Formation Bus de Terrain _Partie 1a _ Un peu de la theorie

Réseaux Industriels et Bus de Terrain

FORMATION : Réseaux Industriels et Bus de Terrain : P-1a : Un peu de théorieW.GOMOLKA : FESTO France 18/04/2023 1

Réseaux Industriels et Bus de Terrain : Sujets Divers

1 : Types de réseaux

2 : Equipements des réseaux

3. Topologies des réseaux

4. Message/Trame; Modèles de communication



1 : Types de réseaux



Réseau Local : LAN

• Un Réseau Local correspond à un réseau de communication intra-entreprise

• Ce type de réseau est généralement désigné par le sigle :- LAN : Local Area Network

• « Local » ne signifie pas que ce réseau se trouve dans un endroit limité géographiquement : bureau, bâtiment ou une usine,…,

• « Local » signifie que le réseau est la propriété exclusive d’un utilisateur pour assurer la transmission des ses données entre l’équipement de son réseau



Réseau Local (LAN) et les réseaux MAN, WAN

• Un Réseau Local peut être connecté (par une ligne propre ou par téléphone) à des réseau publics (régionaux, nationaux ou internationaux).

• En fonction de leur taille, ces réseaux sont connus sous le nom MAN ou WAN.

• MAN (Metropolitan Area Network, réseau urbain) permet l’interconnexion de plusieurs sites à l’échelle d’une ville; chacun des sites pouvant être équipé d’un réseau local.

• WAN (Wide Area Network, réseau longue distance) est, généralement, un réseau d’opérateur qui assure la transmission des données sur des distances à l’échelle d’un pays ou du globe.



LANRéseaux locaux

MANRéseau public partagé WAN

Réseau public de télécommunication

Débits (bits/s)

Distances (m)

1 k

10 k

100 k

1 M

10 M

100 M

1 G

10 m 100 m

1 km 10 km

100 km

500 km

Types de Réseaux : LAN, MAN, WAN

• Dans un Réseau Local, les liaisons entre les stations sont généralement permanentes.

• Dans un Réseau Public, les liaisons sont limitées à la durée de communication.



Les Réseaux « Ouverts »/ Réseaux « Propriétaires » (Open networks/Proprietary networks)

Le réseau/Bus de Terrain ouverts

• Le terme "Open Network« signifie que la gestion de la spécification du réseau (et des normes correspondantes) est réalisée par une organisation compétente, indépendante (théoriquement) et ouverte aux multiples participants (constructeurs, utilisateurs,…).

L'avantage des réseaux ouverts est que les produits « réseau » (matériel, software), proposés par les membres de cet organisme devraient être en mesure de s’intégrer et d'interopérer sur le réseau « supporté » (interoperabilité) .

La plupart des organisations de Bus de Terrain proposent aussi le service de certification pour valider la conformité à la spécification (afin de donner la confiance aux utilisateurs finaux) Donc, il est conseillé de toujours vérifier que les appareils utilisés sur un réseau donné, sont certifiés par l'organisme compétent.

Exemples: CiA (CANopen), ODVA (DeviceNet,EthernetIP), modbus.org (Modbus), EPSG (Ethernet Power Link), CLPA (CC-Link), PNO (ProfiBus, ProfiNet), ETG (EtherCAT), AS-International (AS-I)



Les Réseaux « Ouverts »/ Réseaux « Propriétaires » (Open networks/Proprietary networks)Réseaux Propriétaires

• Réseaux propriétaires sont généralement contrôlés et maintenus par un seul constructeur ou un petit groupe d'entreprises « partenaires ».

