Comunicaciones Industriales Avanzadas

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1.1 Comunicaciones Industriales Avanzadas 1 COMUNICACIONES INDUSTRIALES AVANZADAS Departamento de Electrónica y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Sadot Alexandres Fernández y José Antonio Rodríguez Mondéjar Comunicaciones Industriales Avanzadas 2 Biblografía y referencias empleadas COMUNICACIONES Y REDES DE COMPUTADORAS Autor: WILLIAM STALLING. Edición: 7ª. Editorial: PRENTICE HALL Fecha de publicación: 06/2004. COMUNICACIONES INDUSTRIALES. Autor: Pedro Morcillo Ruiz. Editorial: Paraninfo. Fecha de publicación: 2000 AUTÓMATAS PROGRAMABLES. Balcells, Romeral. Marcombo 1997. COMUNICACIONES INDUSTRIALES. Sempere Payá, Silvestre Blanes, Martínez Guardiola. Universidad Politécnica de Valencia. 2002 DOCUMENTACIÓN TÉCNICA SOBRE BUSES INDUSTRIALES (Schneider, Siemens, Allen-Bradley, etc.)

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COMUNICACIONES INDUSTRIALES AVANZADASDepartamento de Electrnica y Automtica Escuela Tcnica Superior de IngenieraSadot Alexandres Fernndez y Jos Antonio Rodrguez Mondjar

Comunicaciones Industriales Avanzadas

1

Biblografa y referencias empleadasCOMUNICACIONES Y REDES DE COMPUTADORAS Autor: WILLIAM STALLING. Edicin: 7. Editorial: PRENTICE HALL Fecha de publicacin: 06/2004. COMUNICACIONES INDUSTRIALES. Autor: Pedro Morcillo Ruiz. Editorial: Paraninfo. Fecha de publicacin: 2000 AUTMATAS PROGRAMABLES. Balcells, Romeral. Marcombo 1997. COMUNICACIONES INDUSTRIALES. Sempere Pay, Silvestre Blanes, Martnez Guardiola. Universidad Politcnica de Valencia. 2002 DOCUMENTACIN TCNICA SOBRE BUSES INDUSTRIALES (Schneider, Siemens, Allen-Bradley, etc.)

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1.1

Objetivos Introducir los fundamentos de las comunicaciones fijas y mviles con

enfoque de aplicacin industrial Estudiar y entender las comunicaciones a partir de la capa de fsica y

su progresin a las capas superioresComplementar la teora con un laboratorio prctico en aplicaciones

industriales basado en 485, PLC y ethernet.

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Contenidos de la asignaturaTEORA0. 1.

PARTE 1

2. 3. 4. 5. 6.

PARTE 2

Recordando 485 y Modbus Las comunicaciones actuales Las redes de comunicaciones industriales La capa de enlace y de red Redes fijas e inalambricas Ethernet Otros buses industriales.

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1.2

Comunicaciones industriales- Recordando 485 y MODBUS -

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EIA-485Capa fsica usados en Buses de Campo EstndarModo de trabajo Driver/receiver

RS232Asimtrica 1 driver 1 receiver 15 mts 20 Kbps 3KO a 7KO 15V 3V

RS422Simtrica o Diferencial 1 driver 10 receivers 1200 mts 10 Mbps 100O min. 7V 200 mV

RS485Simtrica o Diferencial 32 driver 32 receivers 1200 mts. 10 Mbps 54O min. -7v a 12V 200 mV

Longitud del cableado Velocidad mxima Carga del driver Rango de tensin en receptor Sensibilidad del receptor

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1.3

EIA-485, 2 cables multidrop1.220 m

A T B A R100O w 100O w

Resistencias de terminacin solo en los dos extremosRt Rt

A B A B100O w

R TXEnable

RX

B

T100O w

TG A T TXEnable

A T TXEnable

B A R B100O w 100O w

B A R100O w

RX

RX

T Transmisor R Receptor Tierra de seal Tierra de chasis TG Tierra general

B

100O w

TG

TG

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MODBUS

Modbus (Modicon) Protocolo de enlace tipo Master-Slave (nivel OSI-2) y Protocolo de aplicacin Cliente -Servidor (OSI-7). Se puede implementar en diferentes tipos de conexin fsica.

