Modelos de referência EPA e OSI
Quanto ao DNP3, IEC 60870-5 é baseado na arquitetura de três camadas de desempenho melhoradas ou modelo de EPA para comunicações de dados. Esses modelos são descritos em detalhe mais adiante neste texto, que mostra como o modelo EPA é uma forma simplificada do modelo de referência de sete camadas OSI para fornecer o melhor desempenho para aplicações de telecontrole. Na Figura 8.1, a relação entre o modelo OSI e o modelo de EPA está representado. Isso mostra que o modelo de EPA basicamente omite as camadas de apresentação, sessão e transporte do modelo OSI.
A estrutura do modelo de EPA é apropriada para um sistema de funcionamento que opera continuamente através de uma única rede. Uma camada é normalmente adicionada ao topo da representação do modelo de base EPA e é identificada como a camada do utilizador. Esta é incluída para representar as várias funções ou processos que têm de ser definidas para fornecer as operações do sistema de telecontrole. São necessários para definir a interoperabilidade entre os equipamentos que resultará num sistema de tele totalmente operacional, ao invés de apenas um sistema de comunicação de dados. Pelo primeiro padrão associado definido como IEC 60870-5-101 ou T101 perfil, um modelo de quatro camadas, como ilustrado no lado direito da Figura 8.1 fornece uma representação precisa da arquitetura do protocolo. No caso da versão em rede IEC 60870-5-104, ou o perfil de T104, camadas adicionais do modelo OSI tem de ser incluído para fornecer para o transporte de mensagens através de redes que utilizam protocolos de rede padrão. Estes são o transporte e as camadas de rede correspondente à utilização dos protocolos TCP e IP. As duas arquiteturas são apresentadas na Figura 8.2 abaixo.
Como é evidente a partir da Figura 8.2, a operação das camadas inferiores da versão em rede, IEC 60870-5-104 é completamente diferente do que a versão não ligado em rede, IEC 60870-5-101. Essas camadas correspondem a todas as camadas abaixo da camada de aplicação, o que para essas arquiteturas são as camadas envolvidas com o transporte da mensagem.
Seleções de normas
A vantagem do modelo de referência OSI, e os modelos da EPA dele derivados e mostrado na Figura 8.2, é que eles fornecem uma estrutura para a descrição do funcionamento do protocolo. Descrever o funcionamento do protocolo é uma questão de especificar as funções de cada camada, e especificar a estrutura da informação que passa entre as camadas. Na norma IEC, é o associado IEC 60870-5-101 que especifica o protocolo completo. Ele faz isso, referindo-se as principais seções da norma IEC 60870-5, e fazendo seleções específicas de opções que podem estar disponíveis dentro dessas seções.
Para comparação, a informação correspondente para a rede versão IEC 60870-5-104 é mostrada na Tabela 8.4. Isto ilustra a forma como as camadas inferiores da 60870-5-101, norma IEC associada, foram totalmente substituídas por perfis normatizados de transporte TCP / IP.
Camada Física
A camada física está relacionada com a transmissão e recepção de dados sobre a forma física. Este nível está relacionado com a transmissão de bits e bytes, mas não com o significado daqueles bytes. A interface física é definida em termos das características elétricas e sinais individuais, passando através da interface. A definição da camada física inclui a especificação da interface de sinal entre o IEC 60870-5 e os dispositivos de comunicação para o mundo externo, e as configurações de rede que estão ligados a estes. Estes estão ilustrados na figura 8.3. Onde mostra um servidor estação SCADA mestre conectado a um modem de rádio através de uma porta serial operando em 9,6 kB / s. Os modens de rádio formam uma configuração multi-ponto-estrela em que o mestre se comunica com as duas capelas simultaneamente, e que as estações externas podem se comunicar de volta para o mestre.
