manual de formación comunicaciones Ethernet Modelo TCP/IP basado en las capas del modelo OSI o Transporte. Proporciona la transferencia de datos. Algunos protocolos de ejemplo son TCP (orientado a conexión), requiere una confirmación de recepción del paquete por parte del destino y UDP (no orientado a conexión) no requiere dicha confirmación. o Interred. También llamada capa de red, la interred relaciona los servicios de aplicación de la capa superior con la conexión física y relaciona el direccionamiento MAC físico de los dispositivos de red con el direccionamiento IP (virtual). Asegura el encaminamiento de los paquetes y determina el próximo nodo de transición en función de la dirección IP destinataria. Puede ser encaminamiento directo si el destinatario está en la misma red o encaminamiento indirecto (vía router) si el destinatario esta en otra red. El direccionamiento IP es la parte del protocolo TCP/IP más importante de esta capa. IP no proporciona fiabilidad, control de flujo o recuperación de errores. Estas funciones las debe proporcionar el nivel superior, en la capa de transporte con TCP como el protocolo de transporte, o en la de aplicación si UDP se usa como protocolo de transporte. 19

20 Instituto Schneider Electric de Formación o Sub-red. También llamada capa de enlace, la capa de interfaz de red gestiona la interfaz al hardware de red. De hecho, el protocolo TCP/IP puede usar casi cualquier interfaz de red disponible, que ilustre la flexibilidad de la capa IP. Ejemplo de ello son IEEE Puertos y sockets: Para la realizar una conexión entre dispositivos se necesitan dos datos la dirección IP (virtual) del dispositivo de destino y el puerto de comunicación que lo determina el protocolo asociado a la aplicación (Ejemplo: http). La combinación de ambos corresponde a un socket de comunicación. Sockets: La combinación del número de puerto y la dirección IP constituye un SOCKET que identifica de forma única una conexión. TCP multiplexa las numerosas conexiones en una única estación gracias a los sockets y los puertos. Puertos Cada interfaz de producto se divide en puertos. Los paquetes entrantes conocen la dirección (IP) y el puerto al que están destinados. El puerto de destinación forma parte del campo de protocolo TCP. 20

21 Manual de formación comunicaciones Ethernet Los puertos más conocidos: (RFC 1060 puertos asignados) Protocolo N Puerto FTP 20 Telnet 23 SMTP 25 BOOTP server 67 HTTP 80 ó 8080 SNMP 161 ModNet 502 Los PLC s de Schneider se comunican a través del puerto Equipos utilizados. En función de lo que queremos hacer hay un número de equipos asociados a una capa OSI. Capas OSI y dispositivos Hubs Se trata del dispositivo de interconexión de redes más simple que existe. Un HUB es un dispositivo que se encarga de conectar entre sí todos los equipos de una red con topología en estrella. 21

22 Instituto Schneider Electric de Formación Los hub s son dispositivos que ya no se utilizan ya que los mensajes pasan por todos los puertos y puede sobrecargar/saturar la red. Son dispositivos sustituidos por switches. En algunos casos nos interesa visualizar todas las tramas y se tiene que utilizar un Hub ya que los switches no lo permiten (excepto los switches configurables que tienen la opción de port mirroring) Switches: Interconecta nodos a nivel de capa de Interfaz de Red. Un switch desempeña la función de un regulador MAC y es independiente de cualquier protocolo de capa superior (incluyendo el protocolo de Enlace Lógico). Se dice que un switch es transparente para IP. Esto es, cuando una estación envía una trama de datos a otra estación en una red conectada por un switch, éste envía la trama directamente a la estación y la trama "cruza" el switch sin que la estación que lo recibe sea consciente de ello, a diferencia de los hubs. Transmisión de los paquetes Router: Se sitúan en la capa 3 (nivel de red). Almacena y reexpide paquetes entre subredes. Filtra el tráfico de salida de una red por el tipo de protocolo. Divide la red en varias subredes de tal manera que solo el tráfico destinado a una dirección IP puede pasar entre segmentos. 22

