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Ing. Moiss Gutirrez Chvez Ing. Moiss Gutirrez Chvez Ing. Moiss Gutirrez Chvez
PROTOCOLOS
INDUSTRIALES
TRANSMISION DE
DATOS Y REDES
INDUSTRIALES
Ing. Moiss Gutirrez Chvez
OBJETIVO
Mostrar como los sistemas modernos
de automatizacin usan formas de
comunicacin ms eficientes que el
simple lazo analgico 4-20 mA.
POROTOCOLOS DE COMUNICACION
Ing. Moiss Gutirrez Chvez
POROTOCOLOS INDUSTRIALES
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Son reglas que permiten el flujo
de informacin entre
computadoras que manejan
lenguajes distintos
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PROTOCOLOS INDUSTRIALES DE COMUNICACION
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Actualmente un importante nmero de empresas
presentan la existencia de islas automatizadas
(clulas de trabajo sin comunicacin entre s),
siendo en estos casos las redes y los protocolos
de comunicacin Industrial indispensables para
realizar un enlace entre las distintas etapas que
conforman el proceso.
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La irrupcin de los microprocesadores en la
industria han posibilitado su integracin a
redes de comunicacin con importantes
ventajas, entre las cuales figuran:
Mayor precisin derivada de la integracin de
tecnologa digital en las mediciones
Mayor y mejor disponibilidad de informacin de
los dispositivos de campo
Diagnstico remoto de componentes
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La integracin de las mencionadas islas automatizadas
suele hacerse dividiendo las tareas entre grupos de
procesadores jerrquicamente anidados.
Esto da lugar a una estructura de redes Industriales, las
cuales es posible agrupar en tres categoras:
Buses de campo
Redes LAN
Redes LAN-WAN
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POROTOCOLOS INDUSTRIALES
PROFINET
PROFBUS PA
HART FF H1
DeviceNet Interbus
PROFINET
PROFIBUS DP
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PROTOCOLOS INDUSTRIALES
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Los buses de datos que permiten la integracin de equipos para la medicin y control de variables de proceso, reciben la denominacin genrica de buses de campo.
Un bus de campo es un sistema de transmisin de informacin (datos) que simplifica enormemente la instalacin y operacin de mquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de produccin.
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El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a travs del tradicional lazo de corriente de 4 -20mA o 0 a 10V DC, segn corresponda.
Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores, sensores y equipos de supervisin.
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Los buses de campo con mayor presencia en el rea de control y automatizacin de procesos son:
HART
MODBUS
Profibus
Fieldbus Foundation
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HART
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El protocolo HART (High way-Addressable-Remote-Transducer) agrupa la informacin digital sobre la seal analgica tpica de 4 a 20 mA DC. La seal digital usa dos frecuencias individuales de 1200 y 2200 Hz, que representan los dgitos 1 y 0 respectivamente y que en conjunto forman una onda sinusoidal que se superpone al lazo de corriente de 4-20 mA, ver figura.
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Como la seal promedio de un onda sinusoidal es cero, no se aade ninguna componente DC a la seal analgica de 4-20 mA., lo que permite continuar utilizando la variacin analgica para el control del proceso. Ver Caractersticas en Tabla N1
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PROFIBUS
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(Process Field Bus) Norma internacional de bus de campo de alta velocidad para control de procesos normalizada en Europa por EN 50170.
Existen tres perfiles:
Profibus DP (Decentralized Periphery). Orientado a sensores/actuadores enlazados a procesadores (PLCs) o terminales.
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Profibus PA (Process Automation). Para control de proceso, cumple normas especiales de seguridad para la industria qumica (IEC 1 1 15 8-2, seguridad intrnseca).
Profibus FMS (Fieldbus Message Specification). Para comunicacin entre clulas de proceso o equipos de automatizacin. Ver Caractersticas en Tabla N1
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FOUNDATION FIELDBUS
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Foundation Fieldbus (FF) es un protocolo de comunicacin digital para redes industriales, especficamente utilizado en aplicaciones de control distribuido.
Puede comunicar grandes volmenes de informacin.
Es ideal para aplicaciones con varios lazos complejos de control de procesos y automatizacin.
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Foundation Fieldbus (FF)
Est orientado principalmente a la interconexin de dispositivos en industrias de proceso continuo.