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1.4

MODBUS

El protocolo de lnea serie MODBUS es un protocolo Maestro-Esclavo. En este protocolo estn conectado al mismo bus serie con funciones principales: Exclusivamente un Maestro (en el mismo instante de tiempo). Uno o varios nodos esclavos (hasta un mximo de 247). La comunicacin la inicia siempre el Maestro. Los nodos esclavos nunca transmiten sin haber recibido una peticin del nodo Maestro. Los nodos esclavos nunca se comunican entre ellos. El nodo Maestro inicia nicamente una transaccin MODBUS en el mismo instante de tiempo.

Existen dos modos de peticin a los nodos esclavos UNICAST (punto a punto) y BROADCAST (difundido): UNICAST: El nodo maestro enva una peticin a UN nodo esclavo. Despus de recibir la peticin el nodo esclavo devuelve un reply al nodo maestro. En este modo, una transaccin MODBUS consiste de 2 tipos de mensajes: 1 -> peticin del nodo maestro y 2-> un reply del nodo esclavo. Cada nodo esclavo debe tener una direccin nica (entre la 1 a la 247) tal que puede ser direccionada de forma independiente de otros nodos. BROADCAST: El nodo maestro enva una peticin a TODOS los nodos esclavos. No existe respuesta a esta peticin. Este modo se emplea para escribir comandos en los nodos esclavos, todos los nodos deben aceptar la funcin de escritura en este modo. LA direccin 0 est reservada para identificar una peticin tipo broadcast.

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MODBUS

Medio FsicoEl medio fsico de conexin puede ser un bus semidplex (half duplex ) (RS-485 o Fibra ptica) o dplex (full duplex ) (RS-422, BC 0-20mA o fibra ptica). La comunicacin es asncrona y las velocidades de transmisin previstas van desde los 75 baudios a 19.200 baudios. La mxima distancia entre estaciones depende del nivel fsico, pudiendo alcanzar hasta 1200 m sin repetidores.

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1.5

MODBUS

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MODBUS Formato de la trama de datos.La codificacin de datos dentro de la trama puede hacerse en dos modos: ASCII o binario RTU (Remote Transmission Unit). En ambos casos, cada mensaje obedece a una trama que contiene cuatro campos principales. La nica diferencia es que la trama ASCII incluye un carcter de cabecera (3A) y los caracteres CR + LF (carry return line feed) al final del mensaje. El CRC tambin cambia en la fo rma de calculo. Mientras que el formato RTU emplea una frmula polinmica, el formato ASCII es la simple suma en mdulo 16.

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1.6

MODBUS

Campo de direccin (address field) Nmero de esclavo (1 byte): Permite direccionar un mximo de 63 esclavos con direcciones que van del 01H hasta 3FH. El nmero 00H se reserva para los mensajes difundidos. Campo de datos/subfunciones (n bytes): Este campo suele contener, en primer lugar, los parmetros neces arios para ejecutar la funcin indicada por el byte anterior. Estos parmetros podrn ser cdigos de subfunciones en el caso de rdenes de control (funcin 00H) o direcciones del primer bit o byte, nmero de bits o palabras a leer o escribir, valor del bit o palabra en caso de escritura, etc.