• Les spécifications de ces réseaux sont souvent étroitement liés aux caractéristiques requises pour des produits d’un constructeur, souvent pour proposer une solution efficace, focalisée sur un problème particulier (exigé par le(s) client(s))

• L'interopérabilité n’est pas un problème car, en général, tous les appareils sont proposés par un seul (ou un partenaire de) fournisseur

Exemple:CP-I/I-Bus (Festo), MP-Bus (Beckhoff), SmartWire (Eaton), MECATROLINK (Omron), MetaSys (Johnson Control), CTNet (Control Techniques), SafetyNet-P (Pilz)



2 : Equipements des réseaux



Unité (Statio

n) A

Unité (Statio

n) B

Unité (Statio

n) Z

Unité (Statio

n) X

Equipement de communication d’un réseau industriel

Equipement d’interconnexion et de communication




Réseau de transmission

Lignes de transmission

• Les composants principales d’un réseau sont :- Les Stations : les équipements terminaux qui souhaitent échanger des

données,- Les lignes de transmission : (câbles, connecteurs, ondes radio…)

utilisées pour connecter les stations et pour transmettre les signaux physiques;

- Différents équipements d’interconnexion et de communication utilisés pour coder et transmettre les données, ainsi que pour l’ensemble des tâches du contrôle de communications sur le réseau.



Equipements d’interconnexion pour réseaux industriels (1)

Les composants qui font partie d’équipement d’interconnexion et de communication assurent l’ensemble des tâches de connexion et communication entre deux ou plusieurs équipements terminaux.

Parmi le plus courants on retrouve les composants suivants :- les modems- les répéteurs (repeater, HUB)- les commutateurs (switches)- les multiplexeurs- les ponts (bridges)- les routeurs- les passerelles

Et aussi :- les isolateurs, convertisseurs d’interface, dispositifs de partage de

ligne, résistances de terminaison, etc..



Equipements d’interconnexion pour réseaux industriels (2) Le MODEM (MODulateur - DEModulateur) :

• C’est un composant qui transforme, compacte et adapte les données numériques transmises en signaux physiques définis par la ligne de transmission (medium, support physique) qui doit les transférer.

• Il assure ces fonctions en réalisant la modulation des signaux à l’émission et démodulation à la réception.

• Ces sont des recommandations d’un organisme IUT-T qui définissent les caractéristiques principales de la modulation et les débits maximums des modems

Réseau (Téléphonique,

Public, Privé ,…)

MODEM MODEM

Ligne de transmission


Unité (Statio

n) A

Unité (Statio

n) Z

Ligne de données

Ligne de données



Le REPETEUR (repeater, HUB)

• Un répéteur est un dispositif électronique combinant un récepteur et un émetteur, qui compense les pertes de transmission d'un média (ligne, fibre, radio) en amplifiant le signal sans modifier son contenu.

• Il peut être raccordé entre deux segments du câble ou deux réseaux identiques qui constituerons alors un seul réseau logique.

• Si besoin, le répéteur permet aussi le changement de support physique, par exemple connecter un réseau en étoileavec un réseau en bus (connecter un câble STP à un câble coaxial )

• Si un répéteur permet de connecter plusieurscâbles (multiport), on parle d’un concentrateur.

Equipements d’interconnexion pour réseaux industriels (3.1)



Les caractéristiques principales d’un REPETEUR

• Un répéteur est un équipement passif du réseau !!• En conséquence :

- Il ne réalise aucune fonction de routage, du traitement des données et d’accès au support

- le débit de retransmission est le même que de réception- la trame n’est modifiée en aucune façon lors de la traverser du

répéteur

• De la même façon, un HUB est un équipement passif, un concentrateur, qui permet (p.ex. sur les réseaux Ethernet) de connecter en étoile plusieurs stations du réseau.


Unité (Statio

n) A

Unité (Statio

n) Y

Unité (Statio

n) Z

Unité (Statio

n) B

Unité (Statio

n) C

Unité (Station) D



Equipements d’interconnexion pour réseaux industriels (4.1) Le COMMUTATEUR (switch) :

• Un commutateur réseau (en anglais, switch) est un équipement qui relie plusieurs segments (câbles ou sous-réseaux) dans un seul réseau.

• Puisque un commutateur (switch) possède plusieurs ports de communication (4 à 100), il a donc la même apparence qu'un concentrateur (HUB).

• Alors, ils sont souvent utilisés pour remplacer des concentrateurs.

• Mais, contrairement à un concentrateur (HUB), un commutateur (switch) ne se contente pas de reproduire, sur tous les ports, chaque trame qu'il reçoit.



