Introduction à la technologie des passerelles

Passerelles, Appareils de liaison, Switch, Appareils serveurs, Convertisseurs de media, Modems, Sans fils... Embrouillant? Bien, vous n'êtes pas seul. La communication entre deux réseaux différents est stimulante.

Modèle OSI
Premièrement, commençons par regarder sur le modèle de base de toutes les communications, le modèle OSI.

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La communication la plus de simple utilise juste les sous-ensembles du modèle OSI. La couche 1 représente le niveau le plus bas, c'est-à-dire la ligne de communication physique et ses signaux électriques. La couche 7 est le niveau utilisateur où le modèle de données permet à deux dispositifs d'échanger et comprendre les données. Un exemple simple : même si nous pouvons entendre la conversation de quelqu'un, nous devons comprendre sa langue pour être capables de comprendre la signification "des données". Les dispositifs utilisent la couche 7, commune, qui parle le même langage et qui leur permet d’échanger librement des données.

Une interface RS-232 de base définit juste la Couche 1, assurant que deux dispositifs RS-232 peuvent être électriquement connectés sans conflits. Pour être capable de communiquer et d’interpréter des données entre deux dispositifs, le logiciel de protocole supplémentaire doit être ajouté, définissant les règles de communication et de format des données.

Le populaire protocole CAN, utilisé dans la plupart des applications automobiles de nos jours, communique juste sur la Couche 2. À l'intérieur d'une automobile, les vendeurs utilisent le protocole CAN comme liaison de communication, mais les vendeurs ajoutent leurs propres Couche 7 du protocole CAN pour se faire comprendre par tous les nœuds communiquant à l'intérieur de la voiture. N'importe quel autre nœud CAN à l'extérieur de la voiture n'est pas capable de participer à la communication si la Couche 7 protocole n'est pas mise en œuvre. Sur le marché industriel des appareils de différents constructeurs doivent êtres interconnectés et donc de nombreux protocoles avec une couche protocole 7 basée sur CAN tel que DeviceNet et CANopen. Deux nœuds DeviceNet de deux différents constructeurs peuvent communiquer et échanger des données car ils utilisent la même couche 7 du protocole.

Ethernet et le protocole TCP/IP couvrent les couches 1-4 du modèle OSI, qui fournissent plus de fonctions et évolutions que la technologie CAN. Deux nœuds Ethernet peuvent êtres interconnectés pour communiquer, Mais le TCP/IP fournit seulement un mécanisme de transport des données et exécute des tâches de service comme l'établissement de connexions, le traitement et le renvoi si un des octets de communication est corrompu etc. Cependant, deux nœuds utilisant Ethernet peuvent dialoguer entre eux, mais ils ne se comprennent pas car ils n'utilisent pas la même "langue", c'est-à-dire que la Couche 7 n'est pas définie selon le protocole de TCP/IP. Sur la couche supérieur du TCP/IP il doit y avoir des applications tels que SNTP, HTTP , FTP etc… pour être capable d’échanger et de travailler sur des données du réseau. Toutes ces fonctions réseau sont normalisées sur la couche 7. Dans le milieu industriel, il y a des protocoles additionnel temps réel utilisant la couche 7. Deux exemples sont EtherNet/IP (IP = Protocole Industriel) et ModbusTCP. Maintenant que vous avez ces informations, prenez le temps de regarder comment convertir les données d’un réseau à un autre.

Convertisseurs de media
Les convertisseurs de media fonctionnent habituellement sur les couches 1 et 2 du modèle OSI. Leurs fonctionnements consistent à récupérer les signaux électriques d’un support physique et de le convertir vers un autre support physique. Un exemple peut être un convertisseur RS-232 <-> RS-422 qui reformate les signaux électriques entre les deux réseaux. Un autre exemple un convertisseur Câble CAT5Ethernet 100Mbit <-> Fibre 100Mbit. Les convertisseurs de Media sont très utiles dans des applications industrielles, pour aller d’un support physique à un autre. Cependant ces convertisseurs ne font que reformater les signaux et n’apportent donc aucune valeur ajoutée à l’application.

