LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS

UNIVERSITE DE LIEGE
Faculté des Sciences Appliquées
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
Dr. Ir. H. LECOCQ
Professeur
– Dernières mises à jour 2004 –
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Chapitre 1
CONCEPT CIM
(Computer Integrated Management)
1.1. CONTEXTE INDUSTRIEL
Du point de vue de la gestion et de l'automatisation, on classe généralement les
entreprises industrielles en deux grandes catégories : les entreprises de procédés
continus (process industries) et les entreprises manufacturières (manufacturing
industries).
Dans les premières, la production est décrite en termes de débits de matières.
C'est typiquement le cas des usines physico-chimiques et pétrochimiques. Le processus
de production y est généralement caractérisé par une séquence de réactions
physico-chimiques se déroulant de manière continue ou quasi-continue. Il est clair que,
dans ce type d'entreprise, la production est strictement figée, tant du point de vue de la
nature des produits que du point de vue de l'outil de production.
Dans les secondes, qualifiées de discontinues ou de discrètes, on fabrique des
"objets" dénombrables qui peuvent évidemment être de complexité très diverse. Les
industries mécaniques, électriques et électroniques appartiennent à cette catégorie. Le
processus de production se présente en général ici comme une succession d'opérations
de mise en forme et d'assemblage réalisées manuellement ou à l'aide de machines.
La suite de l'exposé sera principalement consacrée à cette seconde catégorie
d'entreprises. Bien entendu, certaines des notions qui seront présentées ci-après sont
également applicables à la première catégorie.
C'est l'évolution du marché qui explique les problèmes rencontrés actuellement
par les entreprises manufacturières, surtout par celles qui s'adressent au grand public.
Il y a peu de temps encore, le marché se caractérisait par le fait que le producteur était
roi. Il y avait peu de concurrence et peu de produits. Le consommateur n'était pas
difficile et achetait ce qui était disponible. Qu'on se rappelle la Ford T du début du siècle
qui fut produite à un million d'exemplaires par an pendant seize ans !
C'est pour ce genre de production que Taylor avait développé sa philosophie:
spécialisation des équipements et spécialisation du personnel à qui on ne demandait que
des travaux élémentaires et répétitifs.
Actuellement, le marché se caractérise plutôt par le fait que le client est devenu
roi. La concurrence s'est considérablement accrue et mondialisée, rendant le
consommateur plus difficile et beaucoup plus critique, notamment au niveau de la
qualité des produits. Le cycle de vie des produits s'est également considérablement
raccourci : trois à quatre ans pour une automobile, parfois beaucoup moins pour un
ordinateur. En termes de production, cela signifie une grande variété de produits à cycle
de vie très court et en petites séries. Cette situation peut être résumée par le diagramme
de la figure 1.1.
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
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Production
PRODUCTION TOTALE
30 %
Par lots
PRODUCTION
40 %
De
15 %
Taille des lots < 50
PRODUCTION PAR LOTS
75 %
Figure 1.1. Position et structure de la production manufacturière
Des 30 % représentés par la production manufacturière dans l'activité industrielle
globale, 40 % concernent une production par lot et seulement 15% une production de
masse.
Des 40 % de production par lot, 75 % concernent des lots de moins de 50 pièces !
Pour survivre, les entreprises doivent donc arriver à produire vite, bien et bon marché,
tout en étant capables de s'adapter rapidement à l'évolution des produits.
1.2. LES NOUVELLES REGLES DE PRODUCTION
Les nouvelles règles de production qui répondent à la question peuvent être
résumées, de manière imagée, par cinq zéros : zéro défaut, zéro panne, zéro stock, zéro
délai et zéro papier. La signification des quatre premiers zéros est claire; le cinquième
indique la volonté de supprimer le transfert manuel d'informations qui alourdit trop
souvent le travail du personnel et est cause de nombreuses erreurs. Idéalement, on
devrait d'ailleurs encore y ajouter deux zéros : zéro accident et zéro problème social.
Plus techniquement, ces nouvelles règles de production relèvent d'une philosophie
appelée "Juste-à-Temps" (Just-in-Time ou JIT en anglais) aussi connue sous le nom de
"production à flux tendus" [Béranger, 1987].
Il s'agit d'un principe d'organisation industrielle, apparu au début des années 80,
qui préconise d'acheter ou de produire seulement ce dont on a besoin, quand on en a
besoin. Ceci devant être respecté aussi bien au niveau des produits finis (ne fabriquer
que ce qui est commandé) qu'au niveau des pièces constitutives de ces produits.
Le premier résultat en est évidemment une réduction drastique des stocks, et
partant, une diminution sensible des charges financières de l'entreprise. Il ne s'agit
cependant pas là du but principal recherché. En réalité, la réduction des stocks n'est
que l'amorce d'une réaction en chaîne qui conduit à des bouleversements en profondeur
du fonctionnement de l'entreprise.
En effet, pour produire sans stock tout en garantissant des délais de livraison
normaux, il est nécessaire d'avoir des temps de fabrication très courts, une grande
flexibilité pour pouvoir suivre la demande (en variété et en quantité) et une haute fiabilité
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
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de production afin d'éviter les aléas.
Au niveau de l'organisation de la production, cela implique :
- la division de l'usine en cellules permettant l'enchaînement rapide des opérations
concernant une même pièce ou un même produit de manière à éviter les stockages
intermédiaires;
- la limitation des déplacements accélérant le travail et facilitant le suivi de production;
- la flexibilité des cellules en question : changement rapide d'outils et de programmes de
fabrication;
- le contrôle et la maîtrise de la qualité à chaque étape de la fabrication afin de ne pas
enrayer le processus;
- la fiabilité des machines, pour les mêmes raisons que ci-dessus, ce qui suppose la
mise en place d'une politique rigoureuse de maintenance préventive;
- la polyvalence et l'augmentation de la qualification des opérateurs qui deviennent
responsables de la quantité et de la qualité des pièces ou produits fabriqués, voire
même du bon fonctionnement des machines;
- des relations nouvelles avec les fournisseurs afin qu'ils entrent aussi dans le
processus, tant au niveau des délais que de la qualité des produits fournis.
Remarquons que, jusqu'à présent, il n'a encore été question ni d'automatisation ni
d'informatisation. C'est qu'en effet la philosophie du Juste-à-Temps concerne avant tout
l'organisation de la production.
Il faut en effet considérer la production comme une chaîne dont les maillons
doivent tous être de même résistance : il ne sert en effet à rien, globalement, de renforcer
à l'extrême certains maillons, s'il en est d'autres qui demeurent fragiles.
Une saine démarche consistera donc à analyser les flux de matières et
d'informations associés au processus de production, à les rationaliser et à les simplifier
au maximum dans l'optique du Juste-à-Temps. Ce n'est qu'alors, et alors seulement,
que l'opportunité d'automatiser ou d'informatiser telle ou telle partie du processus
apparaîtra clairement.
En l'occurrence, l'automatisation permettra d'accélérer la fabrication et/ou de
garantir la constance de la qualité. Pour les raisons qui ont été exposées ci-dessus,
l'automatisation devra être flexible. Cette flexibilité doit se traduire au niveau de la
structure des machines qui seront aussi polyvalentes et adaptatives que possible, avec
une gestion d'outils et une alimentation en pièces complètement automatisées. A cet
égard, le robot apparaît évidemment comma la machine flexible par excellence.
Cette flexibilité doit aussi se retrouver au niveau du système de commande des
machines dont les modes de fonctionnement devront pouvoir être facilement modifiés.
Ce dernier point ne pose plus actuellement de réel problème dans la mesure où
pratiquement toutes les nouvelles machines de production sont commandées par des
dispositifs à base de microprocesseurs, avec programme enregistré. De plus, des portes
de communication existent presque toujours sur ces machines qui permettent de
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
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télécharger et de modifier les programmes à partir d'autres ordinateurs.
L'informatisation, quant à elle, a pour but d'améliorer la manipulation des
informations relatives au processus de production. Ces informations concernent non
seulement la fabrication proprement dite mais aussi la conception des produits, la
gestion technique, financière et administrative de l'usine, le management, le marketing,
...
Ces différentes facettes de la production ont déjà fait, de longue date, l'objet de
développements informatiques spécifiques. Cependant, dans la plupart des cas, ceux-ci
ont été menés indépendamment les uns des autres, avec des ordinateurs différents, des
systèmes d'exploitation différents, des moyens de communication différents; on parle
d'îlots d'automatisation.
Il en résulte que d'importants flux d'informations continuent de circuler par la voie
manuelle (papiers, plans, réencodage, etc.) tandis que des informations similaires se
retrouvent dans des bases de données différentes, avec tous les risques d'incohérence
que cela comporte. Cette situation est représentée à la figure 1.2.
Les nouvelles règles de production évoquées dans ce paragraphe (et en particulier
le "zéro papier") conduisent tout naturellement à préconiser l'intégration des moyens
informatiques d'une entreprise.
Le terme intégration recouvre ici non seulement
l'interconnexion physique des ordinateurs par des réseaux de communication mais
aussi, et surtout, leur interconnexion logique. On entend par là que le système
informatique distribué initial apparaît à l'utilisateur comme un système informatique
centralisé et homogène; les effets recherchés étant essentiellement l'unicité et la
disponibilité des informations.
En d'autres termes, l'intégration offre à chacun l'accès direct à l'information
voulue, au moment voulu et à l'endroit voulu. C'est ce qu'on appelle le CIM : Computer
Integrated Management. La figure 1.3. symbolise cette situation idéale.
D'un point de vue technique, le CIM implique donc :
- l'existence d'un système de communication ouvert permettant à des systèmes
informatiques et de contrôle hétérogènes de communiquer entre eux
-
une architecture informatique ouverte et distribuée permettant aux utilisateurs de
collecter, de stocker et de récupérer des données pertinentes sur le processus de
production et cela de manière transparente, c'est-à-dire, sans avoir rien à connaître du
système de communication
- un ensemble de progiciels de contrôle et de gestion capables d'exploiter les données
mentionnées ci-dessus.
Dans le présent volume, on s'intéressera essentiellement aux deux premiers de ces
trois points.
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
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C el l ul e 1
H. LECOCQ
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
Figure 1.2. Processus de production informatisé et automatisé mais sans intégration
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C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
C el l ul e 1
Figure 1.3. Processus de production intégré ou CIM (Computer Integrated Management)
1.3. HIERARCHISATION DES COMMUNICATIONS
La figure 1.4. représente schématiquement toutes les sources d'information que
l'on peut trouver dans une entreprise et qui, dans l'optique du CIM, doivent donc pouvoir
être accessibles par celui qui en a besoin, où qu'il se trouve dans l'organisation.
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
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COMPAGNIE
4
C ell ul e 1
C ell ul e 1
C el lule 1
C el lule 1
C ell ul e 1
C ell ul e 1
C ell ul e 1
C el lule 1
C el lule 1
USINE
C el lule 1
C ell ul e 1
C ell ul e 1
C ell ul e 1
C el lule 1
C ell ul e 1
Ce l u le 1
C ell ul e 1
3
C ell ul e 1
Contrôle machines
P
L
C
P
L
C
Entraînement
Panneau Opérateur
I/O déportées
R
I/O
M
Capteur
1
P
L
C
Capteur
Capteur
Actuateur
Actuateur
Actuateur
Machine 1
Machine 2
Machine 3
2
CELLULE
Conduite
TERRAIN
P
L
C
Suivi de production
0
CAPTEUR / ACTUATEUR
Supervision
ATELIER
C el lule 1
Figure 1.4. Eléments à interconnecter pour réaliser le CIM
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
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1.3.1. GESTION
Au niveau de la gestion administrative et technique, l'information existe en général
dans des bases de données situées dans des serveurs ou réparties dans des ordinateurs.
Il est clair qu'à ce niveau, les échanges d'information se font par réseaux de
communication.
En général, chaque département possède son réseau local (réseau de PC par
exemple) et un réseau dit d'"usine" assure l'interconnexion des différents sous-réseaux de
même d'ailleurs que des réseaux d'ateliers (voir § 1.3.2.).
Lorsqu'une
entreprise
comporte
plusieurs
sites
géographiques,
des
communications sont possibles en passant par le réseau public de télécommunications.
On parle alors de réseau de niveau "compagnie". Au même niveau, on peut situer les
liaisons informatiques directes qui existent de plus en plus souvent entre une entreprise
et ses clients et fournisseurs (EDI : Electronic Data Interchange).
1.3.2. FABRICATION
Au niveau de la fabrication la situation est plus complexe. On distingue en
général des ateliers responsables de la fabrication d'un produit ou d'une gamme de
produits de même famille. L'atelier, à son tour, est composé de cellules de production
qui regroupent des machines fortement interactives.
Les machines de production modernes (CNC, robots, etc.) sont pratiquement
toutes commandées par des automates programmables (notés PLC sur la figure). Ceux-ci
commandent les machines par l'intermédiaire d'actuateurs (contacteurs, vannes, etc.)
sur base d'informations fournies par des capteurs (détecteurs de fin de course, codeurs
de position, thermocouples, etc.) Les informations échangées entre ordinateurs de
supervision et automates sont relativement élaborées et ne peuvent se concevoir que par
l'intermédiaire de réseaux de communications.
Plus près des machines, on trouve actuellement de plus en plus d'équipements
dits de terrain : entraînements, panneaux opérateurs, entrées/sorties déportées, îlots de
vannes, etc. Ces équipements ne possèdent certes que des capacités de traitement
limitées mais n'en sont pas moins actionnés par des microprocesseurs, ce qui permet de
les relier aux automates par voie informatique (réseau de communication). L'idée est ici
de diminuer le volume du câblage, tout en déchargeant les automates de tâches annexes.
Dans le même esprit, la possibilité est apparue récemment de greffer directement
des capteurs et actuateurs dits "intelligents" sur des réseaux de communication en
remplacement du câblage fil à fil traditionnel.
1.3.3. LA PYRAMIDE DU CIM
Il est bien certain qu'il serait impensable d'assurer toutes les communications qui
viennent d'être évoquées ci-dessus à l'aide d'un seul et même système de
communication, et cela pour des raisons techniques, économiques et pratiques qui
apparaissent clairement à la figure 1.5.
Les six niveaux de communications qui ont été introduits ci-avant sont
représentés sous la forme d'une pyramide, la largeur de chaque niveau reflétant le
nombre de connexions au réseau.
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
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Compagnie
Usine
Atelier
Cellule
Terrain
Capteurs / Actuateurs
5
4
3
2
1
0
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
MSEC
SEC
MIN
HEURES
BITS
BYTES
KBYTES
MBYTES
VOLUME DE
DONNEES
TYPE
D'ECHANGE
EVENEMENTIEL
CYCLIQUE
TEMPS DE
REPONSE
NIVEAU DE
COMPETENCE
AUTOMATICIEN
NIVEAUX
INFORMATICIEN
ELECTRICIEN
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Figure 1.5. Nécessité d'une hiérarchisation des communications
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On a placé, en regard, les caractéristiques attendues, à chacun des niveaux, sur le
plan du temps de transfert des messages, de la taille des messages, du type d'échange et
du niveau de compétence nécessaire pour la mise en œuvre du réseau.
–
niveau capteurs/actuateurs et terrain
A ce niveau, les temps de transfert doivent correspondre aux temps de cycle des
automates (de l'ordre de 10 ms) puisque le réseau est censé remplacer les
anciennes connexions fil à fil vers les cartes d'entrées/sorties des automates.
Heureusement, la taille des messages y est fort réduite puisqu'il s'agit, en gros, de
l'état (binaire) de capteurs et d'actuateurs. Ainsi 512 capteurs/actuacteurs ne
représenteront jamais qu'un message de 64 bytes.
Comme on l'a déjà dit, les échanges seront en général cycliques et, idéalement,
synchronisés sur le cycle des automates.
Enfin, il est de première importance, pour leur acceptation en milieu industriel,
que les réseaux de capteurs/actuateurs et de terrain puissent être installés,
utilisés, dépannés par le même personnel qui, auparavant installait, utilisait,
dépannait les cartes d'entrées/sorties des automates.
–
niveau cellule
Ce niveau assure les échanges d'informations nécessaires entre automates au sein
d'une cellule.
Sans être aussi exigeant que dans le cas précédent au niveau des temps de
transfert, on attendra cependant, ici encore, des performances temps réel sous
forme de délais de réponse garantis.
Les échanges pourront être cycliques ou événementiels selon les applications.
La mise en œuvre des réseaux de cellule ne devrait pas poser aux concepteurs
d'automatismes beaucoup plus de problèmes que s'ils avaient affaire à un système
de contrôle centralisé.