Los dispositivos de campo son alimentados a travs del bus Fieldbus cuando la potencia requerida para el funcionamiento lo permite.
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Otros protocolos ampliamente usados aunque de menor alcance son:
Modbus
DeviceNet
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MODBUS
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Modbus es un protocolo de transmisin para sistemas de control y supervisin de procesos (SCADA) con control centralizado, puede comunicarse con una o varias Estaciones Remotas (RTU) con la finalidad de obtener datos de campo para la supervisin y control de un proceso.
La Interfaces de Capa Fsica puede estar configurada en: RS-232, RS-422, RS-485. Ver caractersticas en tabla N 1.
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En Modbus los datos pueden intercambiarse en dos modos de transmisin:
Modo RTU
Modo ASCII
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DEVICENET
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Red de bajo nivel adecuada para conectar dispositivos simples como sensores fotoelctricos, sensores magnticos, pulsadores, etc y dispositivos de alto nivel (PLC, controladores, computadores, HMI, entre otros). Provee informacin adicional sobre el estado de la red, cuyos datos sern desplegados en la interfaz del usuario. Ver caractersticas en tabla N 1
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BUSES Y PROTOCOLOS
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Nombre Topologa Soporte Max. Disposit
Profibus DP lnea, estre- par trenzado 127/seg
lla, anillo fibra ptica
Profibus PA lnea, estre- par trenzado 14400/seg
lla, anillo fibra ptica
Profibus FMS lnea, estre- par trenzado 127/seg
lla, anillo lla, anillo fibra ptica
Foundation estrella o bus par trenzado 240/seg
Fieldbus HSE fibra ptica 32768 sist
Foundation estrella par trenzado 240/seg
Fieldbus H1 o bus fibra ptica 32768 sist
Lonworks bus, anillo par trenzado
lazo, estrella fibra ptica 32768/dom
coaxial, radio
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Nombre Topologa Soporte Max. Disposit
Interbus-S segmentado par trenzado 256 nodos
fibra ptica
Device Net troncal/pun- par trenzado 2048 nodos
tual, c/bifurca fibra ptica
AS-I bus, anillo par trenzado 31 p/red
rbol, estrella
Modbus RTU lnea, estrella par trenzado, 250 p/seg
rbol, red con coaxial, radio
segmentos
Ethernet bus, estrella par trenzado 400 p/seg
Industrial malla-cadena coaxial, radio
Hart par trenzado 15 p/seg
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Nombre Rate Transm Distancia Comunicacin
bps Max. Km
Profibus DP hasta 1.5 M 0.1 segm Master/Slave
y 12 M 24 fibra peer to peer
Profibus PA 31.5 K 0.1 segm Master/Slave
24 fibra peer to peer
Profibus FMS 500 K Master/Slave
peer to peer
Foundation 100 M 0.1 par Single/
Fieldbus HSE 2 fibra Multi master
Foundation 31.25 K 1.9 cable Single/
Fieldbus H1 Multi master
Lonworks 500 K 2 Master/Slave
peer to peer
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Nombre Rate Transm Distancia Comunicacin
bps Max. Km
Interbus-S 500 K 400/seg Master/slave
12.8 total
Device Net 500 K 0.5 Master/slave, 6c repetid multimaster
peer to peer
AS-I 167 K 0.1, 0.3 c/rep Master/slave
Modbus RTU 1.2 a 115.2 K 0.35 Master/slave
Ethernet 10, 100 M 0.1 Master/slave
Industrial 100 mono peer to peer
c/switch
Hart 1.2 K Master/slave
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PROTOCOLO
LONWORK
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El estndar LONWork se basa en el esquema propuesto por LON(Local Operating Network).
Es un conjunto de dispositivos inteligentes, o nodos, que se conectan mediante uno o ms medios fsicos y que se comunican utilizando un protocolo comn.
LONWORK
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LONWorks utiliza para el intercambio de informacin (ya sea de control o de estado) el protocolo LonTalk. Este tiene que ser soportado por todos los nodos de la red. Toda la informacin del protocolo est disponible para cualquier fabricante.
LONWORK
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Fiabilidad: El protocolo soporta acuso de recibo (acknowledgments) extremo a extremo con reintentos automticos.