Interface de Comunicação
Para permitir a utilização de equipamento de comunicações de dados normal, o padrão utiliza padrões existentes que cobrem a troca entre o equipamento terminal de dados (DTE) e equipamento de comunicação de dados (DCE). Estes padrões de interface de comunicação são os equivalentes ITU-T para o bem conhecido Electrical Industries Association RS-232 e os padrões RS-485. Estes fornecem para full-duplex transmissão desequilibrada e equilibrada de dados seriais entre o dispositivo de dados e equipamentos de comunicação, como um modem. A utilização da interface é ilustrada na Figura 8.3, a ligação entre o servidor de uma central SCADA mestre, e um modem de rádio. A interface DTE-DCE é simplesmente, um cabo RS-232 entre a porta serial do computador, e uma porta semelhante no modem rádio. Também é utilizado entre os UTRs e seus modems de rádio. As velocidades de transmissão de dados estão definidos como se segue:
Além interfaces usando os padrões específicos, deve notar-se que o perfil T101 não permite a utilização de outras interfaces físicas por acordo entre fornecedor e utilizador.
Configurações de Rede
O perfil T101 especifica suporte para as seguintes configurações de rede ou topologia:
• Ponto-a-ponto
• Multiple ponto-a-ponto
• Multi-ponto-star
• Linha Multi-ponto-party
• Anel-Multi-ponto
Estas são definidas pela norma IEC 60870-1-1, e estão representados na Figura 8.4. No desenho os símbolos quadrados representam estações controladores ou mestre, e os triângulos representam controlado, ou capelas. Os pequenos círculos nos pontos de ligação são as portas.
A partir do diagrama pode-se observar que estas se dividem em dois tipos básicos, ponto-a-ponto e multiponto. Uma ligação ponto-a-ponto tem uma estação mestre e um escravo. Uma rede multi-ponto tem uma estação mestre ligada a um certo número de estações exteriores. A configuração em anel só é diferente na medida em que inclui redundância, proporcionando uma segunda porta na estação principal que pode ser utilizada para comunicações se o anel for quebrado. Nas configurações ponto-a-ponto o mestre ou o escravo pode transmitir mensagens, desde que um canal full-duplex seja usado. Nas configurações multi-ponto, o mestre se comunica em paralelo a todas as capelas ligadas. As estações exteriores partilham um canal de comunicação de retorno, e, por conseguinte, apenas um pode transmitir de cada vez. Note-se que as combinações de ligações podem formar uma rede hierarquizada onde UTRs intermédios podem atuar como estações locais mestre para UTRs ligados a eles. Estes são muitas vezes referidos como estações de sub-mestre.
Camada de Enlace de Dados
A camada de enlace de dados é responsável pela passagem de dados através do canal de comunicação, e garantir que os dados sejam recebidos na íntegra e não corrompidos por erros. Ele faz isso através de uma unidade de dados conhecido como um quadro, combinado com os procedimentos que presidem à sua transmissão e recepção. A armação é feita com uma quantidade de dados que é suficientemente grande para transportar informação de controle, tal como um endereço de destino, verificando informações usadas para detectar erros, e uma carga de dados, se necessário. É também uma quantidade de dados que não é muito grande, de modo que um erro de transmissão não irá provocar a perda de grande quantidade de dados, ou de forma que as discrepâncias de temporização entre o transmissor e receptor possam levar à perda de sincronismo. IEC 60870-5-101 ou T101, especifica o funcionamento da camada de ligação de dados de referência e faz seleções a partir dos padrões identificados na Tabela 8.1, repetido no seguinte extrato:
Nesta seção, o funcionamento da camada de enlace é explicado em detalhe, começando com a estrutura de dados e, em seguida, olhando para os processos de transmissão.
Formato do Quadro
O formato de quadro usado pelo T101 é referido como o formato FT1.2. Há duas formas, de um comprimento fixo e o outro de comprimento variável. O quadro de comprimento fixo é restrito ao uso de quadros que não levam os dados do usuário e, portanto, é usado apenas para comando de controle de enlace e quadros de confirmação. Além dos quadros de comprimento fixo e variável, existe uma armação “caráter de controle único " que consiste de um único byte. Isto pode ser usado apenas para reconhecimento. Estes quadros são mostradas nas Figuras 8.5 e 8.6. A Figura 8.5 mostra o padrão de bits real que seria visto no canal físico, interpretada a partir da esquerda para a direita. Esta representação inclui o início e stop bits que são transmitidos com cada octeto ou byte do quadro. A construção do caixilho é mostrada na Figura 8.6. Isto não representa o padrão de bits, mas apenas mostra o conteúdo de informação até ao nível de octeto. Para manter a consistência com as normas aplicáveis, estes são apresentados verticalmente, a fim octeto. Assim, o primeiro octeto é mostrado na parte superior, e octetos seguintes são mostrados abaixo. O esclarecimento da ordem de bits e octetos está incluído na seção seguinte.