–
niveau atelier
A ce niveau, le réseau a pour rôle de coordonner le travail des différentes cellules
composant l'atelier. Il en assure la supervision générale, il est capable de
télécharger des programmes dans les automates et de contrôler leur exécution.
La notion de temps est beaucoup moins critique ici.
Le réseau d'atelier concernant encore directement la production, il doit
impérativement rester sous la responsabilité totale des automaticiens. Il faut
cependant être conscient que ceci impliquera en général pour ces derniers, des
efforts de formation non négligeables. Les réseaux d'atelier que l'on trouve sur le
marché (MAP par exemple) ou, plus exactement, les normes ISO qui y sont
utilisées, ont en effet été conçues par des informaticiens et non par des ingénieurs.
La terminologie et les modes de raisonnement utilisés apparaissent dès lors
souvent comme plutôt abscons.
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
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niveaux usine et compagnie
Ces niveaux relèvent directement de l'informatique et nous ne nous y attarderons
donc pas.
REMARQUE :
Il est bien certain que les niveaux présentés à la figure 1.5. ne sont pas
strictement cloisonnés. Ainsi, certains des réseaux de cellule que nous étudierons
par la suite peuvent très bien convenir pour des ateliers simples. D'autres
peuvent parfois "descendre" au niveau terrain et même au niveau
capteurs/actuateurs.
1.4. EVOLUTION DES SOLUTIONS
1.4.1. SOLUTIONS PROPRIETAIRES (années 1980)
Les premières tentatives d'implantation du CIM étaient essentiellement basées sur
des solutions propriétaires. En l'occurrence, ce sont les constructeurs d'automates
programmables qui se sont montrés les plus actifs en la matière. C'est ainsi qu'au milieu
des années 80, on trouvait :
–
au
-
niveau cellule, des réseaux de communication entre automates, par exemple :
DATA HIGHWAY chez Allen-Bradley
SINEC H1 chez Siemens
TELWAY 7 chez Télémécanique
–
au niveau terrain, des réseaux principalement destinés à piloter des blocs
d'entrées/sorties déportées, par exemple :
- REMOTE I/O chez Allen-Bradley
- SINEC L2 chez SIEMENS
- FIPIO chez Télémécanique
–
au niveau atelier et usine, des passerelles vers les principaux réseaux
informatiques du moment :
- DECNET (accès au monde Digital Equipment)
- TCP/IP (accès au monde UNIX).
A ces passerelles devaient évidemment correspondre des librairies développées
spécifiquement pour les ordinateurs concernés (VAX, HP 9000, etc.) permettant à
ces derniers de dialoguer avec les automates.
Ces solutions propriétaires avaient le mérite de l'homogénéité pour autant que
l'utilisateur final acceptât de se lier, quasi pour la vie à un constructeur d'automate
donné et trouvât chez celui-ci toutes les fonctionnalités dont il avait besoin.
Dans le cas contraire, de sérieux problèmes de compatibilité se posaient, soit à
l'utilisateur final, soit à l'ensemblier maître d'œuvre; les constructeurs d'automates se
refusant évidemment à assumer la moindre responsabilité dans des solutions où leur
matériel était associé à du matériel tiers.
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
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1.4.2. LA VOLONTE D'OUVERTURE (années 1990)
Le souhait des utilisateurs serait évidemment de disposer de systèmes de
communication normalisés assurant, aux différents niveaux présentés ci-dessus, une
interopérabilité aussi complète que possible entre équipements de marques et de types
différents. Au niveau terrain et capteurs/actuateurs, c'est même l'interchangeabilité
physique des éléments qui est attendu.
Dans cette optique, des groupements d'utilisateurs se sont constitués avec, pour
but, d'imaginer des systèmes de communication "ouverts" (par opposition à
"propriétaires") et de les imposer aux constructeurs. C'est, au départ, le haut de la
pyramide qui était visé.
La figure 1.6. présente les solutions retenues et disponibles dès le début des
années 90.
–
niveau usine : le FDDI (Fiber Distributed Data Interface) est un réseau à fibres
optiques à haut débit (100 Mbits/s). Son coût et ses performances le destine au
rôle de fédérateur de sous-réseaux ("backbone") comme indiqué à la figure 1.7.
–
niveau atelier : l'étude de la norme MAP a débuté en 1981 et est pratiquement
stabilisée depuis 1989. Elle introduit un concept nouveau pour l'interopérabilité
d'équipements hétérogènes : la messagerie industrielle MMS (Manufacturing
Message Specification).
Celle-ci est basée sur les concepts informatiques
modernes d'objets et de relations clients-serveurs. Elle a d'ailleurs été reprise
sous une forme simplifiée dans le réseau de terrain PROFIBUS (FMS : Fieldbus
Message Specification).
La démarche expliquée ci-dessus ne semble pourtant pas devoir connaître le
succès industriel attendu pour des raisons que nous expliquerons au paragraphe
suivant. Elle a cependant induit chez les utilisateurs une exigence d'ouverture que les
constructeurs ne peuvent plus ignorer désormais.
C'est ainsi que dans le bas de la pyramide, on a vu apparaître des réseaux définis
de fait par des constructeurs d'automates (p. ex. : PROFIBUS, FIP, DEVICENET, ASI) ou
par des constructeurs tiers ( p. ex. : INTERBUS-S, LONWORKS) mais cependant qualifiés
d'"ouverts". En réalité, l'ouverture résulte du fait que les spécifications de ces réseaux et,
le cas échéant, les circuits intégrés associés sont d'emblée placés dans le domaine public,
à la disposition de qui le souhaite.
Comme le montre la figure 1.6., on est cependant encore loin d'un consensus,
chacun essayant évidemment d'imposer sa solution. C'est que l'enjeu est important vu le
nombre potentiel de points de raccordement.
Sur la figure 1.7., on a complété la hiérarchie des communications conformément
aux propositions de la figure 1.6.
Notons qu'aux niveaux terrain et capteurs/actuateurs, différentes configurations
sont possibles selon les cas :
- réseau couvrant les deux niveaux (machine 1)
- réseaux différents pilotés à partir de l'automate (machine 2)
- réseau de capteurs/actuateurs piloté à partir du réseau de terrain par un
adaptateur approprié (machine 3). Nous y reviendrons en détail au chapitre 9.
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
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Compagnie
Usine
Atelier
Cellule
Terrain
Capteurs / Actuateurs
5
4
3
2
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
1
0
ASI BUS
INTERBUS-S
DEVICENET (CAN)
LONWORKS
PROFIBUS
WORLDFIP
CONTROLNET
MAP
on Ethernet
FDDI
Backbone
Réseau public de
Télécommunications
Propositions actuelles
(années 1990)
???
ETHERNET
INTERNET
Evolution probable
(horizon 2000)
Information
NIVEAUX
Equipement
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Figure 1.6. Evolution des solutions en matière de communication
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Compagnie
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COMPAGNIE
4
C ell ul e 1
C el lule 1
C ell ul e 1
C el lule 1
C el lule 1
C ell ul e 1
C ell ul e 1
FDDI
Backbone
C el lule 1
C ell ul e 1
USINE
C el lule 1
C ell ul e 1
C ell ul e 1
C ell ul e 1
C ell ul e 1
C ell ul e 1
Ce l u le 1
C el lule 1
MAP
C el lule 1
P
L
C
Conduite
Contrôle machines
1
P
L
C
Entraînement
Panneau Opérateur
I/O déportées
R
I/O
M
Capteur
P
L
C
Capteur
Capteur
Actuateur
Actuateur
Actuateur
Machine 1
Machine 2
Machine 3
TERRAIN
P
L
C
2
CELLULE
MAP
0
CAPTEUR / ACTUATEUR
ATELIER
C el lule 1
3
Figure 1.7. Hiérarchie des communications envisagées au début des années 90
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
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1.4.3. LES PERSPECTIVES (horizon 2000)
L'échec commercial des réseaux situés dans le haut de la pyramide du CIM et, en
particulier, du réseau MAP, résulte de raisons à la fois internes et externes.
Dans le première catégorie, on rangera le caractère extrêmement ambitieux de la
norme MAP qui a eu pour résultat de ralentir considérablement son élaboration (il a fallu
près de 10 ans pour arriver à une certaine stabilisation) et de donner lieu à des
réalisations matérielles complexes et, partant, fort coûteuses.
Dans le même temps, on assistait à l'évolution foudroyante de la microinformatique. Les besoins dans ce contexte ne pouvaient s'accommoder des lenteurs
d'une normalisation et c'est donc très logiquement un standard de fait qui fut adopté
comme infrastructure de réseaux, à savoir ETHERNET. De plus, l'émergence irrésistible
d'INTERNET consacra rapidement TCP/IP, un autre standard de fait, comme protocole de
communication.
Ces choix étant arrêtés et stimulés par l'importance du marché, les constructeurs
ont pu donner libre cours à leur imagination pour améliorer les systèmes de câblage
(hubs, switching hubs, fibres optiques, ...) et augmenter les vitesses de transmission (100
Mbits/s, 1 Gbits/s annoncé), tout cela à des prix "micro".
Il résulte de cette évolution qu'ETHERNET est en mesure de couvrir efficacement
l'ensemble des besoins en communication, du niveau cellule au niveau usine.
L'utilisation d'INTERNET au niveau compagnie s'intègre parfaitement dans l'ensemble.
Bon gré, mal gré, les constructeurs d'automates ont dû se rendre à l'évidence et la
plupart d'entre-eux proposent maintenant, en standard, une interface ETHERNET
TCP/IP.
On peut regretter que, si pas MAP, du moins MMS, la messagerie industrielle, n'ait
pas survécu à l'aventure car elle apportait une solution à la fois élégante et puissante au
problème d'interopérabilité d'équipements industriels hétérogènes.
D'aucuns préconisent d'ailleurs d'attacher MMS à TCP/IP. C'est pourquoi nous
lui réserverons encore, dans la suite de cet ouvrage, un chapitre particulier.
Il ne faut cependant pas se faire trop d'illusions à cet égard car on assiste
actuellement à une remise en question de l'existence même des automates
programmables. En effet, l'apparition des réseaux de terrain et de capteurs/actuateurs a
rejeté, hors des automates, le traitement des signaux industriels. Ces automates perdent
ainsi une bonne part de leur spécificité et les fonctions qu'il leur reste à assurer
(traitement et communication) peuvent parfaitement être prises en charge par de simples
PC !
L'hétérogénéité des équipements de contrôle s'en trouve ipso facto abolie et il y a
fort à parier que Microsoft, qui commence à s'intéresser de près au marché industriel,
proposera bientôt des solutions intégrées dans l'environnement WINDOWS NT pour le
contrôle distribué des processus industriels.
Cela étant, les réseaux de terrain et de capteurs/actuateurs vont certainement
subsister à côté d'ETHERNET car ils doivent répondre à des impératifs tout à fait
particuliers de connectique, de robustesse, de sécurité, de temps de réponse, de facilité
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
15
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
de mise en œuvre et de maintenance.
L'offre (surabondante) actuelle se simplifiera vraisemblablement en abandonnant
toute prétention sur le niveau cellule.
L'évolution décrite dans ce paragraphe est résumée à la partie droite de la figure
1.6. On n'y retrouve plus, dans l'usine, que deux niveaux de réseaux : le niveau
"information" et le niveau "équipement". Les niveaux fonctionnels du CIM subsistent
bien entendu mais, pour ce qui concerne le haut de la pyramide (de cellule à usine),
l'adéquation aux besoins de chaque niveau est obtenu par la configuration judicieuse
d'un réseau unique (ETHERNET TCP/IP) plutôt que par des réseaux différents. Pour le
bas de la pyramide, il faudra encore quelque temps pour que la situation se décante et
qu'un (ou plusieurs) standard(s) émerge(nt) définitivement.
Le système de communication qui en résulte aura ainsi l'allure montrée à la figure
1.8.
1.4.4. INTERNET DANS L'INDUSTRIE
Une autre évolution en plein essor concerne l'exploitation industrielle des outils
développés dans le cadre d'INTERNET. On remarque en effet que la plupart des
nouveaux automates programmables et de plus en plus d'équipements de terrain
(variateurs de vitesse par exemple) sont dotés d'un serveur WEB et du protocole TCP/IP.
C'est ce qui est schématisé à la figure 1.9.
Le serveur WEB contient des pages HTML (HyperText Mark-up Language) qui sont
donc accessibles à partir de tout ordinateur à l'aide d'un "navigateur" INTERNET tout à
fait standard (Explorer par exemple). La communication peut se faire par le réseau
interne de l'usine (INTRANET) ou, de n'importe quel point du globe, par INTERNET. Le
cas échéant, les équipements peuvent aussi envoyer spontanément des e-mails au
personnel compétent en cas d'anomalie.
Les applications potentielles sont nombreuses : télégestion (réglage de paramètres,
voire modification de programmes), télésurveillance (rapatriement d'alarmes),
télémaintenance (diagnostic de pannes), téléassistance aux opérateurs locaux, etc.
Comme le montre la figure 1.8., les fonctionnalités de contrôle temps réel du
processus restent évidemment assurées par l'intermédiaire de bus de terrain.
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
16
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
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H. LECOCQ
5
COMPAGNIE
4
C ell ul e 1
C ell ule 1
C el lule 1
C ell ul e 1
C el lule 1
Ethernet
Ethernet
TCP/IP
C el lule 1
TCP/IP
C ellule 1
C ell ul e 1
Cell ul e 1
C ell ul e 1
USINE
ETHERNET
SWITCHING HUB
C ell ule 1
C ellule 1
Ethernet
Ethernet
TCP/IP
TCP/IP
C el lul e 1
C el lule 1
C el lule 1
Ce l u el 1
C ell ul e 1
3
Ethernet
SW HUB
TCP/IP
TCP/IP
Conduite
Ethernet
TCP/IP
Contrôle machines
Capteur
F
I
E
L
D
B
U
S
1
P
L
C
Panneau
Opérateur
F
I
E
L
D
B
U
S
P
L
C
I/O déportées
R
I/O
Capteur
Capteur
Actuateur
Actuateur
TERRAIN
P
F
L
C
I
E
L Entraînement
D
M
B
U
S
Actuateur
Machine 1
Machine 2
Machine 3
2
CELLULE
P
L
C
Ethernet
0
CAPTEUR / ACTUATEUR
SW HUB
C el lule 1
ATELIER
C el lul e 1
Figure 1.8. Hiérarchie des communications basée sur une structuration
du réseau Ethernet TCP/IP
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
17
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
F
I
E
L
D
B
U
S
– 2004 –
P
L
C
H. LECOCQ
H
T
M
WEB
SERVER
M
H
T
M
WEB
SERVER
Entraînement
OBJECT A
Cellule 1
OBJECT B
OBJECT D
Capteur
Actuateur
MACHINE
INTERNET
INTRANET
Figure 1.9. Introduction de WEB Serveurs dans les équipements
pour la télégestion et la télémaintenance
Chapitre 1 – CONCEPT CIM (Computer Integrated Management)
18
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Chapitre 2
STRUCTURE D'UN SYSTEME
DE COMMUNICATION
2.1. LES MOYENS DE COMMUNICATION
Comme on sait, l'unité de base en traitement numérique est le bit qui ne peut
prendre que deux valeurs : 0 ou 1.
Pour représenter des informations plus complexes, il est dès lors nécessaire
d'utiliser un codage faisant appel à un groupe ordonné de plusieurs bits. A l'aide d'un
groupe de 8 bits par exemple (= octet = byte), on peut coder une information présentant
un maximum de 28 = 256 états. Les caractères de l'alphabet par exemple sont
généralement codés sur 7 bits (codage ASCII).
La lettre A est représentée par la configuration de bits 1000001.
La lettre a est représentée par la configuration de bits 1100001.
De la même manière, on peut coder des nombres, des mesures, etc.
Pour transmettre des informations ainsi codées, il existe essentiellement deux
techniques : la technique parallèle et la technique série.
2.1.1. COMMUNICATIONS PARALLELES
Tous les bits formant l'information sont transmis en parallèle à l'aide d'autant de
canaux binaires (c'est-à-dire de fils) qu'il y a de bits. C'est la technique utilisée
systématiquement au sein des ordinateurs pour les échanges d'informations entre cartes
processeurs, cartes mémoires, cartes interfaces, etc.
Pour économiser le câblage, les canaux binaires sont généralement exploités en
mode BUS, c'est-à-dire que les mêmes fils servent, à tour de rôle bien entendu, pour les
échanges processeur-mémoire, processeur-interface, interface-mémoire (DMA).