TE TE

TETE

TE

TE TE

TETE

TE

HUB Switch

Le COMMUTATEUR (switch) :

• Contrairement à un concentrateur, un commutateur (switch) est un appareil intelligent et il sait déterminer sur quel port il doit envoyer une trame, en fonction de l'adresse à laquelle cette trame est destinée.

• Le switch analyse les trames arrivant sur ses ports d'entrée, détermine l’adresse du destinataire et les aiguille vers le port adéquat sur lequel le destinataire et connecté.

• On parle donc de commutation de trames ou de réseaux commutés.




Fonctionnement d’un commutateur (switch)

• Le commutateur établit et met à jour une table des adresses, qui lui indique sur quel port diriger les trames destinées à une adresse donnée (des trames reçues sur chaque port).

• Le commutateur construit donc dynamiquement une table qui associe des adresses avec des ports correspondants.

• Lorsqu'il reçoit une trame destinée à une adresse présente dans cette table, le commutateur renvoie la trame sur le port correspondant (forwarding).

• Si le port de destination est le même que celuide l'émetteur, la trame n'est pas transmise.

• Si l'adresse du destinataire est inconnue dans la table,alors la trame est transmises à toutes les ports du commutateur à l'exception du port de réception(flooding, broadcasting (attention au « broadcasting storm !!)).




Le ROUTEUR

• Un Routeur est un équipement d'interconnexion de réseaux permettant d'assurer le routage des paquets entre deux réseaux de même type, c.à.d. de déterminer le chemin qu'un paquet de données va emprunter.

• Pour y parvenir, les routeurs tiennent à jour des tables de routage, c.à.d. des itinéraires à suivre en fonction de l'adresse visée.

• Il existe de nombreux protocoles dédiés à cette tâche.

• En plus, les routeurs doivent assurer le passage des données d'un réseau à un autre.

• Dans la mesure où les réseaux n'ont pas les mêmes capacités (taille de paquets de données), les routeurs sont chargés de fragmenter les paquets de données pour assurer leur circulation.

Equipements d’interconnexion pour réseaux industriels (5)



Equipements d’interconnexion pour réseaux industriels (6) Le MULTPLEXEUR

• Les Multiplexeurs permettent le partage statique (allocation fixe et permanent) de la ligne de transmission entre plusieurs stations qu’ils connectent.

• C’est une économie du câblage, car deux multiplexeurs et une ligne permettent d’assurer le même travail que, par exemple, 16 liaisons modem et câbles.

• le multiplexage peut être fréquentiel (canaux à bande de fréquence étroite) ou temporel si chaque station occupe la ligne successivement pendant un lap du temps.Unité

(Station) A

Unité (Statio

n) CUnité

(Station) I

Unité (Statio

n) Z

Unité (Statio

n) XM

ult

iple

xeur

Mult

iple

xeur


Partagée (multiplexée)



Equipements d’interconnexion pour réseaux industriels (7) Le PONT (bridge)

• Le PONT est un équipement d'interconnexion permettant de connecter (de façon intelligente) deux réseaux locaux ayant la même norme mais des câbles différents.

• Par rapport à un répéteur, le PONT doit aussi assurer - des fonctions de routage - le contrôle de flux lorsque les débits des réseaux sont différents

Une PASSERELLE (gateway)

• Une PASSERELLE est un équipement d'interconnexion permettant de connecter (de façon intelligente) un réseau local à un autre réseau de structure/type/norme différentes (réseaux hétérogènes)



Lignes de transmission : medium/support physique (1)

Le support physique de communication est une ressource critique du réseau.

