MAP 83 : Réseaux et protocoles

de communication industrielle

Pr. M.Mostefai

Université Ferhat Abbas – Sétif1

2019-2020

Chapitre 1.Rappels sur les modèles de réseaux OSI et TCP/IP

Réseaux : Présentation

Des réseaux pour quoi faire ?

Pour communiquer

Partage d’informations :

➢ des fichiers de données (dossiers partagés)

➢ des bases de données

Partage de ressources :

➢ Imprimantes

➢ Scanner

Partage de programmes :

➢ distribution de programmes via réseau

Réseaux : Présentation

Architecture d’un réseau d’entreprise

Réseaux : Présentation

Architecture d’un réseau domestique

Réseaux : Présentation

Les Réseaux et leur dimension

Les réseaux peuvent avoir différentes tailles :

Les LAN :

➢ Local Area Network ou Réseau Locaux

➢ Typiquement le réseau local d’entreprise

➢ dans un même bâtiment ou même locaux

Les MAN :

➢ Metropolitan Area Network ou Réseaux Métropolitains

➢ Typiquement le réseau d’agences

➢ dans une même ville

Les WAN :

➢ Wide Area Network ou Réseaux Etendus

➢ Typiquement les réseaux nationaux

ou continentaux

Caractéristiques

Modèle OSI

◼ Créé par l’ISO

◼ Modèle de référence en 7 couches

◼ Permet aux réseaux des différents constructeurs de

s’interconnecter

◼ Modèle conceptuel indépendant, générique

◼ ISO : International Standard Organization

◼ Modèle OSI : Open System Interconnection

Architecture à 7 couches

Le modèle OSI de l ’ISO

Support physique de transmission

Réseaux : Le Modèle OSI

Le modèle OSI et les protocoles de réseau

La couche Application : gère les échanges entre les programmes et

les Utilisateurs (service de SGDB, d’impression, navigation

Internet…) 7 Application

6 Présentation

5 Session

4 Transport

3 Réseau

2 Liaison de données

1 Physique

data

La couche Présentation : met en forme les informations de telle

sorte qu’elles soient exploitable par les applications

logicielles.(Encapsulation, cryptage, compression)

La couche Session : gère la communication entre les ordinateurs

(identification, test de connexion)

La couche Transport : Décompose l’information en paquets

numérotés (segments) et vérifie l’acheminement des informations

vers le destinataire (erreurs, réexpédition)

La couche Réseau : identifie les ordinateurs connectés et

détermine l’acheminement des données (adresses, routes).

La couche Liaison de Données : assure que les données (trames)

sont correctement véhiculés par le media physique (méthode

d’accès, correction d’erreurs de transmission)

La couche Physique : gère la transmission de bits (0,1) sur le média

utilisé (support physique, vitesse de transmission)

Réseaux : Le Modèle OSI

Le transfert d’informations :

Chaque couche a un rôle unique et indépendant dans le

transfert d’une information :

Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison de données

Physique

Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison de données

Physique

data

data

data

data

data

data

data

data

Poste A Poste B

Réseaux : Le Modèle OSI

Le modèle OSI et les protocoles de réseau

Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison de données

Physique

Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison de données

Physique

data

data

data

data

data

data

data

data

data

Poste A Poste B

Chaque couche a un rôle unique et indépendant dans le

transfert d’une information :

Les PDUs

Modèle OSI

4

3

2

1

Transport

Réseau

Liaison de

données

Physique Bit

Trame

Paquet

Segment

5 Session

6 Présentation

7 Application

Donnée

Les PDUs

Modèle OSI

Transport

Réseau

Liaison de

données

Physique

Session

Présentation

Application

Transport

Réseau

Liaison de

données

Physique

Session

Présentation

Application

Encapsulation

Désencapsulation

Segment

Paquet

Trame

0110011101001001001001100101

Données

Données

Données

Données

Segment

Paquet

En-tête

En-tête

En queueEn-tête

Les PDUs

Modèle OSI

◼ Une division de la communication réseau en éléments

plus petits et plus simples

◼ L’uniformisation des éléments

◼ La possibilité de modifier un aspect de la communication

réseau sans modifier le reste

Modèle OSI à Couches : Les Réseaux Industriels

Modèle OSI à Couches

Les principaux supports utilisés

Quelques standards paires torsadées : RS232, RS422, RS485

Les différentes topologies

COUCHE 1 : PHYSIQUE

◼ Médiums les plus utilisés :

vitesse

distance

immunité électromagnétique

◼ Le choix du support de transmission ou MEDIUMS influent sur :

paire(s) de fils torsadées

blindées

câble coaxial

fibre optique :

Coût

Faible

Elevé

- les principaux supports utilisésCouche 1

physique

◼ RS232 :

Liaison point à point par connecteur SUB-D 25 ou SUB-D 9

Distance < 15 mètres, débit < 20 kbits/sec.