Ce mode d'échange est schématisé à la figure 2.1.a.
Les BUS d'ordinateurs peuvent comporter plusieurs dizaines de fils : 61 pour le
MULTIBUS d'INTEL par exemple. Ils permettent de réaliser des vitesses de transfert
élevées mais les distances permises sont réduites à quelques mètres au maximum. Au
delà, en effet, il faudrait commencer à tenir compte des phénomènes de propagation et
utiliser des canaux binaires à hautes performances (coaxes p. ex.) d'un encombrement et
d'un prix prohibitif.
On peut cependant faire état de quelques systèmes de communications parallèles
utilisés non plus entre cartes d'un ordinateur mais bien entre un ordinateur et des
appareils périphériques.
– le BUS HP-IB développé par Hewlett-Packard au début des années 70 et adopté
comme standard en 1974 sous le sigle IEEE 488. A noter que le standard concerne non
seulement les spécifications électroniques et mécaniques du BUS mais aussi les
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
19
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
procédures d'échange d'informations. Le BUS HP-IB permet d'interconnecter jusqu'à 15
appareils sur une distance maximale de 20 m. Les échanges se font par byte (c-à-dire par
entité de 8 bits) à des vitesses pouvant atteindre 500 Kbytes/s (1 Mbytes/s sur des
distances inférieures à 20 m). Le BUS est matérialisé par 24 fils. Ce moyen de
communication est très largement utilisé en instrumentation et dans les laboratoires.
Des interfaces IEEE 488 sont d'ailleurs disponibles pour la plupart des ordinateurs.
(figure 1.2.b).
– le "standard" CENTRONIC utilisé initialement pour la liaison d'imprimantes aux
ordinateurs. Cette liaison se fait à l'aide de 18 fils sur des distances de 10 m maximum.
[AXELSON, 1996]. Son usage a été étendu à d'autres périphériques (scanners par
exemple).
– le BUS SCSI (Small Computer System Interface) permet de raccorder jusqu'à sept
périphériques à un ordinateur sur des distances maximum de 6 m. Il est couramment
utilisé pour des unités de disques externes, des CD-ROM, etc.
PROCESSEUR
MEMOIRE
Périphériques
Transmission
série
INTERFACE
Périphérique
INTERFACE
Communication
BUS de DONNEE
BUS de CONTROLE
BUS d'ADRESSE
a. BUS d'ordinateur
b. BUS HP-IB (IEEE 488)
Figure 2.1. Communications parallèles
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
20
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
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H. LECOCQ
2.1.2. COMMUNICATIONS SERIES
Les bits formant l'information sont ici transmis en série, c'est-à-dire l'un après
l'autre, à l'aide d'un seul canal binaire (une paire téléphonique par exemple). Ce canal
unique peut dès lors, dans des conditions économiques raisonnables, être doté des
performances de vitesse et de distance souhaitées. C'est bien évidemment sur ce type de
transmission que sont basés les réseaux de communication.
On distinguera plusieurs manières d'agencer les communications séries :
–
type de liaison entre nœuds
- liaison point-a-point (figure 2.2.a) : c'est une liaison physique entre deux et
seulement deux noeuds du réseau.
- liaison multipoint ou multidrop (figure 2.2.b) : c'est une liaison physique partagée
par plus de deux noeuds. La ligne principale est appelée "trunk line"; les lignes de
dérivation "drop lines".
–
modes d'exploitation d'une liaison
- simplex (figure 2.3.a) : Dans ce mode d'exploitation, l'échange d'information se fait
à sens unique. Il ne demande qu'un canal binaire.
- full duplex (figure 2.3.b) : L'échange d'information a lieu simultanément dans les
deux sens. Il nécessite deux canaux binaires. Ceux-ci peuvent être matérialisés
par deux lignes physiques distinctes ou par deux canaux de fréquence sur une
même ligne physique (figure 2.3.c).
- half duplex (figure 2.3.d) : Dans ce dernier cas, la transmission s'effectue dans les
deux sens, mais alternativement, sur un seul canal, par le jeu d'une commutation
émetteur/récepteur. Bien entendu, cette commutation se fait par des moyens
électroniques.
Cette dernière solution trouve tout son intérêt lorsque l'on doit passer par le
réseau public car elle ne nécessite qu'une ligne téléphonique.
A
A
a . P oint à point
B
B
C
b. Mu lt ipoin t
Drop line
Trunk line
Figure 2.2 Type de liaison entre nœuds
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
21
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
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Emetteur
Récepteur
Emetteur
Récepteur
a. SIMPLEX
b. FULL DUPLEX
Récepteur
Emetteur
MODEM
MODEM
Emetteur
Récepteur
Modulateur
f1
Filtre
f2
f1
f2
Filtre
f1
c. Multiplexage de
fréquences
Modulateur
f2
Récepteur
Emetteur
Emetteur
Récepteur
b. HALF DUPLEX
Récepteur
Emetteur
Figure 2.3. Modes d'exploitation d'une transmission série
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
22
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
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2.1.3. RESEAUX DE COMMUNICATION : LAN, WAN, MAN
Dès que plusieurs usagers sont interconnectés par des liaisons séries, on parle de
réseaux de communication. On peut distinguer deux catégories : les réseaux locaux LAN
(Local Area Network) et les réseaux à longue portée WAN (Wide Area Network).
Cette distinction n'est pas réellement une question de distance mais plutôt une
question de réglementation.
En effet, dans la plupart des pays d'Europe, les
communications, de quelque nature qu'elles soient, qui sortent d'un domaine privé sont
régies par les autorités publiques.
On appelle dès lors LAN un réseau de transmission entièrement situé dans un
domaine privé; il y correspond ipso facto une portée limitée, de l'ordre de quelques
kilomètres. C'est essentiellement ce type de réseau qui sera étudié dans la suite de
l'ouvrage.
On appelle WAN un réseau qui s'étend sur le domaine public. Il faut, dans ce cas,
utiliser des équipements fournis (ou du moins agréés) par les pouvoirs publics
compétents ou par leurs concessionnaires et passer par leur infrastructure de
communication. De par la vocation de cette dernière, la portée d'un réseau WAN peut
être étendue de manière quasi illimitée. Par contre, les performances offertes à l'heure
actuelle sont encore relativement limitées. On trouve ainsi (en Belgique) :
–
des lignes du réseau téléphonique public commuté présentant une bande
passante de 300 à 3.400 Hz prévue pour la transmission vocale. Pour pouvoir être
transmises, les données numériques doivent être transformées en données
analogiques par modulation d'une fréquence porteuse (MODEM). Les vitesses de
transmission sont limitées par l'étroitesse de la bande passante à 28.800 bits/s
maximum. La facturation se fait en fonction de la durée de la communication et
de la distance entre les correspondants.
–
des lignes louées c'est-à-dire affectées de manière permanente à un abonné et
regroupant l'équivalent, en bande passante, de plusieurs lignes téléphoniques
simples : vitesse de 64 kbits/s à 2 Mbits/s. La facturation se fait ici en fonction
de la distance et de la bande passante allouée.
–
un réseau public de transmission de données avec commutation par paquets
DCS (Data Communication Service). Dans ce système, il n'existe plus de liaison
directe entre les correspondants comme cela est nécessaire pour la parole.
Chacun dépose ses données par "paquets" dans le réseau et celui-ci se charge de
les
acheminer
vers
le
correspondant.
La facturation ne prend plus en compte, ici, que le volume des données
transmises; la durée et la distance n'interviennent plus. La vitesse est cependant
limitée à 48 kbits/s.
–
un réseau numérique à intégration de service (RNIS ou ISDN en anglais :
Integrated Services Digital Network). Comme son nom l'indique, il s'agit d'un
nouveau type de réseau où toutes les informations sont numérisées, les données
bien sûr, mais aussi la voix. Ces données peuvent être multiplexées sur une
même ligne, ce qui permet à un abonné d'utiliser simultanément jusqu'à huit
équipements au travers d'un raccordement unique (téléphone, fax, microordinateur, ...). D'autre part, la nature informatique des centraux téléphoniques
offre des services annexes multiples : identification de l'appelant, déviation d'appel,
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
23
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
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diffusion multiple, télé-alarme incendie ou effraction, etc.
Le débit de base du RNIS (64 Kbits/s) est cependant assez faible et il risque fort
d'être dépassé avant même que sa mise en place ne se soit généralisée. Ce n'est
certainement pas avec le RNIS que l'on bâtira les "autoroutes de l'information" de
demain.
Pour plus de détails sur les réseaux WAN, on consultera [TANENBAUM, 1992] et
[HALSALL, 1994].
Il existe encore une troisième catégorie de réseaux, les MAN (Metropolitan Area
Network) ou réseaux urbains. Ils sont constitués de câbles coaxes à large bande
passante (400 MHz) et leur utilisation première est la télédistribution. [NUSSBAUMER I,
1987]. Des expériences sont actuellement menées pour permettre aux abonnés de se
connecter à INTERNET par leur intermédiaire avec, évidemment, des performances
largement supérieures à celles du réseau public de communication.
Il s'agit cependant de tentatives isolées qui risquent de rester sans lendemain
étant donnée l'émergence d'une nouvelle technologie, l'ATM (Asynchronous Transfer
Mode). Il s'agit, en gros, d'un RNIS à large bande puisque la vitesse de base est de 155
Mbits/s ! – [HALSALL, 1994] – [FRASER, 1996]. Notons que cette technologie est encore
loin d'être universellement adoptée [STEINBERG, 1996].
2.2. LES RESEAUX LOCAUX
Le développement des WAN est de loin antérieur à celui des LAN. Il s'ensuit que
les premiers LAN (en particulier ceux utilisés dans l'industrie) firent largement appel aux
matériels, procédures et standards développés pour les WAN.
Sous la formidable poussée du marché de la bureautique, les LAN ont cependant
progressivement pris leurs distances vis-à-vis des WAN. Libérés, en effet, des contraintes
décrites au paragraphe précédent, les réseaux locaux ont pu être repensés avec,
uniquement en vue, l'adéquation aux besoins et les performances. Un moment dépassés,
les constructeurs de réseaux industriels ont maintenant entrepris d'intégrer dans leurs
produits les concepts nouveaux apparus en bureautique. Comme on l'a montré au
chapitre 1, le domaine est actuellement en pleine ébullition. Quelques années seront
certainement encore nécessaires pour que la situation se stabilise.
D'une manière générale, les éléments à prendre en compte pour l'évaluation d'un
réseau local sont les suivants :
–
la vitesse de transmission : celle-ci doit être suffisante pour assurer l'ensemble
des échanges d'information entre les nœuds du réseau dans les délais requis par
l'application.
A noter qu'il faut bien faire la différence entre la vitesse brute nominale du réseau
et le temps que prend effectivement l'échange d'un message entre deux
correspondants.
En bureautique, le nombre de nœuds peut être très élevé (quelques centaines
typiquement) ce qui exige des vitesses de transmission élevées (10 Mbits/s
typiquement).
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
24
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
En industriel, le nombre de nœuds sera en général moins élevé; par contre se pose
ici l'exigence du temps réel. Celle-ci stipule qu'un nœud qui a une information
urgente à transmettre (une alarme par exemple) doit pouvoir le faire dans un délai
spécifié garanti (20 ms p. ex.) et cela, quelle que soit la charge instantanée du
réseau.
–
la fiabilité : les communications devraient idéalement se faire avec une fiabilité au
moins aussi bonne que celle des équipements de traitement eux-mêmes. Cette
caractéristique est particulièrement importante dans les applications industrielles.
–
la flexibilité : les systèmes de communication doivent se prêter souplement à des
extensions et à des modifications de la répartition géographique des équipements
de traitement.
–
la disponibilité : constituant l'épine dorsale d'un système de traitement distribué,
le système de communication doit présenter une disponibilité élevée. En
particulier, les extensions et modifications doivent se faire avec une interruption
de service minimale. De même, des défauts locaux doivent pouvoir être isolés
automatiquement sans interruption du service.
–
la transparence : la décentralisation ne doit entraîner, pour l'utilisateur, aucune
complication sur le plan de la programmation. L'accès au système de
communication doit se faire avec un formalisme et à un niveau d'abstraction
cohérents avec le contexte d'utilisation local.
–
le coût : le coût du raccordement à un réseau local (interface, contrôleurs, etc.)
doit, en toute logique, être faible vis-à-vis du coût de l'équipement raccordé. La
baisse continuelle du prix de ces derniers impose, à cet égard, des conditions
particulièrement sévères.
–
la compatibilité : idéalement, un réseau local devrait permettre d'interconnecter
des équipements de tous types et de toutes marques; il devrait également être
capable de se connecter à d'autres réseaux, locaux ou à longues distances (WAN).
Ce dernier point pose la question fondamentale de la standardisation des réseaux.
Le problème du coût évoqué ci-dessus lui est d'ailleurs intimement lié : ce n'est que pour
des standards largement adoptés qu'il sera possible de produire des circuits intégrés de
communication en grande série et donc à faible coût. Nous l'aborderons dans le
paragraphe suivant.
2.3. MODELE OSI DE L'ISO
La conception des systèmes de communication se réfère quasi universellement, à
l'heure actuelle, au modèle OSI proposé par l'ISO au début des années 80.
OSI = Open System Interconnection.
ISO = International Organisation for Standardisation.
Comme montré à la figure 2.4., le modèle préconise d'organiser un système de
communication de manière hiérarchisée, en 7 couches ou niveaux. A chaque niveau
correspond une mission spécifique de mise en forme spatiale et/ou temporelle des
données et de mise en œuvre de procédures de test et de correction. Il s'agit donc, à
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
25
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
l'émission, de transformer un message abstrait et synthétique du niveau utilisateur en
un flot de bits au niveau physique. Réciproquement, à la réception, le flot de bits
incident doit être restitué à l'utilisateur destinataire au même degré d'abstraction et de
synthèse. On retrouve donc ici, la notion de "transparence" mentionnée au point 2.2. : le
but est d'établir un canal de communication virtuel direct entre utilisateurs à leur niveau
d'abstraction. Ces utilisateurs peuvent ainsi tout ignorer du fonctionnement réel du
Usager A
Usager B
Protocole
d'application
Application
Application
Protocole
de présentation
Présentation
Présentation
Protocole
de session
Session
Session
Protocole
de transport
Transport
Transport
Protocole
de réseau
Réseau
Réseau
Liaison de données
Protocole
de liaison de données
Liaison de données
Physique
Physique
système de communication.
Figure 2.4. Architecture stratifiée de l'ISO
Tiré de [NUSSBAUMER, 1991]
Par exemple, l'utilisateur A transférera un fichier FILE à l'utilisateur B par une
simple commande du type :
TRANSFER A : FILE > B : FILE
sans avoir à se soucier aucunement des détails pratiques de la transmission (vitesse,
contrôles, etc.). Cette commande "TRANSFER" est un service mis à la disposition de
l'utilisateur par la couche application du système de communication. Pour remplir ce
service, la couche application mettra en œuvre une certaine procédure appelée protocole
faisant elle-même appel à des services offerts par la couche présentation et ainsi de suite,
de proche en proche.
En d'autres termes, chaque couche du nœud A est en communication virtuelle avec la
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
26
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
couche homologue du nœud B.
La figure 2.5. donne une idée de la manière dont les choses se passent
pratiquement. Trois couches successives quelconques y sont représentées.
UTILISATEUR A
(n+1)PDU
UTILISATEUR B
(n+1)PDU
(n+1)PDU
COUCHE (n+1)
nSAP
nPCI
nSAP
nSDU
nPCI
nSDU
COUCHE n
nPDU
nPDU
(n-1)SAP
nPDU
(n-1)SAP
COUCHE (n-1)
PDU : Protocol Data Unit
SAP : Service Access Point
SDU : Service Data Unit
PCI : Protocol Control Information
Figure 2.5. Mécanisme d'échange de données entre couches homologues du modèle OSI
Les couches homologues échangent des blocs d'informations appelés PDU
(Protocol Data Unit) : exemple la couche (n+1) de l'utilisateur A échange un (n+1) PDU
avec la couche (n+1) de l'utilisateur B.
Pour ce faire, la couche en question utilise des services offerts par la couche
immédiatement inférieure, en l'occurrence n. L'accès à ces services se fait par un point
d'accès appelé SAP (Service Access Point). La valeur de ce SAP est liée à la nature des
services utilisés.
De même, si des services identiques doivent être utilisés
simultanément, il faudra employer des SAP différents car certaines ressources
nécessaires (mémoire tampon par exemple) devront être dupliquées.