Le choix du support physique de communication (câbles, connecteurs, lignes de transmission) est une tâche très importante qui doit prendre en compte plusieurs critères parmi lesquels on trouve :

• la distance maximum entre les stations

• le type de transmission (numérique ou analogique)

• le débit (vitesse de transmission) minimum et maximum supporté par la ligne

• la fiabilité, l’immunité en bruits (EMI)

• la nature et le volume des informations échangées (données, voix, imagés vidéo,…)

• la connectique (le type et le « sexe » de connecteurs par exemple)

• le coûts,…



Lignes de transmission : medium/support physique (2)

Les différents supports physiques utilisés pour construire des lignes de transmission dans les réseaux industriels sont :

• les fils de cuivre en Paire Torsadée non blindées (UTP)

• les Paires Torsadées blindées (STP)

• les Câbles Coaxiaux

• les Fibres Optiques

• les faisceaux hertziens (ondes radio)



Lignes de transmission : medium/support physique (3) Les caractéristiques de différents supports utilisés dans les réseaux industriels :

• les Solution « cuivre » (UTP, STP, Coax)- Les coûts (câbles, connecteurs) raisonnables (++)- Débit maximum : 100 Mbit/s- Distance max. (sans répéteurs) : 1 km (~4 km pour Coax)- Immunité en bruits (EMI) : faible pour UTP; bonne pour STP, très bonne (Coax)

• les Fibres Optiques- Les coûts (câbles, connecteurs) assez élevés, connexion assez difficile (-)- Débit maximum : 1000 Mbit/s- Distance max.(sans répéteurs) : 10 km- Immunité en bruits (EMI) : excellente (++)

• les faisceaux hertziens (ondes radio) - Pas de câbles, donc : mobilité, flexibilité (++)- medium « ouvert » : flexibilité (+) mais les problèmes de sécurité (-)- Distances et débits limités , atténuation du signal(-)- Immunité en bruits (EMI) : aucune, risques d’interférence (--)



• Pour la conception des Réseaux Locaux, le choix du support physique et d’équipement d’interconnexion est fondamentale, surtout en milieu industriel.

• C’est ici, où il faut choisir le support-médium («filaire», «non-filaire»), le type et le «sexe» des connecteurs, faire le choix d’un câblage et d’une topologie.

• Puisque le support est un élément (ressource) critique, seulement un bon choix de tous les éléments de la structure matérielle peut garantir le fonctionnement performant et efficace du réseau…

Equipement de communication pour réseaux industrielsQuelques remarques personnelles (1)



Le bon fonctionnement de nombreux Réseaux/Bus de terrain nécessite une terminaison électrique (élimination des reflets et augmentation de l'immunité aux bruits EM)

Cette terminaison est généralement réalisée avec des résistances montées aux extrémités physiques d'un câble de communication : Résistances de Terminaison.

Si les répéteurs sont utilisés, les segments de chaque côté du répéteur nécessitent une résistance de terminaison.

Equipement de communication pour réseaux industrielsQuelques remarques personnelles (2) : Les terminaisons



3. Topologies des réseaux



Les TOPOLOGIES de réseaux

• La Topologie caractérise la manière dont les équipements sont connectés.

• Le choix de la solution et de la topologie du réseau est très important, car il s’agit d’un choix d’une infrastructure de longue durée qui doit assurer le transport (sans problèmes) des données importantes.

• De plus, la solution retenue doit pouvoir être adaptée et agrandie lorsque les conditions d’utilisation changent.

• Les solutions (topologies) les plus courantes sont :- Point à Point sériel (Point-to-Point)- Réseau en étoile (Star)- Réseau en anneau (Ring)- Réseau en bus - Réseaux mixtes (Arbre)

• Il faut souligner que chaque solution « réseau » doit avoir un système efficace de règles de circulation pour les transmission de données (trafic).



Les topologies de réseaux

Point à Point sériel

Unité (Station

) A

Unité (Station

) B

• La transmission de données entre deux unités communicantes se fait sur une seule ligne.

• Utilisée dans des liaisons simples, du type ordinateur – imprimante.

• Utilisée aussi dans des structures plus complexes lorsque, par exemple pour des raisons de sécurité, on souhaite que chaque unité puisse communiquer directement avec une autre.