Un signal qui traverse un câble réseau, se dégrade et on obtient une distorsion dans le process qui est appelé “atténuation”. Si le câble est trop long l’atténuation rend le signal inutilisable. Un relai permet au signal d’aller loin. Il travaille sur la couche Physique OSI pour régénérer le signal et le renvoyer vers les différents segments.

Les relais sont généralement utilisés pour permettre des distances plus longues entre les différents nœuds du réseau. Le répéteur prend un signal électrique faible d'un segment, le régénère et le passe au segment suivant. Les relais ne traduisent ou ne filtrent rien. Pour que le relais puisse fonctionner, les deux segments qu’il relie doivent avoir la même méthode d’accès. Par exemple, un relais ne peut pas connecter un segment utilisant CSMA/CD (Ethernet) et un segment utilisant des jetons.

Switch Ethernet Industriel
Les Switchs peuvent êtres vus comme des relais intelligents. Ils amplifient le signal transmis sur le réseau, mais ils fournissent également une analyse intelligente des paquets reçus. Un Switch Ethernet avec une fonction de mémorisation et transfert, vérifie la trame qu’il reçoit afin de vérifier si aucun bit n’est corrompu (CRC). Si la trame est complète, elle sera redirigée à l’adresse de destination.

Appareils Servers
Les appareils serveurs sont assimilés à des ponts. Un pont fonctionne sur les couches 1-4 du modèle OSI. Ils établissent une connexion, retransmission, retour d’erreur, etc. Les données sont échangées facilement entre des ponts, mais sont juste envoyées comme un gros morceau de données anonymes. La couche 4 n'a aucun mécanisme pour traiter ces données.

Pour l’EtherNet, il est très courant d’utiliser des appareils serveurs pour ponter un réseau série tel que RS232, vers Ethernet. Ces appareils ont une couche TCP/IP complète incluse et lorsque ce type d’appareil est connecté à un port série, les données sont encapsulées dans une trame TCP/IP et peuvent être transportées via le réseau Ethernet. A destination du coté Ethernet, les données séries sont juste extraites de la trame TCP/IP.

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L’appareil série, communique, avec un système PC ; le PC exécute normalement le logiciel qui s’occupe d’extraire les données de la trame.

Ce logiciel, va créer un port série virtuel sur le PC qui pourra être utilisé par toutes les applications. Puisque cette méthode n’ajoute aucune fonctionnalité à l’application originale, la solution est transparente pour l’appareil connecté. Dans la plus part des cas, l’utilisateur final n’est pas conscient que la connexion série est remplacée par un port virtuel.

Cette application permet à des appareils série d’être placé loin du PC en utilisant le réseau Ethernet pour transporter des données séries. Si vous utilisez un automate, qui est la solution prédominante dans les applications industrielles, deux serveurs doivent êtres utilisés. Un proche de l’appareil série, où les données seront encapsulées dans la trame TCP/IP et un autre prés du port série qui va extraire les données de la trame TCP/IP.

Les appareils Serveurs, fonctionnent bien sur des messages réseaux, où les paquets de données acycliques peuvent être retransmis sur un autre type de réseau, maintenant sa structure et format original. Cependant, la plus part des réseaux industriels ont inclus un trafic d’E/S qui envoie des données cycliques pour des mises à jour rapide et des communications temps réel. Tous ces protocoles nécessitent de fonctionner sur la couche 7 pour relier deux réseaux différents.

xx Anybus Serial Server - RS232-Ethernet Virtual COM port

Passerelles Industrielles (Layer 7 Gateways)
Les passerelles rendent la communication possible entre deux architectures et protocoles différents. Ils rempaquètent et convertissent les données allant d’un réseau à l’autre.
Les passerelles peuvent changer le format d’un message afin qu’il se conforme à l’application à la fin de la réception. Une passerelle relie deux réseaux n’ayant pas le même protocole et format de données.