◼ RS422 :

Bus multipoints full duplex (bi directionnel simultané) sur 4 fils.

Bonne immunité aux parasites, distance maxi 1000 mètres à 100 kbits/sec.

2 fils en émission, 2 fils en réception

◼ RS485 :

Bus multipoints half duplex (bi directionnel alterné) sur 2 fils.

Mêmes caractéristiques électriques que RS422A mais sur 2 fils.

- quelques standards paires torsadéesCouche 1

physique

POINT A POINT

ETOILE

ARBRE

MAILLEE

ANNEAU

BUS

Exemple : Liaison

PC-Prise console automate

Exemple : Connexions

PCs Ethernet sur HUB

Exemple : CANopen,

DeviceNet, Profibus-DP,

FIPIO, Modbus RS485

Dérivation Chaînage

Résistances fin de ligne

Exemple : Utilisé

par Interbus

Exemple :

Réseau Internet par

l’intermédiaire de

routeurs

Exemple :

Réseau Intranet par

l’intermédiaire de

hubs et switchs

- les différentes topologiesCouche 1

physique

> Codage NRZ (Non Return to Zéro) unipolaire / bipolaire

> Codage RZ (Return to Zéro) unipolaire / bipolaire

> Codage de phase (Manchester type biphasé)

0 1 0 0 1 1 1 0 0

le Codage de l’InformationCouche 1

physique

Le code NRZ :

Signifie Non Return to Zero (non retour à zéro)

Les niveaux '0' sont codés par une tension -V,

Les niveaux '1' sont codés par une tension +V

Le code bipolaire :

Les niveaux '0' sont codés par une tension Nulle (0V),

Les niveaux '1' sont codés alternativement par un niveau +V et -V

Le code Manchester ou Biphasé : Le niveau logique '0' provoque le passage de

+V à -V au milieu du moment élémentaire, Le niveau logique '1' provoque le

passage de -V à +V au milieu du moment élémentaire.

Le code Manchester différentiel :

Le niveau logique '0' du moment élémentaire t recopie le signal du moment

élémentaire t-1.

Le niveau logique '1' du moment élémentaire t inverse le le signal du

moment élémentaire t-1.

Le code DELAY MODE(Miller) : Le niveau logique à coder pendant un moment

élémentaire dépend de l'état précédent.

Le niveau logique '1' provoque un changement de polarité sur le signal au milieu

du moment élémentaire, Le niveau logique '0' provoque un changement de

polarité sur le signal au début du moment élémentaire si le niveau logique

précédent était un '0' ou laisse le signal constant si le niveau logique précédent

était un '1'.

Les principaux mécanisme d’accès au médium

Maître - Esclave

Anneau à jeton ou Token-Ring

Accès aléatoire

Contrôle de la qualité de transmission

Contrôle de parité au niveau caractère

Contrôle de validité de message par mot de contrôle

Contrôle format de message par délimiteurs

La gestion de flux

COUCHE 2 : LIAISON

A tour de rôle

Quand le maître me

donne la parole

Dès que personne

ne parle

Quand puis je parler ?

Maître-Esclave

Anneau à jeton = Token Ring

Accès aléatoire

Collision destructive : CSMA-CD

Collision non destructive : CSMA-CA

- l’accès au médiumCouche 2

liaison

◼ Le maître accorde l’accès au médium

◼ L’esclave accède au médium après sollicitation du maître

Maître Esclave

Polling

Quelque chose à dire ?

Réponse

Rien à déclarer !

Utilisé par Asi, FIPIO, Modbus, Profibus-DP et Uni-Telway

Possible sur CANopen et DeviceNet (par configuration)

- le système Maître - EsclaveCouche 2

liaison

◼ Anneau : les membres d’un anneau ont l’autorisation d’émettre lors de la réception du jeton.

◼ Jeton : groupe de bits passé de nœud en nœud dans l’ordre croissant des adresses.

Adresse 1

Adresse 2

Adresse 3

Adresse 4

- anneau à jeton = Token-RingCouche 2

liaison

Utilisé par Modbus Plus

◼ Emission possible dès qu ’un silence est détecté.