Réseau en étoile (Star)

Unité (Statio

n) A

Unité (Statio

n) CUnité

(Station) B

Unité (Statio

n) Z

Unité (Statio

n) X

Nœud Central (HUB)

HUB : Host Unit Broadcast (unité de diffusion vers les hôtes)

• Réseau en étoile contient plusieurs stations connectées « point à point »

• Chaque station communique par sa propre ligne avec le nœud central (HUB)

• Avantages principales :- une grande sécurité : si une ligne

vient à défaillir, les autres ne sont pas affectées

- la souplesse (extension facile)- gestion du réseau : simple

• Les inconvénients :- Grandes longueurs de câbles (coûts)- toutes les communications doivent se

faire par l’intermédiaire d’un nœud central HUB; en cas d’une panne du HUB, le réseau est hors service




Réseau en anneau (Ring)

Unité (Statio

n) A

Unité (Statio

n) CUnité

(Station) B

Unité (Statio

n) Z

Unité (Statio

n) X

• Toutes les stations sont connectées en série dans une boucle fermée

• Le message doit traverser certain nombre de stations avant arriver chez le destinataire

• Pour éviter des collisions, on fait circuler un message TOKEN (Slot) (corbeille à courrier vide)

• L’émetteur contrôle que TOKEN est vide et y ajoute son message et l’adresse du destinataire

• La stations suivante vérifie si le contenu du TOKEN est lui destiné; si ce n’est pas le cas, elle le fait passer à la suivante.

• Le destinataire vide le TOKEN, y pose un accusé de réception et le met en circulation

• L’émetteur peut ainsi vérifier que le message a été reçu et puis il remet le TOKEN vide en circulation.

Avantage : excellentes performancesInconvénients : gestion complexe, manque de souplesse



Unité (Statio

n) A

Unité (Statio

n) CUnité

(Station) B

Unité (Statio

n) Z

Unité (Statio

n) X

Les topologies de réseaux Réseau en bus

TT

• Dans cette configuration chaque station (nœud) est raccordé à un câble constituant une liaison physique commune (bus).

• Toutes les données sont transmises par le même câble pour atteindre les différents nœuds.

• Dans ce type du réseau, il faut établir des règles d’accès au bus permettant à l’émetteur de contrôler si le bus est libre et de savoir ce qu’il faut faire en cas d’une collision (p.ex. retransmission différée)

• Une défaillance d’un nœud n’interrompe pas la communication entre les autres nœuds

• Installation, gestion et l’extension aisées

• Inconvénients : le trafic peut être lent lorsque de nombreuses stations doivent communiquer (problèmes de partage du bus, collisions).



Les topologies de réseaux Réseaux mixtes (p.ex. Arbre)

• En utilisant différents composants de connexion/communication, on peut créer des solutions personnalisées qui conjuguent les avantages des différents topologies.

• Ces solutions mixtes peuvent être plus avantageuses tant au niveau de performances qu’au niveau de la sécurité (données)

• Exemple : un réseau en Bus avec étoiles réparties pour faire communiquer plusieurs réseaux en étoile.



Les topologies de réseaux : structure particulière Réseau maillé (Mesh

topology) Câblé

RF, sans file

• La topologie MESH (terme anglais signifiant maille ou filet), est une topologie (filaires ou non) où toutes les stations sont connectées en point à point, formant ainsi une structure en filet.

• La technologie MESH permet aux stations de se connecter d’une façon dynamique et/ou statique, instantanée, sans hiérarchie centrale.

• La technologie MESH permet aussi la connexion et la déconnexion d’une station sans recourir à la configuration manuelle et fastidieuse du réseau.



Les topologies de réseaux : structure particulière Réseau maillé (Mesh

topology) Câblé

RF, sans file

Avantages :• La facilité d’installation et une robustesse d’infrastructure• Des possibilités d’alimentation diverses de stations• Le faible coût (l’élimination totale du câblage) en cas du réseau

sans filInconvénients • Gestion complexe : Routage, distributions des adresses (adr. IP par

exemple)• Débits utiles et temps de latence• SECURITE !• Les coût importants en cas d’une solution filaire (câblée)



Les topologies de réseaux : structure particulière Structure « Daisy Chain » (Repeated bus

topology)

Station 1

COM1

COM2

Station 2

COM1

COM2

Station 3

COM1

COM2

• Dans la structure Daisy Chain, chaque station est équipé de deux ports de communication- COM1 pour dialoguer avec la station (directement) précédente- COM2 pour dialoguer avec la station (directement) suivante

• Si la station envoie des données vers la station plus éloignée, le message doit traverser toutes les stations intermédiaires : donc ralentissement de communication