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MODBUS Campo de funcin. Funciones bsicas y cdigos de operacin (Function code)Funcin 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Cdigo 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 10H Tarea Control de estaciones esclavas Lectura de n bits de salida o internos Lectura de n bits de entradas Lectura de n palabras de salidas o internos Lectura de n palabras de entradas Escritura de un bit Escritura de una palabra Lectura rpida de 8 bits Control de contadores de diagn sticos nmero 1 a 8 No utilizado No utilizado Control del contador de diagnsticos nmero 9 No utilizado No utilizado No utilizado Escritura de n bits Escritura de n palabras

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MODBUS

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MODBUS Modo de transmisin RTU (Remote Terminal Unit)En modo de comunicacin lnea serie RTU (Remote Terminal Unit) cada byte contiene 2 caracteres hexadecimales . Esto permite un mejor manejo de caracteres en modo ASCII. Cada mensaje debe ser transmitido en un tren de caracteres. Este formato RTU est codificado del siguiente modo: Coding System : 8bit binary Bits per Byte: 1 start bit, 8 data bits, least significant bit sent first 1 bit for parity completion 1 stop bit Se utiliza normalmente paridad par (even), otros modos ( odd parity, no parity ) tambin se pueden emplear. Nota: si no se usa paridad, entonces se requieren 2 bits de stop.

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1.8

MODBUS Descripcin y temporizacin de la trama

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MODBUS Conexin MODBUS 2 hilos.

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1.9

MODBUS Conexin MODBUS 4 hilos.

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MODBUS Conexin MODBUS 485.

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1.11

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Comunicaciones y redes

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1.12

Fundamentos: Modelo de referencia bsico Proceso de comunicacin : Intercambio de datos Compartir recursos Telecontrol

En la industria: Coordinacin y automatizacin de procesos Monitorizacin y control Uso de redes y buses industriales

Emisor/receptor

Emisor/receptor

Aplicacin Protocolo Transporte Red Enlace Fsico Canal de com. Red Enlace Fsico Red Enlace Fsico

Aplicacin Transporte Red Enlace Fsico Canal de com. Protocolo

Medio Fsico = aire

Medio Fsico = Cableado

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Fundamentos: Modelo de referenciaCapa de aplicacin Capa de transporte Capa de redq q q q q q q q

Capa de enlace

q q q q

Capa Fsica

q q q

servicios aplicaciones control de flujo de datos calidad de servicio direccionamiento y rutado de dispositivos localizacin y traspaso autenticacin acceso al medio Control de acceso al medio multiplexacin encriptacin modulacin control de interferencia atenuacin frecuencia

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1.13

Fundamentos: Que es una red de comunicaciones ?Comunicacin punto a punto es usualmente imprctica Por lejana de dispositivos o el nmero de ellos y de conexiones La solucin es una red de comunicaciones

Tipos de Redes (por extensin): LAN (Local Area Network) Privada y reducida (en extensin) Velocidades: 10- 100 Mbps WAN (Wide Area Network) Pblica y expandida (RTB, ISDN, GSM, UMTS) Pago de derechos de uso

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Fundamentos: El uso de protocolo (1)

PROTOCOLO Usado para la comunicacin y entendimiento entre diferentes entidades en un sistema. Ejemplo: El uso de un mismo lenguaje . Entidades Aplicaciones de un usuario Uso de e-mail Sistemas Ordenador Terminal Dispositivos de control (p.e . sensores)

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1.14

Fundamentos: El uso de protocolo (2)

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Fundamentos: Protocolos y modelosMODELO OSI Open

Systems Interconnection Organization for Standardization (ISO) International Siete

capas terico de poco uso TCP/IP es de facto el estandard Modelo

Capas OSI Aplicacin Presentacin Sesin Transporte Red Enlace Fsico

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1.15

Comunicaciones y redes

Redes de rea local (LAN) Tecnologa

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Aplicaciones LAN Redes Personales (BAN, PAN, LAN)q q

Bajo costo Bit-rate limitado Interconexin de grandes sistemas (mainframes)Alto bit-rate Interfaces de alta velocidad Acceso distribuido Distancia limitada Nmero limitado de dispositovos

Redes terminales y de almacenamientoq

Redes de alta velocidadq q

Procesamiento de imagenes Alta capacidad de almacenamiento Interconectividad entre redes locales de baja velocidad Capacidad Costo