2 types de collision :

destructives

non destructives

◼ Chaque équipement « écoute » en même temps qu’il émet.

◼ Si ce qui est reçu est différent de ce qui est émis, il y a collision

- accès aléatoireCouche 2

liaison

Fonctionnement pas à pas en cas de collision :

◼ arrêt de l’émission des messages en cours

◼ émission d’une trame de brouillage : la trame est perdue

◼ attente temps aléatoire

◼ tentative de réémission

- accès aléatoire avec collisions destructivesCouche 2

liaison

Sto

p

CSMA-CD = Carrier Sense Multiple Access - Collision Detection

Principe utilisé par Ethernet sous l’appellation CSMA-CD

Le message reste valide grâce à un système de bits dominants et récessifs

• arrêt de l’émission de l’équipement le moins prioritaire (bit recessif)

• fin de transmission de l’équipement le plus prioritaire

• l’équipement le moins prioritaire tente de réemettre son message dès que le

médium est libre

CSMA-CA = Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance

Principe utilisé par CANopen et DeviceNet sous l’appellation CSMA-CA

StopDominant Récessif

- accès aléatoire avec collisions non destructivesCouche 2

liaison

Interface Advantys FTB

Lucie

Fabien

Adresse 77

x10 x1

A qui je m’adresse ?

- l’adressageCouche 2

liaison

Un groupe

Adresse ChecksumDataFonctionSOF EOF

Adresse = 77

Utilisation de valeurs d ’adresses réservées : 0, 255.

Non configurables sur les produits

Si message destiné à l ’ensemble des produits : Diffusion générale ou

Broadcasting

Exemple avec trame Modbus

- exemple d’adressageCouche 2

liaison

Bien compris !

Je n’ai pas

entendu la fin

de la phrase

Tu m’as bien entendu ?

➢Contrôle de parité niveau caractère

➢Vérification validité du message par mot de contrôle

➢Contrôle format message par délimiteurs

- contrôle de la qualité de transmissionCouche 2

liaison

Adresse Mot de contrôleDataFonctionSOF EOF

Exemple avec trame Modbus

1 0 1 0 0 1 1 0 1 Parité 1

Adresse = 77 comprend 4 bits à 1

Nombre pair de bits à 1Nombre impair de bits à 1

➢ contrôle de parité au niveau caractèreCouche 2

liaison

Bit 0Start Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Parité Start

Adresse

0Parité paire 1Parité impaire

Exemples :

CRC = Cyclic Redundancy Check

LRC = Longitudinal Redundancy Check

Adresse Mot de contrôleDataFonctionSOF EOF

Exemple avec trame Modbus

Champ contenant une valeur calculée à partir d’un bloc de

bits et permettant de réaliser un test de validité sur

l’ensemble d’un message.

➢ contrôle de validité du message par mot de contrôleCouche 2

liaison

Contrôle de parité

• Une technique de base pour construire un code détecteur

1. Découper le message en mots de 7 bits m=[x0,…, x6]

2. Ajouter aux mots leur parité : f(m)=[x0,…, x6, p]

• Le nombre de 1 dans le mot est soit pair (p = 0) soit impair (p = 1)

• Calculée par : x7 = p = i=0..6 xi mod 2

• Standard n°5 du Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique

(CCITT 5) : le plus populaire, utilisé par exemple aux USA.

Lettre Codage de base sur 7 bits

Mot de code avec bit de parité

a 1000 001 1000 0010

e 1010 001 1010 0011

u 0110 101 0110 1010

☺ Permet de détecter tout nombre impair d’erreurs

• Suppose we want to transmit the

information string: 1111101.

• The receiver and sender decide to

use the (arbitrary) polynomial

pattern, 1101.

• The information string is shifted

left by one position less than the

number of positions in the divisor.

• The remainder is found through

modulo 2 division (at right) and

added to the information string:

1111101000 + 111 = 1111101111.

2.8 Error Detection and Correction

• If no bits are lost or corrupted,

dividing the received

information string by the

agreed upon pattern will give a

remainder of zero.

• We see this is so in the

calculation at the right.

• Real applications use longer

polynomials to cover larger

information strings.

– Some of the standard poly-

nomials are listed in the text.

2.8 Error Detection and Correction

CRC= Cyclic Redundancy Check

Exemple avec trame Modbus

Contrôles supplémentaires

de la qualité de la transmission

➢ contrôle format de message par délimiteursCouche 2

liaison

Adresse ChecksumDataFonctionSOF EOF

Informations standardisées insérées dans chaque message

pour délimiter différents champs : début, fin, etc…

Attends

laisse moi finir !!!