• Si l’une de stations intermédiaires est défaillante, le dialogue entre des stations « éloignées » n’est plus possible; mais…



Les topologies de réseaux : structure particulière Structure « Daisy Chain » en anneau

bidirectionnel

Station 1

COM1

COM2

Station 2

COM1

COM2

Station 3

COM1

COM2

• La structure Daisy Chain peut être facilement transformée en double anneau (bidirectionnel)

• Il est possible d’assurer la communication en cas de la défaillance d’une station

- Si la communication « à droite » échoue, les données sont envoyées « à droite »

• Structure Daisy Chain est intéressante en cas des distances assez importantes (repeated bus), là où une topologie en étoile devient trop coûteuse (le cas Ethernet, par exemple)

• Ou, en structure double anneau, si l’on souhaite assurer le fonctionnement du réseau en cas de rupture de câbles



4. Message/Trame; Modèles de communication



Application Application

Station A Station B

Message , Trame, …

Messages/Trames

Echange des Données

• L’échange des données se fait par la transmission de Messages.

• Le MESSAGE est une unité d’information qui doit être transmise par l’application émettrice (expéditeur) vers un ou plusieurs destinateurs.

• Le message peut contenir les données d’application et des informations du contrôle (les adresses d’émetteur/destinateur, le type et le nombre de données, checksum,…)

• La TRAME est une représentation numérique (binaire/physique) du message.

Data

Data

Control

Control

Message

Trame



Modèle de communication

C’est la manière dont le participants (stations) communiquent entre eux sur le réseau.

Modèles de Communication



• Modèle Maître - Esclave : Un Maître interroge (un par un) ses Esclaves

– Maître : Station qui peut prendre le contrôle du support de transmission pour émettre, de sa propre initiative, sans attendre une autorisation

– Esclave : Station qui ne peut pas prendre émettre de sa propre initiative. Elle émet l’information uniquement à la demande du Maître.

Modèle de Communication : Maître-Esclave (Master/Slave)

Esclave 1

Esclave 2

Esclave 3

Maître

1 2 3



• Modèle Client - Serveur : Le Client envoie des requêtes en

direction du Serveur qui répond en renvoyant les données demandées

- Client : L’application (une station) qui prend l’initiative de communication

– Serveur : L’application (une station) qui est à l’écoute d’une demande de service en provenance d’un Client

• Modèle de communication du type « point-à-point » (Unicast) entre des appareils (stations) présents sur le Réseau

Modèles de Communication : Client-Serveur

Application (Station)

Client

Application (Station)

Server



• Modèle Producteur - Consommateur : Modèle de communication basé sur Broadcasting (diffusion) : le message émis par (un seul) Producteur peut être

reçu par toutes les stations

• Producteur, la station qui émet des données, envoie le message avec l’information reconnue par son identificateur.

• Consommateurs : toutes les stations qui lisent et utilisent ces données

Modèles de Communication : Producteur - Consommateur

Station 2

Produits ID : 09

Consom ID: 08,10,12

Station 1

Produits ID : 12

Consom ID: 07

Station 3

Produits ID : 10

Consom ID: 07,09,12

Station 6

Produits ID : 07

Consom ID: 09,10

Station 4

Produits ID :

Consom ID: 09,10,12

Station 5

Produits ID : 08

Consom ID: 07,09,12



• Modèle Publisher - Subscriber : Modèle de communication basé sur Multicasting :

chaque message peut être reçu par plusieurs stations « autorisées »

• Modèle plus élaboré du Producteur - Consommateur , basé sur le concept de groupes de communication

• Les stations doivent appartenir aux groupes soit comme Publisher (producteur de l’information) soit comme Subscriber (Consommateur de l’information)

• La communication est lancée par un Publisher qui envoie le message (informations) vers des stations autorisées (Subscribers).

• Les messages sont classés par catégories (ou classes de messages) auxquelles les récepteurs s'abonnent (subscribe)[1].

Modèle de Communication : Publisher - Subscriber



Fin

Engineering

Formation Bus de Terrain _Partie 1a _ Un peu de la theorie