Redes de interconexinq q q

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1.16

Arquitecturas de LAN Protocol Topologas Control de acceso al medio - MAC Control de enlace lgico - LLC Capas inferiores del modelo OSI Modelo de referencia del IEEE 802:q q q

Physical Logical link control (LLC) Media access control (MAC)

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IEEE 802 versus OSI

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1.17

Capas IEEE 802 Fsicoq q q q

Codificacin/decodificacin Generacin/anlisis de cabecera Trasnmisin/recepcin de bit Medio de transmisin y topologa Interfaz a los niveles superiores Control de error y flujo Ensamblado y empaquetado de datos dentro de la trama con campo de direcciones y control de errores Desensamblado de la tramaReconocimiento de direcciones Deteccin de errores

Control de la capa de enlace (LLC)q q

Control de acceso al medio (MAC)q q

q

Control de acceso al medio de transmisin

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Protocolos en el contexto LAN

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1.18

Topologas Arbol Busq

Casos especiales de topologa en rbolCamino nico, sin saltos

Anillo Estrella

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Topologas LAN

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1.19

Bus y rbol

Multipunto La transmisin se propaga a travs del medio Todas l a s terminaleses escuchanq

Es necesario identificar cada una de las terminalesCada terminal se identifica por una nica direccin

Conexin full-duplexq

Se permite transmisin y recepcin simultnea Para evitar colisionesSe usan bloques de datos denominados tramas

Se necesita regular la transmisinq

Existe un terminador de lnea que absorve las tramas al final de la

lnea

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Transmision de trama - Bus LAN

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1.20

Topologa en anillo Repeticin punto a punto en un lazo cerradoq q q

Se reciben datos por un enlace y se transmiten por el otro Enlaces unidireccionales Los terminales funcionan como repetidores Circulacin sobre todas las terminales El terminal destino reconoce la trama y la copia Las tramas circulan de vuelta al terminal fuente en donde se elimina

Tramas de datosq q q

El control de acceso al medio determina cuando es posible insertar

una trama

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Transmisin en anillo

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1.21

Topologa en estrella Cada terminal se conecta al nodo centralq

Normalmente a travs de dos enlaces punto a punto Esto es : red en estrella y funcin lgica tipo bus Exclusivamente un nodo puede trasnmitir a la vez

El nodo central puede difundirq q

El nodo central puede actuar como un switch de tramas

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Media Access Control (MAC) y Control de Enlace (LLC) MAC dnde?q

CentralControl general Acceso sencillo al terminal Evita problemas de coordinacin Punto nico de fallo Potential bottleneck

q

Distribuido SncronoEspecifica la capacidad dedicada a la conexin

LLC Transmisin de PDUs entre dos terminales Debe soportar accesos mltiples en medio compartido Se define parte de esta capa en la capa MAC Se especifica las direcciones de destino y fuenteq q

cmo?q

Service access points (SAP) Es un protocolo de alto nivel

q

AsncronoEn respuesta a la demanda

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1.22

Formatos MAC y LLCMAC La capa MAC recibe los datos

LLC Balanceo asncrono que

de la capa LLC Hace control Direccin de destino MAC Direccin fuente MAC LLS CRC La capa MAC detecta errores y

soporta el modo LLC Lleva informacin no numerada en las PDUs para el reconocimiento de servicico sin conexin Multiplexa LSAPs

descarta frames

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Formato de trama

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1.23

Algunas caractersticas de la lnea fsica Sealq q q q q

Debe ser suficientemente aceptable para el receptor Deber tener un razonable SNR (signal to noise ratio) No deber execesivamente fuerte tal que sobrecarge el transmisor Dividir la red en pequeos segmentos para facilitar la conexin de la seal Usar segmentos con amplificadores o repetidores Par trenzado Cable coaxial en banda base Cable coaxial de banda ancha Fibra ptica Reemplazo con UTP y fibra