23 Manual de formación comunicaciones Ethernet Son capaces de elegir la ruta más eficiente que debe seguir un paquete en el momento de recibirlo. Esquema típico de comunicación con el exterior mediante un router Funcionan de la siguiente manera: 1. Cuando llega un paquete a un router, éste examina la dirección destino y lo envía a través de una ruta predeterminada. 2. Si la dirección destino pertenece a una de las redes que el router interconecta, envía el paquete directamente a ella; en otro caso, enviará el paquete hacia otro router más próximo a la dirección de destino. 3. Para saber el camino por el que el router debe enviar un paquete recibido, examina sus propias tablas de encaminamiento (NAT). 4. Cada segmento (o red) conectado a través de un router tienen una dirección de red diferente Gateway (Pasarelas): Denominados convertidores de protocolo, se sitúan a partir de la capa 4 y proporcionan interconexión en capas superiores y trabaja a nivel de aplicación. Son capaces de traducir información de una aplicación a otra. 23

24 Instituto Schneider Electric de Formación Por ejemplo existen pasarelas para poder integrar dispositivos trabajando en un bus en otro bus o red. La pasarela TSXETG100 permite integrar unos dispositivos Modbus en una red Ethernet. Pasarela ethernet/mobus: TSX ETG 100 También existen otras pasarelas tal como pasarelas ModbusPlus / Ethernet y AS-i / Ethernet. 174 CEV (MosbusPlus/Ethernet) TCS AGEA1SF13F(Asi/Ethernet) Server (Servidor): Es una aplicación informática o programa que realiza algunas tareas en beneficio de otras aplicaciones llamadas clientes. Algunos servicios habituales son los servicios de archivos, que permiten a los usuarios almacenar y acceder a los archivos de un ordenador y los servicios de aplicaciones, que realizan tareas en beneficio directo del usuario final. 24

25 Manual de formación comunicaciones Ethernet Existen varios tipos de servidores: o Servidor de correo: Es una aplicación que permite enviar mensajes (correos) de unos usuarios a otros, con independencia de la red que dichos usuarios estén utilizando. o Servidor web: Es un programa que implementa el protocolo HTTP (hypertext transfer protocol). Este protocolo está diseñado para transferir lo que llamamos hipertextos, páginas web o páginas HTML (hypertext markup language): textos complejos con enlaces, figuras, formularios, botones y objetos incrustados como animaciones o reproductores de sonidos, applet Java. Sin embargo, el hecho de que HTTP y HTML estén íntimamente ligados no debe dar lugar a confundir ambos términos. HTML es un formato de archivo y HTTP es un protocolo. Un servidor web se encarga de mantenerse a la espera de peticiones HTTP llevada a cabo por un cliente HTTP que solemos conocer como navegador. El navegador realiza una petición al servidor y éste le responde con el contenido que el cliente solicita. A modo de ejemplo, al teclear en un navegador, éste realiza una petición HTTP al servidor de dicha dirección. El servidor responde al cliente enviando el código HTML de la página; el cliente, una vez recibido el código, lo interpreta y lo muestra en pantalla. Como vemos con este ejemplo, el cliente es el encargado de interpretar el código HTML, es decir, de mostrar las fuentes, los colores y la disposición de los textos y objetos de la página; el servidor tan sólo se limita a transferir el código de la página sin llevar a cabo ninguna interpretación de la misma. Sobre el servicio web clásico podemos disponer de aplicaciones web. Éstas son fragmentos de código que se ejecutan cuando se realizan ciertas peticiones o respuestas HTTP. 25