NACK = Non acquitté

XON-XOFF

Inhibit Time

- gestion de fluxCouche 2

liaison

Répéteur = Repeater

Concentrateur = hub

Convertisseur = transceiver

Switch

Pont = Bridge

Routeur = Router

Passerelle = Gateway

Longueur - Nombre équipements

Adaptation support physique

Longueur - Nombre équipements - Collisions

Adaptation couches basses

Connexion entre réseaux de même type

Connexion entre réseaux de type différents

Les produits d’interconnexion

Couche 1

physique

Couche 2

liaison

Couche 3

réseau

Couche 7

application

Répéteur = Repeater

Augmentation longueur et nombre d’équipements

raccordables par ajout d’un nouveau segment

Amplificateur de signal

1 1

Segment 2Segment 1

Exemple :

Répéteur ASi

Rérérence : XZMA1

Connexion sur câble plat par prise vampire

- répéteur = repeaterCouche 1

physique

Concentrateur = Hub

1 1 1 1

Augmentation longueur et nombre d’équipements par ajout

de plusieurs segments. 1 équipement par segment.

Topologie en étoile.

Il amplifie un signal reçu sur un port vers tous les autres ports

Exemple :

Hub Ethernet 10 Mbits/s - 4 ports RJ45

Rérérence : 499NEH10410

4 x 10baseT

- concentrateur = HubCouche 1

physique

Convertisseur = Transceiver

Adaptation de supports physiques de nature

différente.

Convertisseur de signaux.

1 1

Segment 2Segment 1

Exemple :

Transceiver Ethernet 100 Mbits/s paires torsadées - fibre optique

Rérérence : 499NTR10100

Conversion 100baseTX (RJ45) - 100baseFX (SC)

- convertisseur = transceiverCouche 1

physique

Switch

1

Augmentation longueur et nombre d’équipements par ajout

de plusieurs segments.

Topologie en étoile.

Sur réception d ’un message, analyse l’adresse du destinataire

et transmet sur le port correspondant.

2

1

2

1

2

1

2

Exemple :

Swith Ethernet 10/100 Mbits/s 8 ports

Rérérence : 499NES18100

8 x 10baseT / 100baseTX (RJ45)

- switchCouche 2

liaison

Pont = Bridge

Permet de relier 2 réseaux utilisant la même couche

application mais des couches basses différentes1 1

Réseau 2Réseau 1

2 2

Exemple :

Bridge Ethernet TCP-IP Modbus / Modbus liaison série

Rérérence : 174CEV30010

Interface Ethernet : 1 x 10baseT = RJ45

Interface Modbus : RS232 ou RS485 sur RJ45 ou bornes à vis

- pont = bridgeCouche 2

liaison

Routeur = Router

Permet de router des informations entre réseaux

utilisant la même couche application

Principalement utilisé par Internet par l’intermédiaire

d’adresses IP

2 2

Réseau 2Réseau 1

3 3

1 1

Exemple :

Routeur Ethernet d’Allied Data

- routeur = routerCouche 3

réseau

Passerelle = Gateway

Permet de relier 2 réseaux de nature complètement

différente

2 2

Réseau 2Réseau 1

7 7

1 1Nécessite une configuration logicielle

Exemple :