Le PDU de la couche n+1 est transmis à la couche n sous la forme d'un SDU
(Service Data Unit). Celle-ci y ajoute un bloc de contrôle propre PCI (Protocol Control
Information) contenant, entre autres, la valeur du nSAP. L'ensemble nPCI et nSDU
forme alors le nPDU, c'est-à-dire le PDU échangé au niveau des couches n.
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
27
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Les avantages de cette organisation hiérarchique des systèmes de communication
sont les suivants :
- elle introduit une structuration propice à la standardisation
- elle crée une indépendance des protocoles supérieurs vis-à-vis des protocoles
inférieurs qui permet de s'adapter facilement aux progrès technologiques (qui
concernent surtout les couches inférieures).
2.3.1. DESCRIPTION DES COUCHES DU MODELE
La figure 2.6. schématise le rôle des différentes couches.
–
COUCHE APPLICATION
Elle réalise l'interface entre le système de communication et l'utilisateur. Elle
fournit à ce dernier des commandes de haut niveau synthétique pour :
- l'échange d'informations
- la signalisation d'erreurs de transmission
- la synchronisation d'applications
–
COUCHE PRESENTATION
Elle convertit le mode de représentation de l'information du niveau application
vers un mode de représentation commun au réseau (codes, structures de fichiers, ...)
–
COUCHE SESSION
Elle réalise la gestion, à haut niveau fonctionnel, du dialogue entre deux
applications :
- établissement de la communication
- gestion des échanges
–
COUCHE TRANSPORT
Elle constitue l'interface entre les aspects informatiques et les aspects
transmissions d'un système de communication. Son rôle est d'assurer le contrôle
bout-en-bout de l'acheminement d'un message entre deux utilisateurs du réseau :
–
segmentation éventuelle des messages en paquets;
contrôle des flux de messages pour éviter la saturation;
réalisation d'une fiabilité hors tout imposée (quelle que soit la qualité du réseau)
sélection d'un réseau dans le cas de réseaux redondants.
COUCHE RESEAU
Elle s'occupe des problèmes de routage des messages au travers du réseau de
communication. Cette couche forme un rôle primordial dans les réseaux publics en
général très ramifiés tel INTERNET. Par contre, elle est plutôt réduite dans les réseaux
locaux dont la topologie est en général fort simple.
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
28
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 2.6. Rôle des différentes couches du modèle ISO
–
COUCHE LIAISON DE DONNEES
Elle assure la transmission correcte sur la ligne d'un message entre deux nœuds
du réseau. On la divise généralement en deux sous-couches.
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
29
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
* LLC (Logical Link Control) qui prend en charge :
- la sérialisation/désérialisation de l'information;
- la mise en œuvre de codes détecteurs d'erreur;
- la synchronisation au niveau des messages;
* MAC (Medium Access Control) qui s'occupe du contrôle d'accès au réseau.
–
COUCHE PHYSIQUE
Elle réalise le couplage électromécanique avec la ligne de transmission :
- synchronisation au niveau des bits;
- modulation éventuelle (MODEM);
- contrôle de qualité du signal:
REMARQUE :
Selon les réalisations, les couches définies ci-dessus peuvent être plus ou
moins sophistiquées. Ce qui est sûr, par contre, c'est que pour qu'une
communication soit possible, il est indispensable que les sept couches
soient identiques chez tous les interlocuteurs.
2.3.2. PROTOCOLES DE BOUT-EN-BOUT ET PROTOCOLES RELAIS
Les protocoles des couches "transport" et supérieures sont appelés protocoles de
bout-en-bout (peer-to-peer) dans la mesure où ils concernent uniquement le nœud
d'origine et le nœud de destination d'un transfert d'information.
Les autres protocoles peuvent éventuellement intervenir pour propager
l'information de nœud en nœud à travers le réseau. C'est en principe le cas de tous les
réseaux où une forme de routage existe. Dans ce cas, l'information qui transite par les
nœuds relais reste dans les couches inférieures et ne "remonte" pas vers les utilisateurs
des nœuds en question.
Cette situation est symbolisée à la figure 2.7.
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
30
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
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Couche
H. LECOCQ
système relais
Application
Application
Présentation
Présentation
Session
Session
Transport
Transport
Réseau
Liaison
de données
Physique
Réseau
Liaison
de données
Physique
Réseau
Liaison
de données
Physique
support physique OSI
Figure 2.7. Protocoles bout-en-bout et protocoles relais
2.3.3. PROTOCOLES AVEC ET SANS CONNEXION
Un protocole est dit avec connexion si l'envoi d'information d'un nœud à un autre
doit être précédé d'un dialogue destiné à contrôler la présence du correspondant et sa
capacité à recevoir des messages. Il y a ainsi, en quelque sorte, ouverture d'un canal de
communication entre les nœuds en question. Ce canal restera établi pendant toute la
durée des échanges et sera ensuite fermé, pour libérer les ressources mobilisées, par un
dialogue dual de celui d'ouverture.
L'analogie du réseau téléphonique permet de bien comprendre le principe : avant
de pouvoir parler avec un correspondant, l'usager doit former le numéro de téléphone de
ce dernier et attendre qu'il décroche, s'il est présent. Dans cet exemple, le canal de
communication a une existence physique. Avec les réseaux, il s'agira plutôt de canaux
"virtuels" mais la philosophie reste la même.
Un protocole est dit sans connexion si les messages destinés à un correspondant
sont envoyés dans le réseau sans vérification préalable de la disponibilité dudit
correspondant.
On peut ici faire l'analogie avec les service postal : quand une lettre est déposée dans une
boîte postale, on n'a aucune information immédiate sur la bonne fin de sa réception.
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
31
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Dans le modèle OSI, on rencontrera simultanément des couches fonctionnant avec
des protocoles sans connexion et d'autres avec des protocoles avec connexion. Les
protocoles réseaux relèvent souvent de la seconde catégorie tandis que les protocoles de
transport appartiennent de préférence à la première. La justification de ces choix
sortirait du cadre du cours.
Des exemples bien connus de tous peuvent cependant être mentionnés qui
concernent la couche application :
– la messagerie électronique (e-mail) est typiquement un protocole sans connexion
(SMTP = Simple Mail Transport Protocol)
– la "navigation" sur le Web, au contraire, met clairement en œuvre un protocole avec
connexion (HTTP = HypperText Transfer Protocol).
2.3.4. NORMALISATION
Comme indiqué ci-dessus, le modèle OSI sert actuellement de référence aux
travaux de normalisation.
La figure 2.8. présente les principaux organismes de normalisation et la portée de
leurs travaux.
Le CCITT s'intéresse essentiellement aux réseaux publics. Pour ce qui est des
réseaux locaux, les couches hautes ont été traitées par l'ISO tandis que les couches
basses sont du ressort de l'IEEE.
Il est également édifiant de présenter, en regard d'un réseau normalisé comme
MAP, quelques réseaux non normalisés couramment utilisés en pratique (figure 2.9.). On
peut sans peine imaginer le casse-tête que représente l'interopérabilité dans un tel
contexte.
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
32
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
OSI LAYER
EIA
– 2004 –
IEEE
H. LECOCQ
NBS
ISO
7
APPLICATION
ISO
FILE
XFER
6
PRESENTATIO
N
ISO
PRESENT.
PROTOCOL
5
SESSION
ISO
SESSION
PROTOCOL
4
TRANSPORT
ISO
Class 2,4
TRANSPORT
PROTOCOL
3
NETWORK
2
DATA LINK
INTERNET
HDLC
802
LAN
1
OSI
EIA
IEEE
NBS
ISO
CCITT
CEI
PHYSICAL
:
:
:
:
:
:
:
RS 232
RS 449
CCITT
↑
X.25
⏐
⏐
⏐
↓
X.21
V.24
Open System Interconnection
Electronic Industries Association
Institut of Electrical and Electronics Engineers
National Bureau of Standards
International Organisation for Standardisation
Comité Consultatif International pour le Télégraphe et le Téléphone
Commission Electrotechnique Internationale
Figure 2.8. Aperçu des travaux de normalisation
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
33
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
Nom
du réseau
ou du stack
de protocoles
MAP 3.0
– 2004 –
couche
7b
7a
6
5
4
ISO
MMS
…
ISO
ACSE
ISO
Présentation
Kernel
ISO
Session
Kernel
ISO
Transport
Class IV
NETBIOS
vide
SINEC
SINEC
AP/TF
TF
SINEC
L1
SINEC
L2
NOVELL
NET
3
TCP
ISO
Transport
Class IV
SINEC AP
Siemens
2b
ISO
Connexionless
Network
IEEE
Protocol
802.2
IEEE
802.2
NETBIOS
FTP
TELNET
TFTP
…
TCP/IP
H. LECOCQ
IP
2a
1
IEEE
Broadband
802.4
Carrierband
IEEE
10 base 5
802.3
10 base 2
IEEE
802.3
802.5
…
…
…
…
Diverses possibilités
ISO
Connexionless IEEE
Network
802.2
Protocol
IEEE
10 base 5
802.3
F.O.
RS485
9,6 kbps
Siemens
vide
SINEC-L2
Transport
Siemens
Inactif
DIN 19245 part 1
RS485
Modem FSK
Diverses
possibilités
Netware
DECNET
DEC
DATAHIGH
WAY II
DATAHIGH
WAY PLUS
Allen-Bradley
Allen-Bradley
UNITELWAY
UNI-TE
Télémécanique
X-WAY
UNITELWAY
LINK
RS485
9,6 kbps
TELWAY
LINK
UNI-TE
Télémécanique
X-WAY
TELWAY
LINK
10 V – diff
19,2 kbps
MAPWAY
UNI-TE
Télémécanique
X-WAY
IEEE
802.2
IEEE
802.4
Carrier
Band
Figure 2.9. Structure de quelques réseaux courants non normalisés
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
34
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
2.4. COUCHES INTERESSANT L'UTILISATEUR FINAL
Dans la mise en œuvre d'un système de communication, l'utilisateur final est
principalement concerné par les couches supérieures et inférieures :
–
la couche application, car c'est par elle qu'il accède au système de communication
–
les couches liaison de données et physique (sans oublier le support physique des
transmissions parfois appelé couche 0) car ce sont elles qui conditionnent les
performances du réseau ainsi que les problèmes pratiques d'installation (câblage).
Notons également que, sans aller jusqu'à concevoir des réseaux de
communication, l'utilisateur industriel est souvent amené à réaliser lui-même des
liaisons informatiques simples avec des équipements qui ne disposent pas de moyens de
communication évolués (automates, robots ou autres CNC).
Pour ce faire, une
connaissance minimale des outils proposés dans les couches 1 et 2 peut s'avérer très
utile.
C'est dans cet esprit que les chapitres 3 à 6 de cet ouvrage ont été rédigés.
Chapitre 2 – STRUCTURE D'UN SYSTEME DE COMMUNICATION
35
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Chapitre 3
SUPPORT PHYSIQUE
ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
Notons que les circuits de transmission relèvent déjà de la couche physique du modèle
OSI.
3.1. LIAISONS METALLIQUES
On regroupe, dans cette catégorie, les supports physiques constitués de
conducteurs électriques.
3.1.1. PAIRES OUVERTES
Cette solution simple (figure 3.1.a.) consiste en deux fils isolés placés côte à côte.
Elle est en général utilisée pour des liaisons multiples (cf. § 3.4.1.), l'un des fils servant
de masse commune.
Ce type de support ne permet que des liaisons à faible distance (15 m maximum)
et à faible vitesse (19,2 Kbits/s) pour les raisons suivantes :
–
les fils étant séparés, les perturbations électromagnétiques ambiantes les affectent
différemment et se marquent donc dans le signal reçu
–
d'autre part, si plusieurs signaux sont véhiculés simultanément sur des fils
différents avec une masse commune, il se produit des interférences entre signaux
par couplage capacitif et résistif (crosstalk).
3.1.2. PAIRES TORSADEES (twisted pair)
Les fils véhiculant les signaux sont cette fois torsadés par paires (figure 3.1.b.) et
se trouvent de ce fait très proches l'un de l'autre. Les perturbations sont dès lors captées
quasi identiquement par les deux fils et, comme la réception se fait généralement de
manière différentielle (cf. § 3.4.2.), leur influence sur le signal reçu est considérablement
réduite. Le même raisonnement s'applique au crosstalk entre d'éventuelles paries
voisines dans un même câble.
On peut encore améliorer la situation en entourant chaque parie d'un blindage
métallique, on parle alors de shielded twisted pair (STP) tandis que ci-dessus il s'agissait
d'unshielded twisted pair (UTP).
La paire torsadée est le support physique de loin la plus utilisée actuellement dans
les réseaux locaux pour sa facilité d'installation et ses performances tout à fait
honorables.
Exemple : 100 m à 10 Mbits/s (ETHERNET 10 BASE T).
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
36
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Les performances dépendent en fait de différents facteurs [VINCENT, 1997] les
principaux étant la résistance linéique des conducteurs ainsi que la nature et la
structure de l'isolant. (cf. § 3.3.)
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
37
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
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H. LECOCQ
Figure 3.1. Supports physiques des transmissions
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
38
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
On classe les câbles en 5 catégories selon leur bande passante (et leur prix)
[CUNNINGHAM, 1995] :
Catégorie
Catégorie
Catégorie
Catégorie
Catégorie
1
2
3
4
5
:
:
:
:
:
téléphonie classique
téléphonie numérique (RNIS)
16 MHz – convient pour ETHERNET 10 Base T ( et 100 Base T4)
20 MHz – convient pour ETHERNET 100 Base T4
100 MHz – convient pour ETHERNET 100 Base TX
3.1.3. COAXES
–
Coaxes à faible diamètre (± 0.5 cm)
Ce type de coaxe offre une bande passante relativement importante et une
flexibilité mécanique qui en rend la pose assez facile. Il présente de meilleures
performances que les paires torsadées et surtout, par construction, une meilleure
immunité aux parasites (figure 3.1.c.)
Exemple :
–
200 m à 10 Mbit/s (ETHERNET 10 BASE 2)
Coaxes à gros diamètre (± 1 cm)
Leur bande passante de plus de 400 MHz les destine aux transmissions à large
bande (voir § 3.5.). L'installation de ce type de câble est assez malaisée et s'apparente
plus à de la plomberie qu'à de l'électricité.
Exemple :
500 m à 10 Mbit/s (ETHERNET 10 BASE 5)
3.2. LA FIBRE OPTIQUE
La fibre optique représente très certainement une solution pleine de promesses
pour la transmission de données en milieu industriel :
–
–
–
–
immunité totale aux parasites électromagnétiques
isolation galvanique parfaite
bande passante très élevée
taux d'erreur très faible (10–9 !) ce qui permet en principe de simplifier les méthodes de
détection.
Les raisons qui limitent encore l'utilisation des fibres optiques tiennent
essentiellement aux difficultés mécaniques de connexion et de dérivation de câbles à fibre
optiques. C'est pourquoi la plupart des applications actuelles se limitent à des liaisons
point-à-point.
Le principe d'utilisation d'une fibre optique consiste à transformer l'information à
transmettre en impulsions lumineuses, à envoyer celles-ci dans la fibre et, à la réception,
à reconvertir les impulsions lumineuses en impulsions électriques.
On peut à ce stade distinguer deux technologies :
–
fibres monomodes
Il s'agit de fibres très minces (5 - 10 µm) dans lesquelles la lumière se propage
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
39
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
sans réflexion. L'émission se fait par laser et la réception par diode à avalanche. Les
vitesses de transmission peuvent atteindre plusieurs GHz ! Le coût des équipements
limite cependant l'utilisation des fibres monomodes aux applications de
télécommunication.
–
fibres multimodes
On utilise ici des fibres plus grosses (qq. 100 µm) où la transmission s'accompagne
de réflexions (cf. figure 3.1.d.). Le signal émis est de ce fait transmis selon une multitude
de chemins optiques de longueurs différentes ce qui provoque finalement un étalement
du signal reçu. Il en résulte une bande passante considérablement plus réduite que dans
le cas précédent mais qui, par contre, s'accommode de l'utilisation de diodes
électroluminescentes (LED) à l'émission et de plototransistors à la réception. La
conséquence en est un coût tout à fait compétitif par rapport aux solutions
traditionnelles.
Ce sont essentiellement les fibres multimodes qui sont utilisées dans les réseaux
locaux.
On peut encore distinguer deux catégories :
– fibres à saut d'indice de réfraction : (figure 3.2.a)
C'est le cas représenté à la figure 3.1.d.