26 Instituto Schneider Electric de Formación Hay que distinguir entre: Aplicaciones en el lado del cliente: el cliente web es el encargado de ejecutarlas en la máquina del usuario. Son las aplicaciones tipo Java o javascript, donde el servidor proporciona el código de las aplicaciones al cliente y éste, mediante el navegador, las ejecuta. Es necesario, por tanto, que el cliente disponga de un navegador con capacidad para ejecutar aplicaciones (también llamadas scripts). Normalmente, los navegadores permiten ejecutar aplicaciones escritas en lenguaje javascript y java, aunque pueden añadirse más lenguajes mediante el uso de plugins Aplicaciones en el lado del servidor: el servidor web ejecuta la aplicación; ésta, una vez ejecutada, genera cierto código HTML; el servidor toma este código recién creado y lo envía al cliente por medio del protocolo HTTP. o Servidor de aplicaciones: En informática se denomina servidor de aplicaciones a un servidor en una red de computadores que ejecuta ciertas aplicaciones de software. o Servidor FTP: aplicación que corre sobre un ordenador o procesador de un PLC y que permite a clientes (el número de conexión es configurable) de conectarse a éste para cargar/descargar cualquier tipo de archivo utilizando reglas de seguridad. Para ello se utiliza el protocolo File Transfer Protocol (FTP). Para conectarse a los servidores, se puede utilizar un cliente FTP creándose una conexión o el propio navegador web indicando la dirección FTP del servidor (ftp://a.b.c.d). o Servidor de base de datos: Es una máquina que contiene un conjunto de información almacenada, ordenada y segura en memoria y un conjunto de programas y servicios que manipulan esos datos. 26

27 Manual de formación comunicaciones Ethernet 2.6 Topologías de la red Ethernet. Una tipología es una disposición geométrica de los nodos y el medio de enlace. Según la forma de conexión se encuentran en Ethernet las siguientes tipologías: Estrella Árbol Anillo Cabe decir que los grandes sistemas mezclan estas 3 tipologías, para constituir redes complejas. Debido a la necesidad de soluciones de interconexión para aumentar las distancias, números de máquinas, aislar los flujos, conectar los segmentos entre ellos. Red clompleja con diferentes topologías de red. Ethernet nos proporciona la relación de diferentes arquitecturas para realizar redes más complejas. Estás se interrelacionan con diferentes dispositivos que trabajaran en las diferentes capas OSI del protocolo TCP/IP. 27

28 Instituto Schneider Electric de Formación Topología Estrella. Los equipos están conectados en estrella utilizando un switch como medio de interconexión de los nodos. SWITCH Topología de Estrella La tipología en estrella tiene las siguientes ventajas: poco costosa, rápido, fácil de instalar, ampliable (posibilidad de conectar los switches entre ellos si ya no quedan puertos disponibles) y los grupos de trabajo pueden comunicar fácilmente al contrario de los hubs. Sus limitaciones son de distancia (100 metros como máximo entre switches y entre switch y nodo). Se dice que no hay limitaciones de switches pero se tiene que tener en cuenta el timeout de los mensajes Topología de Árbol. Combina las características de las topologías bus y estrella. Constituido por grupos de estaciones configurados en estrella conectados a un bus lineal. SWITCH SWITCH SWITCH Topología de Árbol 28

29 Manual de formación comunicaciones Ethernet Topología en Anillo. Anillo simple: Las señales están transmitidas en un sentido. Cada equipo actúa como un repetidor y re-amplifica la señal. Si un único equipo falla, la señal cambian de sentido y la comunicación sigue funcionando. Es un sistema que tolera un fallo único. Topología de Anillo Simple Topología de Anillo Doble Anillo doble: Dos anillos conectados por fibra óptica. Si un nodo falla, se desconecta del anillo hasta que esté arreglado. En este momento el sistema funciona como un anillo simple. o Redundancia: Para desarrollar aplicaciones de alta disponibilidad, se implementa la redundancia en la infraestructura de la red. Realizando una arquitectura de anillo único, o de anillo doble, la comunicación puede protegerse frente a pérdidas de segmentos de red. El primer nivel de redundancia se consigue implementando un anillo único. Si falla una sección de la línea, una estructura de anillo de hasta 50 Switches vuelve a transformarla en una configuración tipo línea en 0,5 segundos. El segundo nivel de redundancia se consigue implementando un anillo doble. Estas configuraciones doblarían la redundancia obtenida utilizando un anillo único. 29