Medios fsicosq q q q q

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Aplicaciones del coaxialBaseband Coaxial Cable Emplea informacin digital Codificacin Manchester o Manchester Diferencial Usa el espectro total del cable Usualmente un solo canal por cable Bi-direccional Rango de algunos kilometros Usado por Ethernet (802.3) a 10Mbps 50 ohm 10Base5 Ethernet - 802.3 con 0.4 inch de dimetro y 10Mbps Longitud mxima de 500m Distancia entre taps de multiplos def 2.5mq q

Asegura que las reflexiones entre taps no aaden desfasamiento Maximo 100 taps

10Base2 Cheapernet 0.25 inch cableq q q q

Flexible y fcil de conectar al terminal Barato y de baja resistencia Atenuacin ms grande Hasta 30 taps y distancias cortas (185 mts)

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1.24

Configuracin en banda baseREPETIDOR

Se transmite en ambas direcciones Une dos segmentos de cable No hay buffering No aisla dos segmentos lgicos Dos terminales sobre dos segmentos diferentes transmiten al mismo tiempo, los datos pueden colisionar Existe exclusivamente un camino entre segmentos y repetidores entre dos terminales conectados

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AnilloCada repetidor Hay

conecta a dos enlaces de forma unidireccional un camino cerrado y nico Se transfiere el datoa bit a bit de un repetidor a otro El repetidor regenera y retransmite cada bit El repetidor tiene las tareas de insertar , recibir y eliminar datos El repetidor actua como un elemento de entrada al nodo Los datos son eliminados por el transmisor despues de dar una vuelta al anillo

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1.25

Jitter Desfasamiento includo en la sealq q

Por ejemplo en codificacin Manchester y Manchester diferencial El reloj se suele recuperar en los repetidoresPara saber cuando muestrear la seal y recuperar los bits Se usa sincronizacin para retransmitir

q

La desviacin permitida suele ser medio bitDesviacin debido al ruido O tambin a imperfecciones en los circuitos

Por tanto la retransmisin suele ser sin distrosin pero puede llevar

errores de tiempo Existen efectos acumulativos que se pueden reflejar como variaciones

en la longitud de bit Existe un nmero limitado de repetidores en la red con configuracin en

anillo

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Soluciones al Jitter

Usar un sistema de enclavamiento en fase (phase locked loop) o PLLq

Minimiza la desviacin entre bits Mantener un nmero de bits Expander y contraer para mantener un numero constante

Usar buffer en uno o varios repetidoresq q

Se incrementa el tamao del anillo

PROBLEMAS DE LA CONFIGURACIN EN ANILLO Cualquier corte del anillo abre la red Un fallo en el repetidor anula la red Un nuevo repetidor necesita identificar la topologa de sus vecinos Jitter Se necesita un mtodo para eliminar paquetes circulando en la redq

Sin respaldo en caso de errores

Todos los anteriores se resuelven con una configuracion en anillo-estrella

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Red en estrella

Generalmente usa cable UTP (telefnico)q

Costo reducidoSe pueden usar instalaciones ya hechas Ubicuidad

La conexin es a travs de un HUB central Dos enlacesq

Transmisor y receptor

El HUB repite la informacin de entrada a todas las lneas Por lo general el lmite es 100mq

Con fibra hasta 500m

Bus lgico sin colisiones

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Topologa en estrella de dos niveles

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1.27

Hubs y Switches HUB de medio compartidoq q q q

Existe un HUB central Retransmite la entrada a todas las salidas Solamente un terminal puede transmitir a la vez A 10Mbps, la capacidad de la red es de 10Mbps El HUB acta como switch La entrada conmuta switch a la salida correcta Los enlaces no usados pueden ser empleados para conmutar otro tipo de trfico Con dos lneas, la capacidad es de 20Mbps

HUB-Switchedq q q q

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Hubs y Switches

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1.28

Wireless LANs

Mobilidad Flexibildad Areas de difcil acceso Sistemas inalmbrico de coste reducido Sistemas de alto bit rate

Aplicaciones Wireless LAN

Extensin de redes existentes Interconeccin entre diferentes medios Acceso nmada (terminales mviles) Redes ad-hoc Areas abiertas, por ejemploq q