– fibres à gradient d'indice de réfraction (figure 3.2.b)
On essaye ici de compenser la dégradation du signal de sortie en donnant aux
rayons lumineux une vitesse d'autant plus grande (indice de réfraction plus faible) que le
chemin qu'ils suivent est plus long.
Le tableau de la figure 3.2.c montre l'efficacité de cette manière de faire.
Exemple :
2 km à 10 Mbit/s
(ETHERNET 10 BASE FL)
3.3. FACTEURS LIMITANT LES PERFORMANCES
Si nous en revenons aux liaisons métalliques, rappelons qu'une ligne peut être
considérée comme la mise en série de quadripôles élémentaires du type montré à la
figure 3.3. et présentant :
–
–
–
–
une
une
une
une
résistance par unité de longueur R
induction par unité de longueur L
capacité par unité de longueur C
perditance par unité de longueur G
Il en résulte qu'un signal émis en début de ligne va se retrouver considérablement
déformé à l'arrivée comme illustré à la figure 3.4.
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
40
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
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H. LECOCQ
n0
n1
n1
n2
100 µm
n2
50 µm
ENVELOPPE
COEUR
a. Fibre à saut d'indice
Type de fibre
b. Fibre à gradient d'indice
Diamètres
(cœur-enveloppe)
(microns)
Atténuation
(dB/km)
(à 850 nm)
N.A.
Bande passante
(MHz.km)
(à 850 nm)
100 – 140
4
0.21
20
200 - 280
4
0.21
10
200 - 380
8
0.40
10
50 – 125
3
0.21
400
Multimode à saut d'indice
a) silice-silice
b) silice-matière plastique
(résine de silicone)
Multimode à gradient d'indice
silice-silice
c.
Figure 3.2. Comparaison des performances des fibres à saut à gradient d'indice
Tiré de [BLONDEL, 1984]
Figure 3.3. Elément de ligne
Les phénomènes qui interviennent dans cette détérioration sont les suivants :
–
l'atténuation : due aux pertes ohmiques; elle diminue l'amplitude des signaux
reçus et cela, indépendamment de la vitesse de transmission.
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
41
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
–
– 2004 –
H. LECOCQ
le bruit : les parasites électromagnétiques affectent nécessairement toute ligne de
transmission métallique avec plus ou moins d'intensité selon les solutions
adoptées (cf. § 3.1).
Ces deux premiers phénomènes introduisent une limite absolue sur la longueur
d'une ligne : il faut que les signaux soient détectables sans ambiguïté compte tenu du
bruit de fond.
Figure 3.4. Sources de détérioration d'un signal
Tiré de [HALSALL, 1994]
–
la bande passante limitée : la présence d'éléments capacitifs et inductifs limite la
bande passante d'une ligne. Cela signifie que les hautes fréquences vont être plus
atténuées que les basses fréquences. Il en résulte que les flancs verticaux des
signaux, auxquels correspondent des hautes fréquences, sont adoucis et que les
temps de montée augmentent.
–
les délais de propagation : on peut démontrer (mais cela sortirait du cadre de ce
cours) que les fréquences constitutives d'un signal se propagent à des vitesses
différentes le long d'une ligne. Il s'ensuit une dissymétrie dans le signal reçu. De
plus, les fréquences les plus "rapides" d'un bit risquent d'interférer avec les
fréquences les plus "lentes" du bit précédent, si l'écart entre deux bits émis est
trop court.
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
42
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Les deux derniers phénomènes introduisent une limite sur la longueur d'une ligne
qui dépend de la vitesse de transmission. En l'occurrence, la règle de bonne pratique
consiste à garder la somme des temps de montée et de descente d'un bit reçu inférieure à
la moitié de la durée nominale du bit [McNAMARA, 1979]. Cela signifie qu'il reste au
moins une zone "plate" équivalente à la moitié de la durée nominale du bit, ce qui permet
d'en déterminer la valeur avec une fiabilité suffisante.
3.4. LES CIRCUITS DE LIGNE
Les circuits TTL classiques ne conviennent pas pour envoyer des signaux en ligne
car les puissances disponibles sont en général trop faibles et leurs impédances d'entrée
et de sortie non linéaires ne permettent pas de s'adapter aux impédances
caractéristiques des lignes.
Des circuits spéciaux ont donc été développés, les émetteurs et récepteurs de ligne
(line drivers and receivers).
Nous parlerons ci-dessous de ceux qui ont fait l'objet d'une normalisation : RS
232, RS 423, RS 422 et RS 485.
Nous rappellerons également le principe des
transmissions en boucle de courant.
3.4.1. EMETTEURS/RECEPTEURS RS 232 ET RS 423
La figure 3.5.a. montre le principe d'utilisation des émetteurs/récepteurs RS-232.
On remarquera qu'il s'agit d'une transmission unifilaire (retour commun
émetteur/récepteur) ce qui est très défavorable pour l'immunité au bruit et la diaphonie
comme expliqué au paragraphe 3.1.1.
La norme limite les vitesses à 20 K bauds sur des distances n'excédant pas 15 m.
En pratique, on peut aller nettement plus loin (cf. figure 3.6.), mais les performances
restent néanmoins médiocres.
La norme RS 423 est une version améliorée de la norme RS 232 mais elle en garde
les principaux inconvénients.
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
43
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Figure 3.5. Transmissions directes sans MODEM
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
44
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3.4.2. EMETTEURS/RECEPTEURS RS 422
Cette norme plus récente a vraiment été conçue en vue de transmissions directes
sur lignes comme le montre la figure 3.5.b. Les émetteurs/récepteurs se caractérisent
par un travail en différentiel permettant d'attaquer des lignes bifilaires adaptées
(résistance R)
Les performances correspondantes sont indiquées à la figure 3.6.
3.4.3. TRANSMISSION EN BOUCLE DE COURANT
La boucle de courant (20 ou 60 mA) a été conçue, au départ, pour la liaison des
télétypes électromécaniques aux ordinateurs. Elle reste un moyen de transmission de
performances modestes (figure 3.6.), mais qui bénéficie d'un certain nombre d'avantages :
–
les interfaces sont couramment disponibles, tant du côté ordinateurs que
périphériques (ce qui n'est pas encore le cas de la norme RS 422)
–
la transmission est symétrique et présente donc une bonne immunité aux bruits.
Les désavantages de la boucle de courant sont les suivants :
–
elle n'a fait l'objet d'aucune normalisation, ni du point de vue électrique, ni du
point de vue mécanique. Chaque utilisateur définit donc lui-même son mode de
connexion, avec les problèmes de compatibilité que l'on devine.
–
cette compatibilité est encore compliquée par le fait qu'il faut chaque fois choisir la
localisation (à l'émetteur ou au récepteur) de la source de courant nécessaire à
l'alimentation de la boucle.
La figure 3.5.c. schématise l'organisation d'une transmission en boucle de
courant.
On notera qu'avec la boucle de courant, la limite absolue de distance est
repoussée beaucoup plus loin que dans le cas des transmissions en tension. En effet, ce
n'est plus la résistance des conducteurs qui provoque l'atténuation du signal reçu
(représenté par la valeur d'un courant) mais bien la perditance (cf. § 3.3.) c'est-à-dire, en
fait, les fuites dans l'isolant. Celles-ci sont en général extrêmement faibles.
Par contre, les vitesses de transmission sont limitées par le fait qu'avant
d'apparaître au récepteur le courant (très limité) fourni par l'émetteur doit charger
complètement la capacité de ligne.
REMARQUE :
Les circuits de ligne décrits aux paragraphes précédents possèdent tous
deux canaux binaires, un pour l'émission et un pour la réception. Ils
sont prévus pour réaliser des liaisons point-à-point en mode full-duplex.
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
45
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Figure 3.6. Transmissions directes. Comparaison des performances. [McNAMARA, 1979]
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
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3.4.4. EMETTEURS/RECEPTEURS RS 485
Les circuits RS 485 utilisent les mêmes standards de signaux que les circuits RS
422 (et ont des performances similaires) mais ils ont la particularité que l'émetteur peut
être virtuellement désactivé par un signal de commande approprié (en fait, il est placé
dans un mode à haute impédance).
Comme montré à la figure 3.7., ils permettent donc de réaliser des liaisons pointà-point et multipoints en mode half-duplex en n'utilisant qu'un seul canal binaire (c'està-dire deux fils).
Pour cette raison, les circuits RS 485 sont utilisés comme couche physique dans
beaucoup de réseaux locaux.
REMARQUE : Tous les circuits de ligne décrits dans le paragraphe 3.4. possèdent des
versions à isolation galvanique par opto-couplage.
Celles-ci sont
hautement recommandées pour des liaisons à longue distance afin de se
prémunir contre les problèmes de mode commun (différence de tension
existant entre la "terre" d'équipements géographiquement éloignés).
Figure 3.7. Utilisations possibles du circuit de ligne RS 485
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
47
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3.5. MODULATION
La figure 3.8. présente les principaux types de modulation utilisés dans les
réseaux locaux.
Figure 3.8. Principaux types de modulation
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
48
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3.5.1. BANDE DE BASE (Baseband)
Dans ce type de transmission, le signal utile est directement envoyé en ligne sans
transposition de fréquence. Les équipements de transmission associés sont de ce fait
simples et peu onéreux. Par contre la capacité de la ligne est en général sous-utilisée.
C'est en particulier le cas lorsque l'on utilise des coaxes en bande de base (à 10 Mbits/s
par exemple) alors que leur bande passante est de 300-400 Mhz !
Les circuits de ligne décrits au paragraphe 3.4. relèvent tous de cette catégorie.
3.5.2. FREQUENCE PORTEUSE (Carrier band)
Le signal utile module cette fois une fréquence porteuse par l'intermédiaire d'un
MODEM (MODulateur DEModulateur). Le recours à une fréquence porteuse est parfois
indispensable pour faire passer des données numériques dans une fenêtre de fréquence
déterminée.
C'est typiquement le cas lorsque l'on utilise une ligne téléphonique
commutée puisque celle-ci présente une bande passante de 300 à 3.400 Hz. La porteuse
sera choisie au milieu de cette plage.
Certains réseaux locaux utilisent également une fréquence porteuse mais pour
d'autres raisons. C'est qu'en choisissant cette fréquence en dehors du spectre des
parasites industriels, on obtient une meilleure immunité au bruit que dans le cas de la
bande de base.
Le principe des MODEM sera présenté au chapitre 4.
Notons d'ores et déjà qu'il existe plusieurs types de modulation de la porteuse
comme cela est montré à la figure 3.9. :
–
modulation d'amplitude AM (Amplitude Modulation)
–
modulation de fréquence FSK (Frequency-Shift Keying)
–
modulation de phase PSK (Phase-Shift Keying)
Les deux dernières méthodes sont évidemment beaucoup moins sensibles aux
parasites électromagnétiques que la première.
3.5.3. LARGE BANDE (Broadband)
En utilisant plusieurs fréquences porteuses judicieusement réparties dans la
bande passante, on peut créer l'équivalent de plusieurs canaux de communications sur
un seul support physique. C'est ce qui est schématisé à la figure 3.3. Ce procédé
permet même de transmettre simultanément des données, des communications
téléphoniques, des images TV (cf. figure 3.10.). Evidemment, les équipements de
transmission sont ici plus complexes et plus coûteux.
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
49
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
A titre d'exemple, sur un câble ayant une bande passante de 300 MHz on peut
placer simultanément :
50 signaux vidéo (6 MHz par signal)
ou
25 réseaux à 10 Mbits/s (12 MHz par réseau)
ou
5.000 communications vocales (60 kz par communication)
ou
un mélange des précédents.
Figure 3.9. Types de modulation
Tiré de [HALSALL, 1994]
A la fin des années 1980, un courant s'était dessiné en faveur de l'emploi de la
modulation large bande pour les communications industrielles, avec l'émergence du
protocole MAP (voir chapitre 7).
En fait, la solution a été rapidement abandonnée en raison des difficultés
d'installation, de réglage de diagnostic et de maintenance des équipements nécessaires,
sans parler du coût de ceux-ci.
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
50
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Figure 3.10. Illustration des possibilités d'une transmission à large bande
Chapitre 3 – SUPPORTS PHYSIQUES ET CIRCUITS DE TRANSMISSION
51
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Chapitre 4
SERIALISATION DE L'INFORMATION
ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
Les notions présentées dans ce chapitre relèvent pour une part de la couche
liaison de données du modèle OSI (sérialisation) et pour une autre part de la couche
physique (MODEM).
On a cependant jugé utile de les regrouper car elles ont des implications assez
directes les unes sur les autres.
4.1. TRANSMISSIONS ASYNCHRONES
4.1.1. PRINCIPE DE LA SERIALISATION/DESERIALISATION
La sérialisation/désérialisation de l'information se fait par un dispositif (circuit
intégré) appelé USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) qui
constitue le cœur des cartes d'interface de communication série. Son fonctionnement de
principe est montré à la figure 4.1.
Emission : en chargeant le registre à décalage RD, le calculateur provoque
automatiquement sa mise en mouvement sous le contrôle de l'horloge H qui définit le
rythme de la transmission (Baud rate). Le registre RD place ainsi successivement les bits
du mot à émettre sur la ligne série de sortie.
Notons que l'information utile se complète d'un bit de démarrage (BD = 1), d'un bit
de parité éventuel (BP) et de un ou deux bits d'arrêt (BA = 0). La présence de ces bits BD
et BA permet de réaliser une transition (1 → 0) en début d'émission qui servira à
synchroniser le récepteur. L'allure qui en résulte pour le message sérialisé est montrée à
la figure 4.1.b. Lorsque le nombre de bits prévu a été émis le processus est arrêté et un
flag de fin d'émission est enclenché indiquant au calculateur la bonne fin du transfert (ce
flag peut, par exemple, servir à provoquer une demande d'interruption).
Réception : à la réception, la ligne série est testée en permanence. Dès qu'une
transition (1 → 0) est détectée, les bits incidents sont dirigés vers un registre à décalage
sous le contrôle de l'horloge H. Lorsque le nombre de bits prévu a été reçu, le processus
est arrêté en même temps qu'un flag de fin de réception est enclenché (provoquant par
exemple une interruption). Le calculateur a alors le loisir de procéder à la lecture du mot
reçu, provoquant automatiquement le réarmement du système.
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
52
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 4.1. Principe fonctionnel d'un USART
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
53
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
REMARQUES
*
Le Baud rate définit la vitesse de modulation telle que fixée par l'horloge H. Dans le
cas présent, elle correspond à la vitesse de transmission exprimée en bit/s. Nous
verrons plus loin que ce n'est pas toujours le cas.
*
Les valeurs usuelles du Baud rate en transmission asynchrone sont : 50, 75, 110,
134.5, 150, 300, 600, 1.200, 1.800, 2.000, 2.400, 3.600, 4.800, 7.200, 9.600 et
19.200.
*
Le nombre de bits utiles d'un message (encore appelé "caractère") peut être choisi
parmi les valeurs 4, 5, 6, 7 et 8.
*
Le nombre de bits d'arrêt (STOP BITS) peut être fixé à 1, 1.5, 2. (Il s'agit en fait d'un
délai entre deux caractères successifs).
*
Pour le contrôle de parité, les options sont les suivantes :
NONE
:
pas de bit de parité
SPACE
:
bit de parité toujours à 0
MARK
:
bit de parité toujours à 1
EVEN
:
parité paire : le bit de parité est positionné de sorte que le nombre de
bits à 1 du message soit pair
ODD
:
parité impaire : cas inverse du précédent.
Signal BREAK : le signal BREAK consiste à envoyer en ligne des bits pendant un
temps supérieur à l'envoi d'un caractère normal (plus les bits de contrôle). Les USART
sont en général capables d'engendrer un tel signal et de le détecter. Dans ce dernier cas,
un flag est positionné qui peut être exploité par l'ordinateur (en provoquant une
interruption par exemple). Ce signal est souvent utilisé pour des initialisations.
Notons enfin qu'outre l'USART, les cartes d'interface série comportent
généralement encore les circuits de contrôle et d'amplification relatifs à la norme EIA
RS232 (= CCITT V24) permettant, par exemple, d'attaquer un MODEM standard (voir
paragraphe 4.5.)
4.1.2. LIMITATIONS DES TRANSMISSIONS ASYNCHRONES
Comme on l'a vu au paragraphe précédent la sérialisation des données (à
l'émetteur) et leur désérialisation (au récepteur) se font à partir de deux horloges
distinctes. Bien entendu, ces horloges sont réglées sur une même fréquence nominale
(Baud rate) mais il est bien certain que de légères différences sont inévitables.