A partir da representação de sequência de bits acima, é possível ver que a taxa de dados máxima da armação é de cerca de oito-elevenths da taxa de transmissão de bits. Isto é ainda mais reduzida quando as despesas gerais de quadros tais como endereçamento, iniciar e parar personagens, soma de verificação, e as informações de controle são contabilizados. Estes gerais pode ser visto na Figura 8.6 mostra que a estrutura global do quadro.
Os seguintes pontos são observados sobre os quadros de enlace de dados:
• Somente o quadro de comprimento variável pode transportar dados do usuário;
• O quadro de comprimento variável pode transportar até 253 octetos de dados;
• O comprimento L é repetido duas vezes, e os dois valores de L deve ser igual para o quadro ser aceito como válido;
• O comprimento máximo do quadro é 261 octetos. No entanto, um menor comprimento máximo de quadro pode ser especificado pelo fabricante ou pelo utilizador do sistema como um parâmetro do sistema;
• O quadro de comprimento fixo é de 5 ou 6 octetos;
• Um campo de endereço pode ser de 1 ou 2 octetos, determinado por um parâmetro do sistema fixo;
• Um endereço de broadcast é definido como 0xFF ou 0xFFFF para 1 e 2 octeto respectivamente;
• O checksum é o módulo 256 soma dos dados do usuário de quadros (não os dados do usuário link). Estes são os dados entre o último caractere de início e o checksum, L octetos para o quadro variável;
• Não mais do que um intervalo ocioso, pouco tempo, é permitido entre os personagens dentro do quadro, e que um intervalo ocioso de 33 bits vezes deve ser permitido após a detecção de um erro de armação pelo receptor.
Ordem de Informações
Um detalhe técnico que pode ser difícil de encontrar nas normas é a ordenação dos bits e bytes. No IEC 60870-5, como no DNP3, a seguinte ordem é padrão. Os bits são transmitidos a partir do byte menos significativo (LSB) e terminando com o byte mais significativo (MSB). Quando uma representação de sequência de bits é dado, os bits são mostrados nesta ordem. No entanto, quando a estrutura de uma mensagem em termos de bytes ou octetos é descrito, o MSB é, à esquerda, e o LSB está à direita, o que é consistente com o peso numérico dos bits. Uma boa maneira de resolver mentalmente este é prever o octeto sendo direito deslocado para fora de um registo UART para o canal de comunicação. Da mesma forma para bytes, o byte menos significativo (LSB) é transmitido em primeiro lugar, e o byte mais significativo (MSB) é transmitido por último. A ordenação dos bits e bytes é ilustrada na Figura 8.7.
Camada Conceitos de Ligação
Esta seção apresenta alguns conceitos que são importantes para a compreensão do funcionamento dos procedimentos de transmissão da camada de enlace. A operação detalhada da camada de enlace é, então, discutida em termos desses conceitos.
Estes são os seguintes:
• primária e secundária
• desequilibrada e equilibrada
• procedimentos de serviço
• primitivas de serviço
• procedimentos de transmissão
Primária e Secundária
Os termos primários e secundários referem-se à capacidade de uma estação para iniciar comunicações sobre um canal de comunicação. Apenas uma estação principal pode iniciar comunicações. Estações secundárias devem esperar até que sejam entrevistados pela estação primária antes que eles possam transmitir dados. Mais precisamente, estes termos são aplicados às portas de comunicações de estações individuais, porque num sistema hierárquico, uma estação intermediária será um tanto controlada e uma estação de controle. Esta situação é ilustrada na Figura 8.8. Isso mostra uma configuração de rede hierárquica com portas primárias e secundárias marcados P e S.
Na Figura 8.8 UTR 3 é tanto uma estação de controle quanto uma controlada. Note-se que cada uma das duas ligações de comunicações tem apenas uma estação primária.