30 Instituto Schneider Electric de Formación 2.7 Direccionamiento MAC. Para permitir el envío local de las tramas en Ethernet, se debe contar con un sistema de direccionamiento, una forma de identificar los equipos o interfaces de comunicación de manera exclusiva. Ethernet utiliza direcciones MAC (Media Access Control address - Control de Acceso al Medio) que tienen 48 bits de largo y se expresan como doce dígitos hexadecimales. Son identificadores únicos de cada dispositivo y entonces no existen 2 equipos con la misma dirección MAC. Los primeros seis dígitos hexadecimales, que IEEE administra, identifican al fabricante. Esta porción de la dirección de MAC se conoce como Identificador Exclusivo Organizacional (IEO). Ejemplo: F4 para Telemecanique para Modicon Los seis dígitos hexadecimales restantes representan el índice de los equipos. Es parte está administrada por el fabricante de material. Ejemplo de dirección MAC: CPU Modicon Premium 30

31 Manual de formación comunicaciones Ethernet Para que sirve la dirección MAC? En una red Ethernet, cuando un dispositivo envía datos, puede abrir una ruta de comunicación hacia el otro dispositivo utilizando la dirección MAC destino. El dispositivo origen adjunta un encabezado con la dirección MAC del destino y envía los datos a la red. A medida que estos datos viajan a través de los medios de red, la NIC (Network Interface Card) de cada dispositivo de la red verifica si su dirección MAC coincide con la dirección destino física que transporta la trama de datos. Si no hay concordancia, la NIC descarta la trama de datos. Cuando los datos llegan al nodo destino, la NIC hace una copia y pasa la trama hacia las capas superiores del modelo OSI. En una red Ethernet, todos los nodos deben examinar el encabezado MAC, aunque los nodos que están comunicando estén lado a lado. Todos los dispositivos conectados a la LAN de Ethernet tienen interfaces con dirección MAC incluidas las estaciones de trabajo, impresoras, routers y switches. 2.8 Direccionamiento IP. Las direcciones de Internet pueden ser simbólicas o numéricas. La forma simbólica es más fácil de leer, por ejemplo: La forma numérica es un valor binario sin signo de 32 bits que se expresa normalmente en un formato decimal punteado (como representación decimal de cuatro valores de 8 bits concatenados con puntos). Los estándares para las direcciones IP se describen en el RFC Números de Internet. Para ser capaz de identificar una estación en una red ethernet, a cada estación se le asigna una dirección, la dirección IP, que consiste en un par de conjuntos de números: Dirección IP = <número de red><número de estación> Por ejemplo es una dirección IP siendo el número de red y 7.9 el número de estación. 31

32 Instituto Schneider Electric de Formación Existe tres clases de direcciones IP: o Las direcciones de clase A usan 7 bits para el número de red dando 126 redes posibles. Los 24 bits restantes se utilizan para el número de estación, así que cada red puede tener hasta (16,777,214 estaciones). o Las direcciones de clase B usan 14 bits para el número de red y 16 bits para el número de estación dando redes con un máximo de estaciones. o Las direcciones de clase C usan 21 bits para el número de red y 8 para el número de estación dando 2,097,150 redes de hasta 254 estaciones. 2.9 Enmascaramiento de Subred: Debido al crecimiento explosivo de Internet, el uso de las direcciones IP asignadas empiezan a ser demasiado inflexibles para permitir cambios sencillos en las configuraciones de redes locales. Para evitar tener que solicitar direcciones IP de redes adicionales en estos casos, se introduce el concepto de subredes. La parte del número de estación de la dirección IP se divide en un número de red y un número de estación. Esta segunda red se llama subred. La red principal consiste ahora en un número de subredes y la dirección IP se interpreta como: 32

33 Manual de formación comunicaciones Ethernet Valor de mascara de la dirección: La mascara debe ser seleccionada en coherencia con la clase de la dirección IP xxx. xxx. xxx para una dirección de clase A xxx. xxx para una dirección de clase B xxx para una dirección de clase C o Ejemplo con mascara: La dirección de destinación sufre una operación Y con la mascara de subred y está comparado con la dirección fuente: Ejemplo con una dirección de clase B : Si el resultado = dirección de red fuente la destinación es local Si el resultado <> dirección de red fuente la destinación no está en la misma red. Los mensajes de diferentes redes están encaminados hacia la pasarela por defecto, el router. 33