Variedad de medios de comunicacin: tanto cableado como radio. Entre los que estn soportados: Par trenzado, red elctrica, radio frecuencia, cable coaxial y fibra ptica.
LONWORK CARACTERISTICAS
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Tiempo de Respuesta: Se utiliza un algoritmo propietario para prediccin de colisiones que consigue evitar la degradacin de prestaciones que se produce por tener un medio de acceso compartido.
LONWORK
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Bajo costo de los productos: Muchos de los nodos LON son simples dispositivos como interruptores o sensores. El protocolo ha sido diseado para poder ser implementado en un nico chip de bajo coste.
LONWORK
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Para el enrutamiento de mensajes, el protocolo define una jerarqua de direccionamiento: incluye direccin de dominio, subred y nodo.
Cada nodo est conectado fsicamente a un canal.
Un dominio es una coleccin lgica de nodos que pertenecen a uno o ms canales.
LONWORK
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Una subred es una coleccin lgica de hasta 127 nodos dentro de un dominio.
Se pueden definir hasta 255 subredes dentro de un nico dominio.
Todos los nodos de una subred deben pertenecer al mismo canal, o los canales tienen que estar conectados por puentes (bridges).
LONWORK
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Cada nodo tiene un identificador de 48-bits nico, asignado durante la fabricacin, que se usa como direccin de red durante la instalacin y configuracin.
La tabla resume la jerarqua de red
LONWORK
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Subredes por dominio: 255
Nodos por subred: 127
Nodos por dominio: 32,385
Grupos por dominio: 255
Nodos por grupo: 63
Numero de dominios: 281,474,976,710,656
LONWORK
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Para tener interoperatibilidad entre productos de distintos fabricantes, se definen variables a partir de tipos estndar (Standard Network Variable Types).
Echelon tiene una lista de unos 100 tipos accesible a cualquier fabricante.
LONWORK
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Temperature: Temperature
Relative Humidity: Percent
Switch State: Boolean
Device State: Boolean
Day of Week: Enumerated List (Mon-Sun)
Real Time: MM, DD,YYYY
Elapsed Time: Seconds, Milliseconds, Days or Hours
LONWORK
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Event Count: Counts
% of Full Scale: Percent
Alphanumeric: ASCII characters
Alphanumeric: Kanji characters
Alphanumeric: International characters
Energy: Kilowatt-Hours
Power: Watts
Voltage: DC or AC RMS
LONWORK
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Current: Amps AC, RMS
Phone State: Enumerated List (On-hook, off-hook, busy, ringing, etc.)
Resistance: Ohms
Volume: Gallons, CCF, liters
Flow: Gallons or liters/hour
Weight: Kilograms, Lbs.
Speed: Miles or Km/hour
LONWORK
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Pressure: Lbs./sq.in, Pascals, Inches-Hg
Sound level: dBrnc
Voltage: dB microvolts
LONWORK
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TCP/IP
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TCP/IP (Transmition Control Protocol/Internet Protocol)
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El protocolo TCP/IP hace posible enlazar cualquier tipo de computadoras, sin importar el sistema operativo que usen o el fabricante.
Este protocolo fue desarrollado originalmente por el ARPA (Advanced Research Projects Agency) del Departamento de Defensa de los Estados Unidos.
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Actualmente, es posible tener una red mundial llamada Internet usando este protocolo. El sistema IP permite a las redes enviar correo electrnico (e-mail), transferencia de archivos (FTP) y tener una interaccin con otras computadoras (TELNET) no importando donde estn localizadas, tan solo que sean accesibles a travs de Internet.
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ARQUITECTURA DE INTERCONEXIN DE REDES
EN TCP/IP CARACTERSTICAS
1. Protocolos de no conexin en el nivel de red.
2. Conmutacin de paquetes entre nodos.
3. Protocolos de transporte con funciones de
seguridad.
4. Conjunto comn de programas de aplicacin.
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Para entender el funcionamiento de los protocolos TCP/IP
debe tenerse en cuenta la arquitectura que ellos proponen
para comunicar redes. Tal arquitectura ve como iguales a
todas las redes a conectarse, sin tomar en cuenta el
tamao de ellas, ya sean locales o de cobertura amplia.