Planta, fbricas , etc. Tiendas

Edificios histricos PYMES y oficinas pequeas Se puede usar en convivencia con sistemas de cable

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Topologas simples de wireless LAN

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1.29

Topologas mltiples de wireless LAN

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Configuraciones Wireless LAN

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1.30

Wireless LANCARACTERISTICAS Throughput (bit-rate) Nmero de nodos Conexin al nodo central Cobertura Consumo Robustez y seguridad Sin licencia (2,4 GHz) Roaming Configuracin dinmica TECNOLOGA Infrared (IR) LANs Spread spectrum LANs Narrow band microwave

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Bridges Permite expandir una LAN Proporciona interconexin con otras LANs/WANs Bridge:q q q q

Arquitectura sencilla Conecta LANs similares Protocols idnticos para la capa fsica y de enlace Procedimientos mnimosLee todas las trama de una LAN y acepta aquellas cuyas direcciones se corresponden con alguna terminal de la otra LAN Hace uso del protocol MAC para la retransmisisn

Router:q q

Arquitectectura de propsito general Interconexin de varias LANs y WANs

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1.31

Arquitectura Bridge

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Aspectos de diseo del Bridge

No hay modificacion de contenido o del formato de trama No hay encapsulado Copia exacta bit a bit de la trama Pequeo buffer para cumplir la demanda Tiene inteligencia (para rutado y direccionamiento)q q

Debe conocer que tramas pasan Puede haber ms de un bridge entre medias

Puede conectar ms de dos LANs Este puente es transparente a los terminales Estndar IEEE 802.1D Capa MACq

Direccin de la estacin en esta capa

Bridge no necesita de la capa LLC

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1.32

Conexin de LANs

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Multiples LANs

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1.33

Sistemas de redes de rea local

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Ethernet (CSMA/CD) Carriers Sense Multiple Access - Collision Detection Xerox - Ethernet IEEE 802.3

IEEE802.3 Control de Acceso al Medio Por Acceso Aleatorioq

Terminales con acceso random Terminales acceden por tiempo sobre el medio

Por Contensinq

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1.34

CSMA Lo primero es escuchar el medio. Si el medio esta libre, entonces transmito. Si hay dos terminales que transmiten al mismo tiempo, existir

colisin. Espero un tiempo razonable (para retransmitir) Todos los terminales saben que se ha iniciado una transmisin Y si la lnea est ocupada ? Se escucha la lnea hasta que est libre, entonces transmite Si est libre, entonces transmite Si dos terminales esperan, existe posible colisin CSMA/CD Si se detecta colisin, cuando termine el atasco transmite Antes, espera un tiempo random

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CSMA/CD

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1.35

Deteccin de colisin En banda base, la colisin produce un nivel de tensin ms alto que

la seal La colisin se detecta si la seal de la lnea es mayor que lo normal La seal se atenua con la distancia Sueles estar el lmite en 500m (10Base5) y 200m (10Base2) En TP (topologa estrella) se detecta la actividad en uno o ms

puertos -> entonces puede haber colisin

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IEEE 802.3 Frame Format

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1.36

Especification 10Mbps (Ethernet)

10Base5 Medio Seal

10Base2 Coaxial Baseband Manchester Bus 30

10Base-T UTP Baseband Manchester Estrella -

10Base-FP 850nm fiber Manchester On/Off Estrella 33

Coaxial Baseband Manchester Topologa Bus Nodos 100

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100Mbps (Fast Ethernet)

100Base-TX 2 pres, STP MLT-3 2 pares, Cat 5UTP MLT-3

100Base-FX 2 fibre 4B5B,NRZI

100Base-T4 4 pares, cat 3,4,5 8B6T,NRZ

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Configuracin Gigabit Ethernet

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Gigabit Ethernet Capa fsica 1000Base -SXq

Fibra multimodo-Short wavelength Fibra multimod o simple-Long wavelength STP-Copper jumpers