34 Instituto Schneider Electric de Formación o Cálculo de máximo de estaciones con mascara: Los 4 bits de más peso del tercer byte se utilizan como número de subred. Los otros bits sirven para las direcciones de los estaciones. La mascara de subred tiene que ser modificada de manera que todos los 1 estén por debajo de los bits de subred (ex., 255,255,240,0 para 4 bits y para 3 bits). Vemos que el tercer digito 240 en binario solo nos dejará pasar la parte alta de los 8 bits para el número de subred, dejando los otros cuatro para el número de estación (host). Para calcular el número de estaciones posibles que se pueden conectar a esta red, lo calcularemos buscando el número decimal de el siguiente valor binario (2# = 10#4095), que es lo queda del resto de la máscara subred. Con esta mascara subred podremos conectar hasta 4095 equipos a la misma red. Las direcciones irán desde: Primera dirección de host - Dirección de red Dirección de subred Número de estación

35 Manual de formación comunicaciones Ethernet Última dirección de host - Dirección de red Dirección de subred Número de estación o Cálculo de mascara para un número de 1200 estaciones. Si tenemos como dirección de red hay que calcular la máscara de subred para completar las direcciones para un máximo de 1200 estaciones. (El valor de 1200 estaciones será como mínimo con el fin de que la mascara de subred sea una agrupación de unos). 1.- Cálculo el valor en binario de 10# 1200 = 2# Ahora lo agrupamos en paquetes de 8 bits para ver como queda la máscara de subred y añadimos 0 a la izquierda hasta que queden dos agrupaciones de 8 bits. 2# Convierto los ceros de la dirección subred en unos y el número de estación a 0 para ver la máscara subred que me queda para permitir por lo menos 1200 estaciones, aunque realmente permitirá ( = 2045 Estaciones como máximo). 35

36 Instituto Schneider Electric de Formación 2.10 Dominios de Colisión. Ethernet utiliza un mecanismo denominado Call Sense Multiple Access-Collision Detect (CSMA-CD). Esto significa que cada equipo conectado sólo puede utilizar el cable cuando ningún otro equipo lo está utilizando. Si hay algún conflicto, el equipo que está intentando establecer la conexión la anula y efectúa un nuevo intento más adelante (Algoritmo de reenvío de mensaje aleatorio). Método de control de acceso a la red: Diagrama de flujo de CSMA-CD 1. La estación que desea emitir un mensaje escucha la red para saber si hay otras estaciones emitiendo en este momento. 2. Si la red está disponible, la estación empieza a emitir. 3. La estación escucha su propio mensaje para ver si ha habido colisión. Si no es el caso, el proceso está acabado. 4. Si hay colisión, la estación espera un tiempo aleatorio e intenta otra vez. 36

37 Manual de formación comunicaciones Ethernet 2.11 Medios Físicos (cobre, fibra etc). Ethernet está disponible con 3 tipos de medios físicos de transmisión de datos: o Par trenzado TP o Fibra óptica F/O o Aire Las características e instalación de los medios de transmisión, se debe hacer en cumplimiento de estándares para que califiquen como cableado estructurado. Las redes donde su cableado se ha realizado bajo los estándares trae consigo diferentes beneficios como la flexibilidad de instalación, capacidad de crecimiento y facilidad de administración. El cableado estructurado consiste en el tendido de cables en el interior de un edificio con el propósito de implantar una red de área local. Suele tratarse de cable de par trenzado de cobre, para redes de tipo IEEE No obstante, también puede tratarse de fibra óptica o cable coaxial Categorías estándar de cableado. o Categoría 1: actualmente no reconocido por TIA/EIA. Fue usado para comunicaciones telefónicas POTS, ISDN y cableado de timbrado. o Categoría 2: actualmente no reconocido por TIA/EIA. Fue frecuentemente usado para redes token ring (4 Mbit/s). o Categoría 3: actualmente definido en TIA/EIA-568-B. Fue (y sigue siendo) usado para redes ethernet (10 Mbit/s). Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 16 MHz. 37