Define que todas las redes que intercambiarn
informacin deben estar conectadas a una misma
computadora o equipo de procesamiento (dotados con
dispositivos de comunicacin); a tales computadoras se
les denominan compuertas, pudiendo recibir otros
nombres como enrutadores o puentes.
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DIRECCIONES IP
1. Longitud de 32 bits.
2. Identifica a las redes y a los nodos conectados a ellas.
3. Especifica la conexin entre redes.
4. Se representan mediante cuatro octetos, escritos en formato decimal, separados por puntos.
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Para que en una red dos computadoras puedan
comunicarse entre s ellas deben estar identificadas con
precisin Este identificador puede estar definido en
niveles bajos (identificador fsico) o en niveles altos
(identificador lgico) de pendiendo del protocolo utilizado.
TCP/IP utiliza un identificador denominado direccin
Internet o direccin IP, cuya longitud es de 32 bytes. La
direccin IP identifica tanto a la red a la que pertenece una
computadora como a ella misma dentro de dicha red.
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CLASES DE DIRECCIONES IP
Clases Nmero Nmero Rango de
de redes de nodos Direcciones IP
A 127 16,777,215 1.0.0.0 - 127.0.0.0
B 4095 65,535 128.0.0.0 - 191.255.0.0
C 2,097,151 255 192.0.0.0 - 223.255.255.0
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Tomando tal cual est definida una direccin IP podra surgir la duda de cmo identificar qu parte de la direccin identifica a la red y qu parte al nodo en dicha red. Lo anterior se resuelve mediante la definicin de las "Clases de Direcciones IP". Para clarificar lo anterior veamos que una red con direccin clase A queda precisamente definida con el primer octeto de la direccin, la clase B con los dos primeros y la C con los tres primeros octetos. Los octetos restantes definen los nodos en la red especfica.
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SERVICIOS DEL TCP/IP
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Transferencia de Archivos FTP
(File Transfer Protocol).
Este protocolo permite a los usuarios obtener o enviar archivos a otras computadoras en una red amplia (Internet). En esto, hay que implementar cierta seguridad, para restringir el acceso a ciertos usuarios y adems a ciertas partes del servidor (computadora).
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Acceso Remoto:
El acceso remoto (Telnet) en un protocolo que permite el acceso directo de un usuario a otra computadora en la red. Para establecer un Telnet, se debe establecer la direccin o nombre de la computadora a la cual se desea conectar. Mientras se tenga el enlace, todo lo que se escriba en la pantalla, ser ejecutado en la computadora remota, haciendo un tanto invisible a la computadora local.
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Acceso Remoto
Cuando se accede por este tipo de protocolos, generalmente la computadora remota pregunta por un nombre de usuario (user name, login, etc.) y por una clave (password). Cuando ya se desea terminar con la sesin, basta con terminar este protocolo, para salir generalmente con los comandos: logout, logoff, exit, etc.
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Correo en las Computadoras
(e-mail)
Este protocolo permite enviar o recibir mensajes a diferentes usuarios en otras computadoras. Generalmente se tiene una computadora como servidor de correo electrnico, la cual debe estar todo tiempo corriendo este programa, ya que cuando se enva algn mensaje, la computadora trata de enviarlo a la que le corresponde y si esta estuviera apagada o no corriendo este programa, el mensaje se perdera.
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Correo en las Computadoras
(e-mail)
Esta es la inconveniencia de tener un servidor de correo en una computadora del tipo PC, ya que estas no estn permanentemente encendidas ni corriendo el protocolo de correo electrnico.
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Sistemas de archivo en red (NFS)
Esto permite a un sistema acceder archivos en otra computadora de una manera mas apropiada que mediante un FTP. El NFS da la impresin de que los discos duros de la computadora remota estn directamente conectados a la computadora local. De esta manera, se crea un disco virtual en el sistema local.
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Sistemas de archivo en red (NFS)
Esto es bastante usado para diferentes propsitos, tales como poner gran cantidad de informacin en una cuantas computadoras, pero permitiendo el acceso a esos discos. Esto aparte de los beneficios econmicos, adems permite trabajar a los usuarios en varias computadoras y compartir archivos comunes.