Dans la passerelle toutes les couches du modèle OSI sont incluses (de 1 à 7). Ceci permet une transmission et un travail sur les données et donc une vraie liaison entre les deux réseaux est effectuée. En utilisant une passerelle pour relier un réseau Ethernet, à tout autre protocole tel que DeviceNet, Profibus ou un simple protocole série, permet à celle-ci d’utiliser les données depuis un serveur web intégré, permettant le contrôle et la visualisation.

La zone de conversion de données depuis un appareil sur port série vers Ethernet, ou tout autre réseau, mérite de plus précises explications. Le fait qu’un port série n’as pas de couche 7, ce qui rend la liaison plus difficile. Un exemple peut être un appareil tel qu’un lecteur de code barre qui transmet des données ASCII dans une trame spécifique de l’appareil.

Passerelles Série vers Bus de terrain et Ethernet
Transporter des données entre un protocole RS232/422/485 & ASCII jusqu’à un réseau Bus de terrain/Ethernet est fait par une “ Passerelle Série” souvent appelée “Convertisseur de Protocole". L’anybus Communicator par exemple résoud cette conversion en utilisant une mémoire temporaire interne à la passerelle. Les données issues du port série sont mappées dans une mémoire locale, et, via un logiciel de configuration la passerelle peut définir quels octets de la trame série sont des données, et quels octets sont juste des commandes ou des informations de contrôle. Les données sélectionnées sont mappées sur la couche 7 du réseau sélectionné et celles ci peuvent êtres reçues et comprises par un autre nœud utilisant également cette couche pour ces données.

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Le grand bénéfice de cette solution est que le périphérique série serait comme une carte réseau embarquée interne. La passerelle convertit les octets de données sélectionnées de la trame série dans un format compréhensible par un automate utilisant un bus de terrain. L’appareil sera alors comme n’importe quel élément sur le bus de terrain. Un exemple peut être des E/S avec des valeurs numériques et analogiques.

L’Anybus Communicator peut également agir comme une passerelle active contrôlant et communiquant avec plusieurs appareils série (fonction Multi-Drop) utilisant un protocole commun, tel que Modbus RTU et qui relie les données sélectionnées à un réseau industriel tel que Profibus ou Ethernet. Il peut également être utilisé comme un serveur WEB afin de permettre des fonctions de management, visualisation et contrôle.

xxx Lien vers l'Anybus Communicator - Passerelle Série vers Bus de terrain/Ethernet


Bus de terrain/Ethernet vers Bus de terrain/Ethernet

Le besoin grandissant de flexibilité et de diversité dans les milieux industriels deviendra de plus en plus important. L’utilisation de passerelles Industrielles est une voie pour relier d’ancienne/nouvelles installations et en particulier la liaison entre différents Bus de terrain/Ethernet dans la même installation. La gamme de produits Anybus X-Gateway est une passerelle Industrielle entre les principaux bus de terrain. Prenez le temps de regarder comment la X-gateway permet d’échanger facilement des données d’E/S entre deux réseaux

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x Lien vers l' Anybus-X - Passerelle Bus de terrain/Ethernet vers Bus de terrain/Ethernet


Résumé

Transporter des données entre deux différents réseaux n’est pas impossible, et il est important d’analyser les besoins de l’installation.

x Les convertisseurs de media fonctionnent bien en surmontant les différences qui existent entre les deux technologies des réseaux. Normalement aucune configuration n’est nécessaire

x Les appareils Serveur sont intéressant lorsqu’on utilise de l’EtherNet et que le contrôle est effectué par un PC

x Les passerelles séries sont capables de résoudre la liaison de données entre deux réseaux tel que RS232/422/485 vers un autre réseau. L’inconvénient est que ces passerelles sont des appareils très complexes et nécessitent de la configuration durant l’installation pour définir les données qui devront être échangées entre les deux réseaux.

X Les passerelles sont capables de résoudre toutes les liaisons de données entre deux réseaux. Aujourd’hui une passerelle signifie un échange simple des données, mais dans l’avenir de plus en plus de fonctionnalités seront intégrées dans ces modules.