38 Instituto Schneider Electric de Formación o Categoría 4: actualmente no reconocido por TIA/EIA. Frecuentemente usado en redes token ring (16 Mbit/s). Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 20 MHz. o Categoría 5: actualmente no reconocido por TIA/EIA. Frecuentemente usado en redes ethernet, fast ethernet (100 Mbit/s) y gigabit ethernet (1000 Mbit/s). Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 100 MHz. o Categoría 5e: actualmente definido en TIA/EIA-568-B. Frecuentemente usado en redes fast ethernet (100 Mbit/s) y gigabit ethernet (1000 Mbit/s). Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 100 MHz. Siendo compatible con Gigabit ethernet (1000 Mbit/s) se recomienda especificamente el uso de cable de Categoria 6 para instalaciones de este tipo, de esta manera se evitan perdidas de rendimiento a la vez que se incrementa la compatibilidad de toda la infraestructura. o Categoría 6: actualmente definido en TIA/EIA-568-B. Usado en redes gigabit ethernet (1000 Mbit/s). Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 250 MHz. o Categoría 7: actualmente no reconocido por TIA/EIA. Usado en un futuro en redes 10 gigabit ethernet (10000 Mbit/s). Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 600 MHz. Cuando es necesario expandir Ethernet, para agregar un nuevo medio o capacidad, el IEEE publica un nuevo suplemento del estándar Los nuevos suplementos reciben una designación y la descripción abreviada consta de: Un número que indica el número de Mbps que se transmiten. La palabra "BASE", que indica que se utiliza la señalización banda base. 38

39 Manual de formación comunicaciones Ethernet Una o más letras del alfabeto que indican el tipo de medio utilizado (F = cable de fibra óptica, T = par trenzado de cobre no blindado). Ethernet emplea señalización banda base, la cual utiliza todo el ancho de banda del medio de transmisión. Los datos se transmiten directamente sobre el medio de transmisión. Comparación de la longitud máxima de redes. Para definir una arquitectura adecuada, deben respetarse los 2 límites, la longitud máxima de los segmentos y el diámetro máximo de la red. 39

40 Instituto Schneider Electric de Formación Diferencias entre cableados Ethernet: Cable Ethernet paralelo: Este tipo de cable permite que las conexiones entre módulos Ethernet (NOE, TSX ETY) o unidades centrales se equipen con Ethernet y componentes (hub, switch, routers). Cable Ethernet cruzado: Este tipo de cable permite únicamente una conexión punto a punto con otro dispositivo del mismo tipo (entre 2 ordenadores). Hay equipos que les es indiferente que se les conecte un cable cruzado o normal (autocrossing), ellos mismas se configuran para poder utilizarlo PC-PC o PC-Hub/switch. 40

41 Manual de formación comunicaciones Ethernet Fibra óptica La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el núcleo de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total. La fuente de luz puede ser láser o un LED. Debido a su inmunidad a las interferencias electromagnéticas, la fibra óptica se adapta a la perfección para aplicaciones industriales en entornos agresivos y también se tratan de largas distancias. Para las comunicaciones se emplean fibras multimodo y monomodo, usando las multimodo para distancias cortas (hasta 5000 m) y las monomodo para acoplamientos de larga distancia. Debido a que las fibras monomodo son más sensibles a los empalmes, soldaduras y conectores, las fibras y los componentes de éstas son de mayor costo que los de las fibras multimodo. Hay dos tipos de fibra óptica: Monomodo: Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólo permite un modo de propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 100 km máximo, mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información (decenas de Gb/s). Estructura de la fibra óptica monomodo. 41

42 Instituto Schneider Electric de Formación Multimodo: Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1 km; es simple de diseñar y económico. Estructura de la fibra óptica multimodo. Su distancia máxima es de 2 km y usan diodos láser de baja intensidad. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión. o Tipos de conectores para fibras ópticas: Los conectores es la parte que se encargan de conectar las líneas de fibra a un elemento, ya puede ser un transmisor o un receptor. Los tipos de conectores disponibles son muy variados, entre los que se hallan los siguientes: Diferentes Tipos de conectores para fibra óptica. 42