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Impresin Remota
Esto permite acceder impresoras conectadas en la red, para lo cual se crean colas de impresin y el uso de dichas impresoras se puede restringir, ya sea mediante alguna contrasea o a ciertos usuarios. Los beneficios son el poder compartir estos recursos.
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Ejecucin Remota
Esto permite correr algn programa en particular en alguna computadora. Es til cuando se tiene un trabajo grande que no es posible correr en un sistema pequeo, siendo necesario ejecutarlo en uno grande. Se tiene diferentes tipos de ejecucin remota, por ejemplo, se puede dar algn comando o algunos para que sean ejecutados en alguna computadora en especifico.
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Ejecucin remota
Con un sistema mas sofisticado, es posible que ese proceso sea cargado a alguna computadora que se encuentre disponible para hacerlo.
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Servidores de Nombres
En instalaciones grandes, hay un una buena cantidad de coleccin de nombres que tienen que ser manejados, esto incluye a usuarios y sus passwords, nombre y direcciones de computadoras en la red y cuentas.
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Servidores de Nombres
Resulta muy tedioso estar manejando esta gran cantidad de informacin, por lo que se puede destinar a una computadora que maneje este sistema, en ocasiones es necesario acceder estos servidores de nombres desde otra computadora a travs de la red.
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Servidores de Terminales
En algunas ocasiones, no se requiere tener conectadas las terminales directamente a las computadoras, entonces, ellos se conectan a un servidor de terminales. Un servidor de terminales es simplemente una pequea computadora que solo necesita correr el Telnet (o algunos otros protocolos para hacer el acceso remoto).
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Servidores de Terminales
Si se tiene una computadora conectada a uno de estos servidores, simplemente se tiene que teclear el nombre de la computadora a la cual se desea conectar. Generalmente se puede tener varios en laces simultneamente, y el servidor de terminales permitir hacer la conmutacin de una a otra en un tiempo muy reducido.
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APLICACIONES
DE REDES
INDUSTRIALES
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VENTAJAS
Posibilidad de intercambio de informacin entre equipos que controlan fases sucesivas de un mismo proceso.
Facilidad de comunicacin hombre mquina. Uso de una base de datos comn
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Redes usando TCP/IP
TCP/IP define una interfaz abstracta a travs de la cual se puede accesar al hardware, esto a su vez es un mecanismo que culta la diversidad de equipo que puede
usarse en un ambiente de red [1]. Esta interfaz ofrece un conjunto de operaciones que es el mismo para todos los tipo de hardware y que trata bsicamente con el envo y recepcin de paquetes.
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PROTOCOLOS DE COMUNICACION
Por ejemplo, en el sistema GNU/Linux, las interfaces ethernet (las que ofrece una tarjeta de red) tienen nombres como eth0 y eth1. Las interfaces PPP (que se usan para conectarse con un modem) tienen nombres como ppp0 y ppp1.
Antes de usar una interfaz en una red, se debe de asignarle una direccin IP que sirve como su identificacin cuando se comunican en el resto del mundo.
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Esta direccin es diferente del nombre de la interfaz; si se compara la interfaz con una puerta, la direccin es como la placa de identificacin pegada a ella.
Otros parmetros pueden ponerse para el dispositivo, tal como el tamao mximo de los datagramas que pueden ser procesados por una pieza particular de hardware, el cual es conocido como la Unidad de Transferencia Mxima (Maximum Transfer Unit, MTU).
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Otros atributos se conocern posteriormente.
Sin embargo, la mayora de los atributos tienen valores por defecto funcionales.
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BENEFICIOS DE USAR UNA RED TCP/IP
TCP/IP permite plataformas-entrelazadas o administracin de redes heterogneas.
Por ejemplo una red de Windows NT podra contener una computadora de Unix o Macintosh o hasta redes mixtas. TCP/IP tambin tiene las siguientes caractersticas:
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Buena recuperacin de las fallas
Habilidad de anadir redes sin interrumpir los servicios ya existentes.
Manejo de alto porcentaje de errores
Independencia de la plataforma
Bajos gastos indirectos de informacion.
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Buena recuperacin de las fallas
Habilidad de anadir redes sin interrumpir los servicios ya existentes.
Manejo de alto porcentaje de errores
Independencia de la plataforma
Bajos gastos indirectos de informacion.