Passerelle Profibus-DP - Modbus liaison série

Rérérence : LUFP7

Interface Profibus-DP (esclave) : Sub-D 9 points

Interface Modbus (maître) : RS485 sur RJ45

- passerelle = GatewayCouche 7

application

Modèle TCP/IP

Modèle OSI et TCP/IP

Les couches

Modèle TCP/IP

4

3

2

1

Application

Transport

Internet

Accès Réseau Couches 1 & 2 du modèle OSI

Sélection du chemin

Qualité de la transmission

Couches 5 à 7 du modèle OSI

◼ Modèle en 4 couches

Les couches

Modèle TCP/IP

4

3

2

1

Transport

Réseau

Liaison de

données

Physique

5 Session

6 Présentation

7 Application

Modèle OSI

Transport

Internet

Accès Réseau

Application

3

2

1

4

Modèle TCP/IP

Classification des réseaux locaux

Positionnement des principaux réseaux du marché

Comparatif caractéristiques principales

Les réseaux du marché

TEMPSDE

REPONSENECESSAIRE

1 ms

1 s

1

minute

1 bit

VOLUMED'INFORMATIONSA TRANSMETTRE

1 kbits

1 Mbits Système d’information

PC - Serveurs

Niveau 3Entreprise

Data bus

Niveau 2Atelier

Field bus

Gestion de productionSupervision

Automates - IHM

Niveau 1Machine

Device bus

Le contrôle commande

Variateurs de vitesse

Ilots d ’automatismes

Détection réaction

Capteurs actionneurs digitaux

Niveau 0Constituants

Sensor busN x bits en N x ms

N x mots en N x 10ms

Fichiers en N x secondes

N x 10 mots en N x 100ms

- classification des réseaux locaux

Sensor bus

Device bus

Field bus

Data bus

AS

i

Seri

ple

x

Pro

fib

us-F

MS

FIP

WA

Y

Mo

db

us

Plu

s

Eth

ern

et

CA

No

pen

Devic

eN

et

Inte

rbu

s

Pro

fib

us

-DP

FIP

IO

Mo

db

us

LS

- positionnement des principaux réseaux

ASi CANopen DeviceNetEthernet

TCP/IP ModbusProfibus-DP FIPIO Interbus Modbus

Médium

Câble plat jaune

Câble rond non

blindé

Câble rond

blindé

Paire torsadée

blindée

Double paires

torsadées

blindées

Cable coaxial:

10 base 2 - 10 base 5

Paire torsadée blindée:

10 base T - 10 base TX

Fibre optique

10 base F - 10 base FX

Paire torsadée

blindée

Fibre optique

Paire torsadée

blindée

Fibre optique

Double paires

torsadées

blindées

Paire torsadée

blindée

Longueur maxi

sans répéteur100 m

Suivant débit :

25 m à 1 Mbits/s

1 km à 10

Kbits/s

Suivant débit :

100m à 500 Kbits/s

500m à 125 Kbits/s

Paire torsadée 100m

Fibre optique 2000m

Suivant débit :

100m à 12 Mbits/s

1,2km à 10 Kbits/s

1000 m en paire

torsadée

3000 m en fibre

optique

400 m 1000 m

Longueur maxi

avec répéteurs300 m

Fonction du type

de répéteur

Fonction du type

de répéteur10km fibre optique

400 à 4800 m

suivant débit15 km 12,8 km

Fonction du type

de répéteur

Débit 166 Kbits/s

9 débits possibles

de 10 Kbits/s à 1

Mbits/s

125, 250 ou 500

Kbits/s10/100Mbits/s

9,6 Kbits/s à 1

Mbits/s1 Mbits/s 500 Kbits/s

jusqu'à 19200

bits/s

Nombre maxi

d'équipements

ASi V1 : 1 maître

+ 31 escl.

ASi V2 : 1 maître

+ 62 escl.

128

1 maître et 127

esclaves

64

1 maître et 63

esclaves

64

Limitation

I/O scanning et

Modbus

Mono ou

Multi-maîtres

126

équipements

maxi

1 gestionnaire+

126 équipements512

32

1 maître et 31

esclaves

122

127

équipements

avec le maître

- comparatif caractéristiques couche physique

ASi CANopen DeviceNet

Ethernet

TCP/IP

Modbus

Profibus-DP FIPIO Interbus Modbus

Méthode

d'accès au

médium

Maître

EsclavesCSMA/CA CSMA/CA CSMA/CD

Multi-maître

Token ring entre

maîtres

+ maître/esclave

Gestionnaire de

bus

Maître

Esclaves

Trame unique

Maître

Esclaves

Type et taille

des données

échangées

ASi V1 :

Cycliques: 4 bits E

4 bits S

Acycliques: 4 bits P

ASi V2 :

Cycliques: 4 bits E

3 bits S

Acycliques: 3 bits P

E/S cycliques : PDO

8 octets E

8 octets S

Acycliques : SDO

Param./réglage

>8 octets par

fractionnement

des informations

E/S cycliques :

I/O messages

8 octets E

8 octets S

ou >8 si

fragmentation

Acycliques :

Explicit messages

Param./réglage

>8 octets par

fractionnement

des informations

E/S cycliques :

I/O scanning

125 mots E

125 mots S

Acycliques :

Param./réglage

par messagerie

asynchrone

507mots

E/S cycliques :

PZD

244 mots E

244 mots S

Possibilité

indexage

par PKW

E/S cycliques :

32 mots E

32 mots S

Acycliques :

Param.= 30 mots

Régla. = 30 mots

E/S cycliques :

256 mots E/S

Acycliques :

256 mots par

fragmentation

Variables

acycliques =

Messagerie

1920 bits

120 mots

- comparatif caractéristiques

couches liaison et application