43 Manual de formación comunicaciones Ethernet Redes inalámbricas: WiFi (Wíreless Fidelity) La palabra Wi-Fi significa Wireless-Fidelity, es un conjunto de estándares para redes inalámbricas (medio físico: el aire) basados en las especificaciones IEEE o Introducción Wi-Fi se creó para ser utilizada en redes locales inalámbricas (WLAN Wireless Local Area Network), pero es frecuente que en la actualidad también se utilice para acceder a Internet. Wi-Fi es una marca de la Wi-Fi Alliance (anteriormente la Wireless Ethernet Compatibility Alliance), la organización comercial que prueba y certifica que los equipos cumplen los estándares IEEE x. wireless local area network association wifi alliance o Porque el Wi-Fi en la industria? WLAN es el medio portador para proporcionar movilidad real en la red corporativa / industrial. La logística moderna requiere acceso directo a la red corporativa. La productividad de la red corporativa / industrial se puede incrementar usando WLAN. WLAN puede utilizarse para implementar sistemas de control remoto y su monitorización, entre otros... Las aplicaciones posibles son numerosas. En producción, no crítica, cobertura a elementos móviles, unión de LAN s 43

44 Instituto Schneider Electric de Formación o Aplicaciones en la industria Automatización fábrica Automatización proceso Automatización trafico Logística Acceso remoto Monitorizar Carretillas elevadoras Tanques aislados Puertos (toros) Vehículos Lectores códigos de Aeropuertos Barras Camiones, grúas Automatización de fábricas: Carretillas automáticas industriales en la logística de producción son un elemento clave en la automatización de la fábrica Automatización de almacén: Reducción de los tiempos de operación y mantenimiento por el uso de una red basada en RF 44

45 Manual de formación comunicaciones Ethernet o Normalización Los estándares IEEE b e IEEE g disfrutan de una aceptación internacional debido a que la banda de 2.4 GHz está disponible casi universalmente, con una velocidad de hasta 11 Mbps y 54 Mbps, respectivamente. Estándar IEE Existe también un primer borrador del estándar IEEE n que trabaja a 2.4 GHz a una velocidad de 108 Mbps. Aunque estas velocidades de 108 Mbps son capaces de alcanzarse ya con el estandar g gracias a técnicas de aceleramiento que consiguen duplicar la transferencia teórica. o Comparación entre Infraestructura y ad-hoc Se trata de la comunicación entre los accesos cliente (AC). Si todos los clientes se conectan a través del AP (Access Point) se trata de una infraestructura de red. Si todos los clientes se ven directamente entre si se trata de una red had-hoc. Infraestructura de red Red had-hoc 45

46 Instituto Schneider Electric de Formación o Seguridad Uno de los problemas más graves a los cuales se enfrenta actualmente la tecnología Wi-Fi es la seguridad. Un muy elevado porcentaje de redes son instaladas sin tener en consideración la seguridad y, por tanto, convirtiendo sus redes en redes abiertas, sin proteger la información que por ellas circulan. Existen varias alternativas para garantizar la seguridad de estas redes. Visibilidad AP (SSID) El SSID (Service Set IDentifier) es un código de hasta 32 caracteres incluido en todos los paquetes de una red inalámbrica (Wi-Fi) para identificarlos como parte de esa red. Todos los dispositivos inalámbricos que intentan comunicarse entre sí deben compartir el mismo SSID. Existen algunas variantes principales del SSID. Las redes ad-hoc utilizan el BSSID (Basic Service Set Identifier); mientras que en las redes en infraestructura se utiliza el ESSID (E de extendido). A menudo al SSID se le conoce como nombre de la red. Uno de los métodos más básicos de proteger una red inalámbrica es desactivar el broadcast del SSID, ya que para el usuario medio no aparecerá como una red en uso. Sin embargo no debería ser el único método de defensa para proteger una red inalámbrica. Se deben utilizar también otros sistemas de encriptado y autentificación. ACL Lista de control de acceso (hasta 16 direcciones MAC) Las listas de acceso (ACL) se usan para el filtrado de paquetes en función de ciertos parámetros como pueden ser las direcciones de red origen o destino, los puertos origen o destino, el tipo de protocolo (ip, icmp, tcp, udp, etc). Con las ACLs se puede bloquear el tráfico no deseado en una interfaz ya sea de salida o de entrada. 46