Pour comprendre les inconvénients de cette situation, il est nécessaire de détailler
quelque peu la manière dont un bit incident est détecté avant d'être introduit dans le
registre à décalage.
Comme le montre la figure 4.2.a, on utilise en fait une horloge 16 fois plus rapide
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
54
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
que le "Baud rate" pour échantillonner le signal arrivant au récepteur.
Dès que la transition de départ est détectée, on procède à un échantillonnage
après 8 temps de l'horloge rapide, c'est-à-dire en principe au milieu du bit; la valeur
trouvée à ce moment détermine la valeur attribuée au bit reçu et est envoyée dans le
registre à décalage. On procède ensuite à un nouvel échantillonnage après 16 temps
d'horloge et ainsi de suite.
Sur la figure 4.2, on a introduit une différence grossière entre les fréquences
d'émission et de réception : ainsi, après 3 bits seulement, on assiste à une
désynchronisation totale de l'émetteur et du récepteur, ce qui conduit à un signal reçu
complètement erroné.
La réalité n'est pas si défavorable, mais le problème n'en subsiste pas moins. La
conclusion est que la longueur d'un message asynchrone doit obligatoirement être
limitée. En pratique, on ne dépasse pas 10 bits. Sur ces 10 bits, il y a deux (parfois trois)
bits de "service" (départ et arrêt) si bien que le rendement d'une transmission asynchrone
est limité à 80 %.
C'est là le principal reproche que l'on peut faire à ce type de transmission avec,
aussi, une sensibilité aux distorsions due à la manière "aveugle" dont est réalisée la
désérialisation. En effet, toute la réception est basée sur la détection du START bit. Si
celui-ci est déformé, c'est la détection de tous les autres bits qui en sera affectée.
4.2. TRANSMISSIONS SYNCHRONES
Dans le cas de transmissions synchrones la désérialisation s'effectue à partir
d'une horloge synchrone avec celle de l'émetteur. On procède ici aussi à un
échantillonnage au milieu des bits, mais, cette fois, sans aucune ambiguïté (cf. figure
4.2.b).
Le problème consiste évidemment à amener au récepteur, l'horloge de l'émetteur.
Cela peut se faire de deux manières :
–
par voie directe, à l'aide d'une ligne spéciale (courtes distances).
–
par synchronisation permanente de l'horloge du récepteur sur base des transitions
existant dans le signal reçu. Encore faut-il qu'il en contienne suffisamment. Nous
verrons, au paragraphe suivant des méthodes pour y parvenir.
Cela étant, on peut envoyer des messages contenant un nombre en principe
quelconque de bits avec donc un meilleur rendement potentiel de la transmission.
Un autre problème qui se pose alors est la synchronisation au niveau des
messages : comme il n'y a plus ici de bits de démarrage et d'arrêt, il importe de trouver
un autre moyen d'informer le récepteur du début et de la fin d'un message utile. Cette
forme de synchronisation relève des protocoles de liaison de données que nous
examinerons au chapitre 5.
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
55
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
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Figure 4.2. Transmissions séries. Principe de la désérialisation.
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
56
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H. LECOCQ
En conclusion, on notera que les transmissions synchrones sont :
–
potentiellement plus efficaces puisqu'il n'y a pas de bit de démarrage et d'arrêt
associé à chaque caractère.
–
moins sensibles aux distorsions puisque les signaux d'horloge sont compris dans
le message et sont donc soumis aux mêmes distorsions.
C'est ainsi que les transmissions synchrones sont généralement préférées lorsqu'il
s'agit de réaliser des vitesses de transmissions élevées ( > 2.400 bauds).
Par contre, les deux problèmes évoqués plus haut conduisent a des réalisations
matérielles plus complexes et, partant, plus coûteuses.
4.3. SYNCHRONISATION DU RECEPTEUR
Rien n'oblige le signal émis de contenir des transitions fréquentes. De longues
suites de bits à 0 ou à 1 peuvent très bien constituer une information tout à fait normale
(états de contacts, par exemple, dans une application industrielle).
Il est donc nécessaire de transformer les messages à l'émission afin qu'ils
contiennent un nombre suffisant de transitions pour éviter une dérive de l'horloge de
réception. On s'impose généralement d'avoir au moins une transition tous les 5 bits.
Deux méthodes sont utilisées : le codage et le brouillage.
4.3.1. CODAGE
Différents codages sont envisageables pour résoudre le problème des transitions.
Nous présentons, à la figure 4.3., deux parmi les plus utilisés [HALSALL, 1994] –
[MACCHI, 1979].
–
codage NRZI (Non Return to Zero Inverted) : un bit à 0 du signal utile provoque
un changement d'état du signal émis, un bit à 1 laisse l'état inchangé. Des
transitions existent donc dans le cas de suites de 0 mais pas dans le cas de suites
de 1.
Ce type de codage est destiné à être utilisé avec le protocole de liaison de données
HDLC (cf. chapitre 5) où les suites de 1 sont obligatoirement limitées à 5 bits du
fait du "bit stuffing".
–
codage Manchester différentiel : il y a toujours un changement d'état au milieu
du bit. Au début du bit, il y a changement d'état si le bit est à 0 et pas de
changement si le bit est à 1.
Les techniques de codage se retrouvent dans beaucoup de réseaux locaux.
seconde est aussi utilisée dans les MODEM en bande de base (cf. § 4.4.3.).
La
Remarquons que, pour ces deux codages, la polarité des signaux peut être
inversée selon la situation de départ. Le décodeur y est évidemment insensible, ce qui
met l'utilisateur à l'abri d'erreurs de branchement des fils.
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
57
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Horloge
1
Message
0
1
0
1
1
0
0
0
0
Codage
Manchester
Différentiel
Codage
NRZI
Figure 4.3. Exemples de codage pour la transmission en bande de base.
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
58
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4.3.2. BROUILLAGE
Le principe de cette opération est illustré à la figure 4.4.
Le signal émis E est obtenu à partir du signal utile U par l'intermédiaire d'un
dispositif logique, comportant essentiellement un registre à décalage, et qui réalise
l'équation (figure 4.4.a) :
E = U ⊕ E–6 ⊕ E–7
avec ⊕ OU exclusif
E–6 signal retardé de 6 temps d'horloge
E–7 signal retardé de 7 temps d'horloge
La théorie de l'algèbre de Boole montre que le signal E ainsi obtenu présente des
caractéristiques pseudo-aléatoires qui donnent lieu à une répartition quasi homogène de
transitions (au moins une tous les 5 bits) même si le signal utile U n'en comporte pas.
La figure 4.4. met cela en évidence sur un exemple concret.
A la réception, on pratique l'opération inverse dans un montage symétrique (figure
4.4.b) :
U* = E ⊕ E–6 ⊕ E–7
Par comparaison avec l'équation relative à l'émetteur, on trouve
U* = U ⊕ ( E–6 ⊕ E–6 ) + ( E–7 ⊕ E–7 )
soit en vertu de la définition de OU exclusif
U* = U
Cela est bien confirmé par l'exemple de la figure 4.4.
4.4. MODEM
Les MODEM que nous présenterons dans ce paragraphe sont essentiellement
destinés à la transmission des données par le réseau téléphonique public. Une
modulation est requise dans ce cas en raison de la fenêtre de fréquences limitée dont on
dispose (300 – 3.400 Hz).
4.4.1. MODEM ASYNCHRONES
Les MODEM asynchrones travaillent par modulation (en amplitude, fréquence ou
phase) et démodulation d'une fréquence porteuse judicieusement positionnée par rapport
à la bande passante des canaux téléphoniques (300 - 3.400 Hz). La figure 4.5.a en
schématise la structure.
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
59
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a. Emetteur
b. Récepteur
E
1
U
2
3
4
5
6
E
7
U
1
2
3
4
5
6
7
E
U*
U*
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
0
U
E
U*
Figure 4.4. Principe du brouillage d'un message
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
60
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Figure 4.5. Principe des MODEM
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
61
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4.4.2. MODEM SYNCHRONES
Les MODEM synchrones travaillent fondamentalement comme les précédents,
mais en plus, comme on l'a dit au paragraphe 4.3., ils doivent reconstituer, à la
réception, l'horloge de l'émetteur. Cela se fait, en pratique, en synchronisant une horloge
locale contenue dans le MODEM à partir des transitions de bit existant dans le signal
utile, grâce à une technique d'asservissement de phase (phase locked loop).
C'est en général la technique du brouilleur qui est utilisée ici car la bande
passante nécessaire est alors la même que celle relative au signal utile (ce qui n'est pas le
cas du codage Manchester).
4.4.3. MODEM EN BANDE DE BASE
Ce sont des MODEM synchrones ou asynchrones qui travaillent sans fréquence
porteuse, directement au niveau du signal utile (figure 4.5.c).
Ils ne peuvent donc s'utiliser que sur lignes privées ou sur des lignes
téléphoniques louées très particulières appelées "liaisons métalliques".
Ces liaisons métalliques sont possibles entre abonnés raccordés à un même
concentrateur. Il est en effet possible dans ce cas de raccorder directement les lignes des
abonnés au niveau de ce concentrateur sans passer par les circuits d'amplification
téléphoniques qui sont responsables des limitations de la bande passante. On se trouve
en fait dans la même situation qu'avec une ligne privée excepté qu'un découplage par
transformateur est exigé.
Dans les transmissions synchrones, c'est dès lors la technique du codage qui sera
utilisée (plutôt que celle du brouillage) puisque, d'une part, elle permet d'utiliser des
transformateurs de ligne et que, d'autre part, il n'y a pas de limitation particulière de la
bande passante.
4.4.4. MODEM A HAUTE VITESSE DE TRANSMISSION
Les MODEM décrits ci-dessus sont des MODEM classiques à basse vitesse (4.800
bits/s maximum)
où la vitesse de modulation (baud rate) est égale à la vitesse de
transmission (bits/s).
Afin de tirer le maximum de parti de la bande passante téléphonique de 300 à
3.400 Hz, il est possible de sophistiquer la modulation de manière à transmettre
plusieurs bits sur un seul temps de modulation (baud).
La figure 4.6. donne un aperçu de ces techniques dans le cas d'une modulation de
phase. Deux bits sont ici codés par baud.
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
62
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Figure 4.6. Modulation de phase. Transmission de 2 bits par baud.
Tiré de [HALSALL, 1994]
On a la relation suivante :
Déphasage
Valeurs des bits
0
90°
180°
270°
00
01
10
11
Des combinaisons plus complexes peuvent être envisagées mêlant modulations
d'amplitude et de phase. Leur description sortirait cependant du cadre de cet ouvrage.
De toute façon, il existe une limite dans cette voie résultant de la loi de ShannonHartley [HALSALL, 1994] :
S ⎞
⎛
C = B log 2 ⎜ 1 + ⎟
N⎠
⎝
C : capacité de transmission en bits/s
B : bande passante de la ligne en Hz
S : puissance du signal en watts
N : puissance du bruit en watts
Pour une ligne téléphonique standard (bande passante 3.100 Hz et
S
≈ 100), C est de
N
l'ordre de 30 Kbits/s.
4.5. STANDARDS D'INTERFACE POUR LES MODEM
Rappelons que, dans le jargon des télécommunications, un MODEM est appelé
DCE (Data Circuit Equipment) ou ETCD (Equipement Terminal de Circuit de Données)
tandis que l'équipement qui lui est raccordé (ordinateur, terminal d'ordinateur, etc.) est
désigné par DTE (Data Terminal Equipment) ou ETTD (Equipement Terminal de
Transmission de Données).
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
63
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La connexion DTE-DCE est complètement normalisée tant du point de vue
fonctionnel (rôle des signaux) que du point de vue électrique (niveau des signaux) et
connectique (type et câblage des connecteurs). Les standards ont été définis par l' EIA et
le CCITT.
4.5.1. STANDARD RS 232 - V24
Ce standard est le plus ancien et le plus connu. Il correspond aux "portes séries
que l'on trouve sur les ordinateurs.
–
Spécification fonctionnelle RS 232 (EIA) – V28 (CCITT)
La figure 4.7.a décrit les différents signaux et leur fonction. Selon le type de
MODEM utilisé, on aura besoin d'un nombre plus ou moins grand de ces signaux. La
figure 4.8. donne un exemple.
A côté des circuits de données proprement dites :
102 - SGD
=
Signal Ground
103 - TD
=
Transmitted Data
104 - RD
=
Received Data
On trouve des signaux de contrôle et, notamment,
–
Signal d'intérêt général
107 : DSR
=
Data Set Ready. Origine DCE.
Indique que le MODEM est opérationnel.
–
Signaux servant aux liaisons half duplex
105 : RTS
=
Request To Send. Origine DTE.
Indique que le terminal (l'ordinateur dans notre cas) désire émettre.
106 : CTS
=
Clear To Send. Origine DCE.
Indique que le MODEM est prêt à émettre (après commutation appropriée).
109 : DCD
=
Data Carrier Detect. Origine DCE.
Indique que le MODEM reçoit un signal.
–
Signaux servant aux liaisons synchrones
113 : Serial Clock Transmit. Origine DCE.
Horloge de l'émetteur local.
115 : Serial Clock Receive. Origine DCE.
Horloge du récepteur (synchronisée sur celle de l'émetteur éloigné).
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
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Signaux servant aux liaisons commutées
125 : RI
=
Ring Indicator. Origine DCE.
Indique la présence d'un signal d'appel (sonnerie) sur la ligne.
108 : DTR
=
Data Terminal Ready. Origine DTE.
Indique que le terminal est opérationnel et que la liaison peut être établie en
réponse à un appel.
Pin
number
EIA RS232C CCITT
Interchange
V.24
circuit
equivalent
Data
from
to
DCE DCE
Description
1
7
2
3
14
16
AA
AB
BA
BB
SBA
SBB
101
102
103
104
118
119
Protective ground
Signal ground/common return
Transmitted data
Received data
Secondary tranmitted data
Secondary received data
4
5
6
20
22
8
21
CA
CB
CC
CD
CD
CD
CG
105
106
107
108.2
125
109
110
Request To Send
Clear To Send
Data Set Ready
Data Terminal Ready
Ring indicator
Received-line signal detector
Signal quality detector
19
13
12
23
23
24
15
17
SCA
SCB
SCF
CI
CH
DA
DB
DD
120
121
122
112
111
113
114
115
Secondary Request To Send
Secondary Clear To Send
Secondary Received-line signal detector
Data-signal rate selector (DCE)
Data-signal rate selector (DTE)
Tranmitter-signal element timing (DTE)
Tranmitter-signal element timing (DCE)
Receiver-signal element timing (DCE)
SGD
TD
RD
Control
from
to
DCE DCE
Timing
from
to
DCE DCE
X
X
X
X
RTS
CTS
DSR
DTR
RI
CD
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
a. Spécifications fonctionnelles
ORDINATEUR
DTE
MODEM
DCE
MODEM
ORDINATEUR
DCE
DTE
b. Spécifications mécaniques
Figure 4.7. Standards RS 232 – V24
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
65
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Figure 4.8. Standards RS 232 – V24. Rôle des différents signaux
–
Spécifications connectiques
Les connecteurs utilisés sont des connecteurs 25 pins normalisés. La figure 4.7.a.
en précise le câblage. A noter que la polarité des connecteurs est également normalisée
(figure 4.7.b).
- le connecteur DTE doit être un connecteur mâle
- le connecteur DCE doit être un connecteur femelle
–
Spécifications électriques
On a repris ici les circuits de lignes RS 232 définis au paragraphe 3.4.1. La figure
4.9. en précise les spécifications. Rappelons que ces dernières limitent en principe les
vitesses à 20 Kbauds et les distances à 15 m.
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
66
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Figure 4.9. Caractéristiques électriques du standard V28 ou RS 232
Tiré de [McNAMARA, 1977]
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
67
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4.5.2. STANDARDS RS 449 ET RS 530
Le besoin est apparu d'interfaces DTE-DCE plus performantes en vitesse et en
distance que le RS 232. Les standards RS 449 et RS 530 ont été proposés dans cette
optique.
Ils sont basés sur les circuits de ligne RS 423 et RS 422 avec les performances
décrites au paragraphe 3.4. La principale différence avec le RS 232 est qu'il faut
maintenant deux fils au lieu d'un par signal.
La figure 4.10. compare les spécifications fonctionnelles et connectiques des
nouveaux standards par rapport au RS 232.