47 Manual de formación comunicaciones Ethernet WEP 64/128 Bits (Wired Equivalent Privacy) La encriptación abarca el tráfico de datos y la autentificación del Access Point. El estándar define una llave de 40 bits y basada en el algoritmo RC4 no obstante podemos escoger una encriptación más segura de 128 bits (incluido en la versión WEP2). El principal problema con la implementación de este algoritmo es el tamaño de los vectores de inicialización. Es relativamente fácil de crackear utilizando programas del tipo Packet sniffers o los WEP Crackers por lo tanto es inseguro debido a su implementación x Autentificación por Servidor RADIUS Clientes que quieran acceder a una red cableada a través de un Access Point, primero tienen que legitimar su presencia por medio de un Servidor RADIUS. Si un elemento RF intenta acceder a la intranet, primero se verifica su dirección MAC, si no está, no podrá acceder a la red. El soporte es provisto por un servidor RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service server) que gestiona las direcciones MAC. WPA (WiFi Protected Access) como sucesor del WEP WPA (Wi-Fi Protected Access Acceso Protegido Wi-Fi) es un sistema para proteger las redes inalámbricas (Wi-Fi); creado por "The Wi-Fi Alliance" (La Alianza Wi-Fi) para corregir las deficiencias del sistema previo WEP (Wired Equivalent Privacy - Privacidad Equivalente a Cableado). Es una especificación basada en el estándar i, donde las mejoras en seguridad han incrementado ampliamente el nivel de protección de datos (encriptación) y el control de acceso (autentificación) a la red inalámbrica. WPA2 está basada en el nuevo estándar i. WPA, por ser una versión previa, que se podría considerar de "migración", no incluye todas las características del IEEE i, mientras que WPA2 se puede inferir que es la versión certificada del estándar i. El estándar i fue ratificado en Junio de La alianza Wifi llama a la versión de clave pre-compartida WPA-Personal y WPA2-Personal y a la versión con autenticación 802.1x/EAP como WPA-Enterprise y WPA2-Enterprise. 47

48 Instituto Schneider Electric de Formación 2.12 Los protocolos asociados. Estos protocolos sirven para: transferencia de ficheros, gestión de red, asignación de dirección: o Los protocolos de aplicaciones: HTTP, FTP, SNMP, DNS, TELNET. o Los protocolos de adquisición de configuración: BootP, DHCP. o Los protocolos de comunicación: ARP, RARP, ICMP. o HTTP Protocolo de transferencia de hipertexto (RFC1945) El protocolo HTTP Protocolo de transferencia de hipertexto se utiliza para transmitir páginas Web entre un servidor y un navegador. HTTP lleva utilizándose en la Red desde o FTP - File Transfer Protocol El protocolo de transferencia de archivos (FTP) proporciona elementos básicos para compartir archivos. Muchos sistemas utilizan el protocolo FTP para intercambiar archivos entre dispositivos. 48

49 Manual de formación comunicaciones Ethernet o SNMP (Simple Network Management Protocol) La comunidad de Internet desarrolló SNMP estándar para administrar los distintos componentes de una red a través de un solo sistema. El sistema de administración de la red puede intercambiar datos con dispositivos agentes SNMP. Esta función permite al administrador ver el estado de la red y los dispositivos, modificar su configuración y reaccionar con alarmas si se produce un fallo. o DNS (Domain Name Service) Traduce el nombre simbólico de un nodo de red en una dirección IP. Cada dominio tiene que tener un servidor de nombre. En la imagen siguiente pueden verse 3 dominios. Modicon.com es el nombre de dominio. Hay un servidor de nombre Modicon.com que sabe todo sobre el dominio. Hay otro servidor de dominio.com que sabe donde encontrar el servidor de nombre modicon.com El servidor de nombre (www) sabe donde encontrar el servidor de nombre.com. 49