Sans entrer dans les détails, on peut faire les remarques suivantes :
–
le standard RS 449 reprend toutes les fonctionnalités du RS 232 et en ajoute
même quelques unes. Avec deux fils par signal, cela conduit à une connectique
assez volumineuse constituée d'un connecteur principal à 37 pins et d'un
connecteur auxiliaire à 9 pins;
–
le standard RS 530 ne reprend que les principales fonctionnalités du RS 232 , ce
qui lui permet de se contenter d'un connecteur 25 pins analogue à celui du RS
232.
4.6. UTILISATION DU STANDARD RS 232 POUR DES COMMUNICATIONS
LOCALES
Comme on sait, les standards RS232 - V24 sont couramment utilisés pour des
liaisons directes entre ordinateurs ou entre ordinateurs et périphériques en l'absence de
tout MODEM.
4.6.1. PRINCIPE DU RACCORDEMENT (NULL-MODEM)
Dans l'esprit des normes précitées, les deux correspondants constituent tous deux
des DTE. Ils devraient dès lors comporter tous les deux des connecteurs mâles. Dans ce
cas, le raccordement s'effectuera par un dispositif simulant, du point de vue des
connexions, une paire de MODEM. C'est ce qu'on appelle un NULL-MODEM (figure
4.11.a). Cette manière de faire assure une compatibilité parfaite de tous les équipements
: dès que les connecteurs sont compatibles mécaniquement, on est certain que la liaison
sera compatible fonctionnellement et électriquement.
En pratique, pour simplifier le câblage, on place souvent un connecteur femelle du
côté terminal. Cela est licite pour autant que les signaux aux bornes de celui-ci
représente la situation que l'on aurait à la sortie d'un NULL-MODEM (il faut en fait
imaginer le NULL-MODEM incorporé à l'équipement, cf. figure 4.11.b).
PINOUT TABLE FOR EIA RS-232/CCITT V.24, EIA RS-530, EIA RS-449, AND CCITT V.35 INTERFACES
RS-449 Interface
EIA
RS-449
RS-449
description
B
Circuit
Shield
1
9-pin
Aux.
37-pin
25-pin
A
A
1
1
B
RS-530 Interface
EIA
RS-530
RS-530
Description
Circuit
Shield
EIA
25RS-232
pin
Circuit
1
AA
RS-232 Interface
CCITT
RS-232
V.24
Description
Circuit
101
Protective Ground
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
68
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
5
19
SG
Signal Ground
9
6
37
20
4
6
7
9
11
12
15
13
SC
RC
SD
RD
RS
CS
DM
TR
IC
RR
Send Common
Receive Common
Send Data
Receive Data
Request to Send
Clear to Send
Data Mode
Terminal Ready
Incoming Call
Receiver Ready
33
16
SQ
SR
2
22
24
25
27
29
30
31
– 2004 –
7
AB
H. LECOCQ
AB
102
2
3
4
5
6
20
22
8
BA
BB
CA
CB
CC
CD
CE
CF
102a
102b
103
104
105
106
107
108.2
125
109
Signal Quality
Signal Rate Detector
21
23
CG
CII
110
111
SI
Signal Rate Indicator
23
CI
112
24
DA
113
15
DB
114
17
DD
115
14
SBA
118
2
3
4
5
6
20
14
16
19
8
Signal Ground
22
23
BA
BB
CA
CB
CC
CD
Transmitted Data
Receive Data
Request to Send
Clear to Send
DCE Ready
DTE Ready
10
CF
Received Line Signal
Detector
7
17
35
TT
Terminal Timing
24
11
DA
5
23
ST
Send Timing
15
12
DB
8
26
RT
Receive Timing
17
9
DD
3
SSD
Secondary Send Data
BA
Transmitter Signal
Element Timing (DTE)
Transmitter Signal
Element Timing (DCE)
Receiver Signal
Element Timing (DCE)
Transmitted Data
4
7
SRD
SRS
BB
Receive Data
16
19
SBB
SCA
119
12
8
2
SCS
SRR
CB
DB
SCB
SCF
121
122
LL
RL
TM
SS
SB
SF
Clear to Send
Transmit Signal
Element Timing (DCE)
Local Loopback
Remote Loopback
Test Mode
13
12
10
14
18
32
36
16
Secondary Receive Data
Secondary Request to
Send
Secondary Clear to Send
Secondary Receiver
Ready
Local Loopback
Remote Loopback
Test Mode
Select Standby
Standby Indicator
Select Frequency
28
34
IS
NS
Terminal in Service
New Signal
13
18
21
25
LL
RL
TM
18
21
25
141
140
142
116
117
126
Signal Ground/
Common Return
DTE Common
DCE Common
Transmitted Data
Receive Data
Request to Send
Clear to Send
Data Set Ready
Data Terminal Ready
Ring Indicator
Received Line Signal
Detector
Signal Quality Detector
Data Signal Rate
Selector (DTE)
Data Signal Rate
Selector (DCE)
Transmitter Signal
Element Timing (DTE)
Transmitter Signal
Element Timing (DCE)
Receiver Signal
Element Timing (DCE)
Secondary Tranmitted
Data
Secondary Receive Data
Secondary Request to
Send
Secondary Clear to Send
Secondary Received
Line Signal Detector
Local Loopback
Remote Loopback
Test Indicator
Select Standby
Standby Indicator
Select Transmit
Frequency
Figure 4.10. Comparaison des standards RS 232, RS 449 et RS 530
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
69
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
En particulier :
- PIN 2
: entrée, données reçues
- PIN 3
: sortie, données transmises
- PIN 6
: sortie, terminal sous tension
- PIN 20
: entrée, ordinateur sous tension
Cette solution est néanmoins à éviter car elle peut introduire une certaine
confusion dans la nomenclature des signaux.
On rencontre aussi, malheureusement, des équipements dotés d'un connecteur
femelle dont le câblage est en fait celui du connecteur mâle normalement requis (figure
4.11.c). Cette solution est à proscrire radicalement. Il est conseillé dans ce cas, soit de
remplacer le connecteur en question par un connecteur mâle soit de réaliser un boîtier
d'adaptation fixé à l'équipement et rétablissant une situation plus saine.
4.6.2. CONTROLE DU FLUX D'INFORMATION
Le NULL-MODEM décrit à la figure 4.11. permet d'utiliser des interfaces de
communication pour le raccordement de terminaux d'ordinateur. En réalité, des
interfaces beaucoup plus simples sont suffisantes. Pour un écran par exemple, 3 fils
suffisent : 2, 3 et 7. Pour des terminaux plus lents (imprimantes par exemple), il faudra
en général prévoir un moyen de suspendre temporairement le flux des informations
venant du calculateur (tampon de caractères remplis, plus de papier, etc.). Il n'existe
actuellement aucune standardisation en la matière.
On peut faire état de deux types de méthodes :
–
Méthode par caractère de contrôle (XON - XOFF)
Le flux d'information est suspendu par l'envoi d'un caractère de contrôle vers le
calculateur.
XOFF (ASCII DC3) : suspend l'émission
XON (ASCII DC1) : relance l'émission
Cette méthode permet d'utiliser des interfaces sans aucune ligne de contrôle c'està-dire réduits à 3 fils. Elle oblige cependant le terminal à gérer une voie d'émission série,
le cas échéant uniquement pour cela (c'est le cas des imprimantes).
–
Utilisation de lignes de contrôle
On utilise, dans ce cas une des lignes de contrôle prévues par la norme RS 232CV24. La plus logique est la ligne DTR (Pin 20).
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
70
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 4.11. Utilisation du standard RS 232 – V24 pour des communications locales
Chapitre 4 – SERIALISATION DE L'INFORMATION ET EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION
71
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Chapitre 5
PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
Comme on l'a expliqué au paragraphe 2.3.1., la couche liaison de données du
modèle OSI comporte une sous-couche LLC (Logical Link Control) et une sous-couche
MAC (Medium Access Control).
La sous-couche LLC a en charge :
-
la
la
la
la
sérialisation/désérialisation des données
synchronisation des messages
détection et la correction des erreurs de transmission
gestion de la communication.
Le premier aspect a été étudié au chapitre précédent et nous aborderons donc ici
les autres aspects. Nous nous limiterons cependant à des protocoles simples auxquels
l'utilisateur non spécialiste pourrait éventuellement être confronté pour la réalisation de
liaisons point-à-point ou de réseaux à gestion centralisée.
Les méthodes d'accès au réseau (MAC) feront l'objet du chapitre suivant.
5.1. SYNCHRONISATION DES MESSAGES
En mode asynchrone, la synchronisation se fait au niveau des caractères, à l'aide
de bits de démarrage et d'arrêt (procédé dit "start-stop"). Les interfaces asynchrones
standard effectuent généralement aussi un contrôle de parité sur base d'un bit rajouté à
chaque caractère. Le dépouillement d'un tel protocole correspond bien à la vocation de
simplicité et d'économie des transmissions asynchrones. Bien entendu, chaque
utilisateur a le loisir d'introduire des protocoles plus élaborés, notamment au niveau du
contrôle, mais ces protocoles doivent alors faire l'objet de développements logiciels et/ou
matériels spécifiques.
En mode synchrone, la synchronisation est prévue au niveau des messages, ces
messages pouvant avoir des longueurs quelconques et d'ailleurs variables d'un message
à l'autre. Les protocoles associés sont donc d'emblée plus complexes. Afin de pouvoir en
déléguer la plus grande partie à des interfaces standard, il aurait évidemment été
souhaitable de disposer d'un standard de protocole. Ce n'est pas encore le cas
actuellement. Dans les paragraphes qui suivent, nous en décrirons deux parmi les plus
utilisés, le protocole BISYNC (ou BSC) et le protocole HDLC. Le second sert de base à
beaucoup de réseaux locaux. Des circuits intégrés existent d'ailleurs qui peuvent le
prendre complètement en charge.
5.1.1. PROTOCOLES ORIENTES CARACTERES (BSC)
Dans ce type de protocole, on utilise des caractères spéciaux (appartenant au jeu
de caractères ASCII) afin de délimiter les différentes parties d'un message et de contrôler
la communication (cf. § 5.3.1.).
Chapitre 5 – PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
72
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Le format typique d'un message dans le protocole BISYNC (encore appelé BSC =
Binary Synchronous Communications) est montré à la figure 5.1.a.
On y distingue les éléments suivants :
SYN
:
caractère de synchronisation. Deux caractères successifs indiquent le
début du message
SOH
:
Start of Header : indique le début d'une en-tête éventuelle du message
(optionnel)
HEADER
:
en-tête (optionnelle)
STX
:
Start of Text. Indique le début du texte
TEXT
:
texte formé de caractères
ETX
:
End of Text. Indique la fin du texte
BCC
:
Block Check Character. Un ou deux caractères pour le contrôle de la
transmission (voir paragraphe 5.2.4)
La structure qui vient d'être décrite convient parfaitement pour la transmission de
données alphanumériques telles qu'on les rencontre dans le domaine de la gestion. En
effet, les données en question sont alors constituées exclusivement de caractères ASCII
différents des caractères de contrôle.
Par contre, dans le domaine du contrôle de processus, les informations échangées
seront le plus souvent des nombres (mesures, commandes) ou des configurations de bits
relatifs à des entrées/sorties binaires. Il peut alors très bien arriver que certaines de ces
données aient un codage correspondant à un caractère de contrôle (ETX par exemple), ce
qui perturbera évidemment complètement la réception du message.
On peut cependant se prémunir contre cette éventualité en travaillant en mode dit
"transparent" sous le contrôle du caractère spécial DLE (Data Link Escape).
Ce mode sera annoncé au récepteur en ouvrant le texte par la paire DLE/STX au
lieu de STX (figure 5.1.b). Dans ce cas, le récepteur interprétera tous les caractères qui
suivent comme des données même s'il s'agit de caractères de contrôle. On repassera en
mode normal, non transparent, par la paire DLE/ETX. Un problème se pose encore si le
caractère DLE lui-même apparaît dans le texte du message, car il pourrait très bien être
suivi d'un code ETX ce qui aurait pour effet de tronquer le message. La solution adoptée
consiste, à l'émission, à introduire dans le message un deuxième caractère DLE accolé
au premier de manière à signaler le danger au récepteur. Celui-ci, à la réception d'un
DLE le mémorise temporairement et attend le caractère suivant. S'il s'agit d'un DLE, il
inclut ce dernier au message utile et écarte le premier; sinon, il considère le premier
comme un caractère de contrôle. C'est ce qu'on appelle la méthode du "character
stuffing".
REMARQUE :
Les interfaces séries synchrones comportent généralement la logique
nécessaire à la détection des deux caractères successifs SYN de début de
message, assez souvent, aussi, elles sont en mesure d'engendrer et de
tester le ou les caractères de contrôle (BCC).
Chapitre 5 – PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
73
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 5.1. Protocoles de transmission. Format des messages.
a. BISYNC (BSC)
b. BISYNC mode transparent
c. HDLC
Figure 5.2. Détection des erreurs de transmission par parité verticale (VRC)
et horizontale LRC)
Chapitre 5 – PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
74
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
5.1.2. PROTOCOLES ORIENTES BITS (HDLC)
Dans ce type de protocole, on ne fait plus appel à la notion de caractère. La figure
5.1.c, par exemple, donne le format d'un message correspondant au protocoles HDLC
(High Level Data Link Control). On y distingue les champs suivants :
F
:
flag de début de message
A
:
adresse du destinataire
C
:
contrôle de la communication (voir paragraphe 5.3.)
I
:
informations utiles
FCS
:
Frame Check Sequence. Contrôle de la transmission (voir paragraphe
5.2.)
F
:
flag de fin de message (identique au flag de début).
Un problème de "transparence" se pose également pour le protocole HDLC. En
effet, si dans la suite des bits du message utile, il se présente une configuration analogue
à celle d'un flag F, le message sera tronqué prématurément par le récepteur. Pour éviter
cela, l'émetteur intercale systématiquement un bit 0 après cinq bits à 1. Ce bit 0 est
automatiquement éliminé par le récepteur. C'est la méthode du "bit stuffing".
REMARQUE :
Les interfaces séries synchrones comportent généralement la logique
nécessaire à la détection du flag de début de message; assez souvent,
aussi, elles sont en mesure d'engendrer et de tester le champ de contrôle
(FCS) et de procéder aux opérations liées au "bit stuffing".
5.2. DETECTION DES ERREURS DE TRANSMISSION
Dans ce paragraphe, nous décrirons les trois méthodes les plus couramment
utilisées pour la détection des erreurs de transmission.
5.2.1. PARITE VERTICALE (ou VRC : Vertical Redundancy Check)
Il s'agit d'un simple contrôle de parité généralement pratiqué au niveau du
caractère : selon le nombre pair ou impair de 1 présent dans un caractère, on ajoute à ce
dernier un bit valant 0 ou 1 (parité paire) ou le contraire (parité impaire). A la réception,
on recalcule la parité du caractère reçu et on vérifie si elle correspond au bit de parité
reçu en même temps que le caractère.
5.2.2. PARITE HORIZONTALE (ou LRC : Longitudinal Redundancy Check)
La parité horizontale porte sur un ensemble donné de caractères : on calcule la
parité relative aux bits de même rang dans les caractères et on obtient ainsi un caractère
de parité que l'on joint au message. A la réception, on procède de même et l'on compare
avec le caractère de contrôle reçu en bout de message. Le contrôle LRC s'utilise en
général en combinaison avec le contrôle VRC. La figure 5.2. illustre les deux techniques
(voir aussi le tableau comparatif de la figure 5.3.)
Chapitre 5 – PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
75
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
5.2.3. CODES CYCLIQUES (ou CRC : Cyclic Redundancy Check)
La justification de cette méthode fait appel à la théorie des polynômes booléens et
sort du cadre de ce cours. Nous nous contenterons dès lors ici d'en décrire la mise en
œuvre. La figure 5.4. se rapporte au cas du CRC 16. Notons que les normes IEEE
prévoient un CRC 32.
Le message utile augmenté de 16 bits 0, est considéré comme un polynôme
booléen. On procède alors à la division de ce polynôme par un polynôme bien choisi
appelé "générateur" (en l'occurrence X16 + X15 + X2 + 1). Le reste de la division (16 bits)
forme le bloc de contrôle (cf. BCC et FCS) que l'on joint au message utile.
A la réception, on effectue la division du polynôme formé du message utile et du
reste par la même polynôme générateur. S'il n'y a pas eu d'erreur de transmission, le
reste de cette deuxième division doit être nul.
Notons que la mise en œuvre pratique de cet algorithme se fait de manière
relativement aisée à l'aide d'un registre à décalage muni de rétroactions adéquates (figure
5.4.a). A l'émission par exemple, on envoie simultanément le message utile en ligne et à
l'entrée du dispositif diviseur; le reste de la division est tout simplement le contenu du
registre à décalage lorsque le dernier bit du message a été émis. Il suffit alors d'envoyer
ce contenu en ligne pour compléter le message.
Le tableau de la figure 5.3. rend compte des performances relatives des différentes
méthodes.
Fréquences d'erreurs non détectées
Méthode
Amélioration
Lignes commutées
Lignes louées
sans
1
10-4
10-6
VRC
10
10-5
10-7
VRC + LRC
103
10-7
CRC 16
105
10-9
10-9
10-11
Figure 5.3. Comparaison des méthodes de détection d'erreurs
Chapitre 5 – PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
76
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 5.4. Mise en œuvre du code détecteur d'erreur CRC16
Chapitre 5 – PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
77
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
5.2.4. CORRECTION DES ERREURS DE TRANSMISSION
Les méthodes décrites au paragraphe précédent permettent de détecter un taux
d'erreur plus ou moins élevé. Elles ne donnent cependant aucune indication sur la
nature des erreurs.
Il existe des codes qui permettent d'effectuer a la fois la détection et la correction
d'erreurs. La mise en œuvre est cependant tellement lourde qu'ils ne sont guère
utilisables en pratique courante.
La méthode de correction qui est alors utilisée quasi universellement consiste tout
simplement à demander la répétition du message dans lequel une erreur a été décelée.
Elle relève donc de la gestion de la communication (cf. paragraphe 5.3.)
5.2.5. PROPOSITIONS DE NORMES CEI
CEI = Commission Electrotechnique Internationale
La CEI a défini trois classes A, B, C relatives à la fiabilité des transmissions de la
manière indiquée à la figure 5.5. En abscisse se trouve le taux d'erreur "naturel" de la
ligne utilisée et en ordonnée le taux d'erreur résiduel souhaité pour les transmissions.
Le tableau de la figure 5.6. présente les choses de manière plus parlante. On
constate que, pour ce cas de figure, les méthodes VRC + LRC et CRC16 se situent toutes
les deux dans la classe A.
5.3. GESTION DE LA COMMUNICATION
La gestion de la communication comporte les points suivants :
–
Etablissement de la liaison
Ce premier point concerne uniquement le cas de lignes commutées du réseau
téléphonique public. Le protocole doit ici effectuer toutes les opérations nécessaires pour
établir la liaison téléphonique : commande de l'unité automatique d'appel (à l'émission),
détection de l'appel (à la réception), mise en ligne des MODEM, etc. (cf. paragraphe 4.5.).
–
Etablissement de la communication
Envoi d'un avis d'émission (ou de réception), interrogation d'état (prêt, occupé),
contrôle des délais de réponse. Nous détaillerons ces opérations aux paragraphes 5.3.1.
et 5.3.2.
–
Transmission des données
Activation du protocole de transmission des données (paragraphe 5.1.).
–
Fin de la communication
Acquittement de bonne fin de transmission. Le cas échéant, demande de répétition
si des erreurs ont été détectées.
Chapitre 5 – PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
78
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 5.5. Définition de trois classes pour la fiabilité des systèmes de transmission
(CEI)
Chapitre 5 – PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
79
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
–
– 2004 –
H. LECOCQ
Déconnexion de la liaison
Opérations inverses du premier point dans le cas de lignes commutées.
Reliability
Class
Residual
error rate
R
A
10-6
1 day
Cyclic updating systems;
telemetering
B
10-10
26 years
Even initiated transmission;
teleindication, telecounting
C
10-14
260.000 years
Critical information transmission;
Telecommands
Meantime between
undetected errors
T
Typical application
Figure 5.6. Performance des trois classes dans les conditions :
- taux d'erreur de la ligne p = 10–4
- vitesse de transmission 1.200 bauds
5.3.1. EXEMPLE DU PROTOCOLE BSC
Comme on l'a dit au paragraphe 5.1.1., le contrôle de la communication se fera,
dans ce type de protocole, à l'aide de caractères spéciaux du type suivant :
ENQ :
Enquiry. Interrogation d'état
ACK
:
Acknowledge. Accusé de réception positif.
NAK
:
Accusé de réception négatif.
EOT
:
End of transmission. Fin de la transmission.
L'organisation d'une communication prendra alors l'allure montrée à la figure 5.7.
(cas d'un transfert pilote - satellite sur ligne privée).
Chapitre 5 – PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
80
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
Station pilote
H. LECOCQ
Station satellite
STX/ADR + AVIS EMISSION/ETX
→
; adressage du satellite et avis
d'émission
ENQ
→
; interrogation d'état
←
STX/ADR/ETX
←
STX/message/ETX
→
←
(1)
EOT
ACK
; identification
; prêt à recevoir
; transmission du message
ACK
→
; message bien reçu, pas d'erre
; fin de la transmission
(1) En cas de détection d'une erreur, la séquence devient :
←
STX/message/ETX
→
←
EOT
NAK
→
; erreur détectée,
prière de répéter
; nouvel essai
ACK
; plus d'erreur
; fin de la transmission
Figure 5.7. Protocole BSC. Gestion de la communication.
5.3.2. EXEMPLE DU PROTOCOLE HDLC
Dans ce type de protocole, la gestion de la communication se fera à l'aide du
champ de contrôle à 8 bits prévu dans la structure du message (cf. figure 5.1.c). Le
tableau de la figure 5.9. résume l'ensemble des fonctions.
Par exemple, une transmission station pilote vers station satellite aura l'aspect
montré à la figure 5.8.
Remarquons que grâce aux compteurs de messages Nr et Ns, l'accusé de réception
d'un message ne doit pas suivre immédiatement celui-ci. Une accumulation maximum de
8 messages est possible.
L'accusé de réception RR (Nr) indique alors le nombre (Nr) de messages qui ont été
reçus correctement (2 dans le cas de l'exemple).
Chapitre 5 – PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
81
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
→
SNRM
←
NSA
H. LECOCQ
;
initialisation
;
accusé de réception positif
Message 1
→
;
envoi du message 1
Message 2+P
→
;
envoi du message 2
;
demande d'accusé de réception (P)
;
message 1 et 2 bien reçus continuez (F)
;
fin de transmission
;
merci !
←
DISC
RR+F (Nr=2)
→
←
NSA
Figure 5.8. Protocole HDLC. Gestion de la communication
Chapitre 5 – PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
82
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Contrôle
Type
0
1
2
3
4
5
6
7
ABREV
Fonction
Non
séquentiel
0
0
0
P/F
0
0
1
1
NSI
Pas d'information séquentielle
0
0
0
F
0
1
1
1
RQI
Demande d'initialisation par SIM
0
0
0
P
0
1
1
1
SIM
Initialisation
1
0
0
P
0
0
1
1
SNRM
Mise en mode réponse normal
0
0
0
F
1
1
1
1
ROL
La station a été mise off-line par DISC
0
1
0
P
0
0
1
1
DISC
Place la station off-line
0
1
1
F
0
0
1
1
NSA
Accusé de réception
1
0
0
F
0
1
1
1
CMDR
Instruction erronée
0
0
1
P
0
0
1
1
ORO
Demande de transmission
Surveillance Nr
P/F
0
0
0
1
RR
Prêt à recevoir
Nr
P/F
0
1
0
1
RNR
Pas prêt à recevoir
Nr
P/F
1
0
0
1
REJ
Rejet (erreur de transmission)
Nr
P/F
Ns
0
I
Suite d'information
Information
Nr : totalisateur de messages du récepteur
Ns : totalisateur de messages de l'émetteur
P : POLL (bit 3 = 1).
Dans un message pilote → satellite, indique que la station pilote demande une réponse
F : FIN (bit 3 = 1).
Dans un message satellite → pilote, indique que la station satellite a terminé sa réponse.
Figure 5.9. Protocole HDLC. Fonctions de gestion de la communication.
Chapitre 5 – PROTOCOLES DE LIAISON DE DONNEES
83
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Chapitre 6
TOPOLOGIES ET
CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
Les méthodes de contrôle d'accès à un réseau font partie de la couche liaison de
données (sous-couche MAC : Medium Access Control).
La topologie ne fait pas à proprement parler partie de cette couche mais elle y a
des implications très directes, ce qui justifie de les associer dans l'exposé.
6.1. TOPOLOGIE
La figure 6.1. présente les principales topologies des réseaux de communication.
6.1.1. RESEAUX INTERCONNECTES ET MAILLES
Chaque nœud du réseau est relié à tous les autres nœuds par une liaison
point-à-point propre. Ce type de réseau donne lieu à une gestion particulièrement simple
des communications qui se limitent, en fait, à un ensemble de communications
bilatérales. Moyennant une gestion nettement plus complexe, il est possible de conférer
aux nœuds des possibilités de routage des messages reçus c'est-à-dire de réémission de
ces messages vers d'autres nœuds. On obtient ainsi un réseau à très grande disponibilité
puisqu'il existe plusieurs chemins possibles d'un nœud vers un autre.
Les réseaux maillés constituent une version dégradée du cas précédent où
l'interconnexion n'est plus complète. Bien entendu, dans ce cas, les nœuds doivent
obligatoirement assurer un routage des messages. Il est clair que les structures
interconnectées ou maillées sont très coûteuses en lignes de transmission et très
difficiles à étendre. Elles s'utilisent dans les réseaux publics de transmission (EX :
EURONET, SWIFT, DCS, ...) mais ne conviennent assurément pas pour les réseaux
locaux où le nombre de nœuds est en général très important.
6.1.2. RESEAUX EN ETOILE
Cette structure est très bien adaptée au cas où le plus gros des communications a
lieu entre les nœuds périphériques et le nœud central (terminaux vers ordinateurs par
exemple, supervision de processus, etc.). Dans les autres cas, le nœud central doit
router les messages incidents vers les nœuds destinataires. Remarquons que ce rôle de
"commutateur" peut parfaitement être tenu par un central téléphonique privé de type
électronique (PBX = Private Branch Exchange). C'est une solution fréquemment utilisée
en bureautique où l'on se sert alors du réseau téléphonique interne de l'entreprise.
D'une manière générale, on peut dire que la structure en étoile est plus
économique en lignes que la structure maillée mais elle est aussi plus fragile étant donné
la centralisation qui est opérée : une panne de liaison isole complètement le nœud
concerné, une panne du nœud central paralyse tout le réseau.
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
84
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Les réseaux "cluster" constituent une généralisation du cas précédent.
6.1.3. RESEAUX BUS
Dans un réseau BUS, les nœuds sont tous greffés en parallèle sur un câble unique
(liaison multipoint). Les connexions au BUS se font par exemple en se "piquant" sur le
câble sans coupure de ce dernier et donc, aussi, sans interruption du service. On se
trouve en fait dans une situation pratiquement analogue à celle du réseau de distribution
d'énergie électrique. Le câblage d'un site peut ainsi se faire à l'avance sans connaissance
a priori des besoins en communications. Ces qualités de souplesse et d'extensibilité
constituent les principaux atouts des réseaux BUS et expliquent leur succès. (Le réseau
ETHERNET appartient à cette catégorie). La panne d'un nœud n'affecte pas le reste du
réseau; une coupure du câble, par contre, isole une partie plus ou moins importante du
réseau.
Les réseaux en arbre constituent une généralisation du cas précédent.
6.1.4. RESEAUX EN ANNEAU
L'anneau est composé d'un ensemble fermé de liaisons point-à-point entre nœuds.
Un message émis d'un nœud vers un autre doit donc transiter par tous les nœuds
intermédiaires. A chaque passage dans un nœud, le message est régénéré ce qui permet
des distances plus importantes que dans le cas précédent. Chaque nœud doit être
capable de router les messages incidents. Il s'agit cependant d'une opération beaucoup
plus simple que dans le cas des réseaux maillés puisqu'il n'y a qu'un seul routage
possible : vers le nœud suivant de l'anneau.
On retrouve dans les réseaux en anneau un peu de la souplesse des réseaux BUS,
un peu seulement car l'ajout d'un nœud oblige de couper le câble et d'interrompre le
service. Dans les structures en anneau simples, la panne d'un nœud ou d'une liaison
paralyse totalement le réseau. Il est cependant assez facile de se prémunir contre une
panne de nœud en prévoyant un court-circuitage automatique des nœuds défaillants par
un relayage électromécanique (à l'intervention d'un "watch dog"). Pour certaines classes
d'application, l'anneau présente des avantages au niveau de 1a gestion des
communications : celle-ci est en effet déterministe tandis qu'elle est statistique dans la
plupart des réseaux BUS (voir § 6.2.). Il sera par exemple plus simple ici de répondre
aux contraintes de temps réel propres au contrôle de processus industriel.
6.2. CONTROLE D'ACCES AU RESEAU
Sauf dans le cas de réseaux complètement interconnectés, les communications
entre nœuds devront nécessairement emprunter des chemins communs. Des conflits
d'accès risquent donc de se poser. Les méthodes présentées ci-dessous ont pour but de
les résoudre. En principe ces méthodes peuvent s'appliquer à n'importe quelle topologie
de réseau mais il est bien certain qu'il en est qui sont mieux adaptées que d'autres. Nous
le signalerons chaque fois.
Les méthodes de contrôle peuvent être fondamentalement classées en deux
catégories : les méthodes déterministes et les méthodes statistiques.
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
85
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
Interconnecté
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Maillé
WAN
Etoile
Cluster
LAN
Bus
Arbre
Anneau
Figure 6.1. Topologie des réseaux
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
86
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H. LECOCQ
METHODES DETERMINISTES
6.2.1. POLLING
Un nœud maître interroge cycliquement les autres nœuds qualifiés d'esclaves et
donne successivement l'autorisation d'émettre aux nœuds qui le souhaitent (figure 6.2.).
Cette méthode est principalement utilisée avec un maître fixe dans les topologies étoiles
ou BUS. L'intérêt est, dans ce cas, de simplifier considérablement les fonctions de
communication au sein des nœuds esclaves. par contre, la panne du nœud maître
paralyse complètement le réseau.
Dans certains réseaux évolués, si le nœud maître est défaillant, n'importe quel
esclave peut prendre le relais et devenir maître à son tour. Remarquons que cette
méthode d'accès n'a pas été retenue par la norme IEEE (cf. § 6.3.). Exemple : FIP.
MASTER
POLL LIST
1. A
2. B
3. C
A?
B?
C?
A
B
C
Figure 6.2. Technique du polling
6.2.2. JETON (token passing)
Le "jeton" est un message particulier circulant de nœud en nœud et représentant
une autorisation d'émettre. Le nœud qui désire émettre attend le passage du jeton et
retient celui-ci. Il devient alors provisoirement maître du réseau et peut établir les
communications qu'il souhaite. Lorsqu'il a terminé, il remet le jeton en circulation. Il n'y
a donc pas ici de maître fixe, tous les nœuds sont pareils. Le réseau peut ainsi continuer
de fonctionner, même en cas de panne d'un (ou plusieurs) nœud, pour autant que
celui-ci puisse être électroniquement court-circuité (figure 6.3.). Exemple : IBM (IEEE
802.5).
En configurant la taille des messages en fonction du nombre de nœuds du réseau,
on peut garantir, pour cette méthode, un temps minimal (aucun nœud n'a de message à
émettre) et un temps maximal (tous les nœuds ont un message à émettre) pour la
circulation du jeton.
La technique du jeton est particulièrement bien adaptée à la topologie en anneau.
En effet, le nœud qui libère le jeton doit simplement le transmettre au nœud adjacent
sans rien connaître de ce dernier. Il existe cependant une certaine tendance à utiliser le
jeton également pour les réseaux en BUS. Dans ce cas, le nœud qui libère le jeton doit
explicitement connaître l'adresse du nœud auquel il faut le retransmettre. On constitue
ainsi ce que l'on appelle un anneau logique (figure 6.4.). On conçoit que ceci puisse
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
87
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H. LECOCQ
considérablement compliquer les procédures de reconfiguration automatique du réseau
en cas de panne, d'ajout ou de retrait de nœuds.
Figure 6.3. Anneau à jeton
Considérons par exemple le cas de la défaillance d'un nœud. Pour pouvoir recréer
un anneau logique, il faut que chaque nœud contienne une table avec son adresse,
l'adresse de son prédécesseur et l'adresse de son successeur. Lorsqu'un nœud (par
exemple le nœud 1 sur la figure) renvoie le jeton, il faut qu'il surveille la réaction de son
successeur (en l'occurrence le nœud 3), soit que celui-ci renvoie le jeton à son tour, soit
qu'il émette un message. Si rien ne se passe, c'est que le nœud 3 est hors service. Le
nœud 1 prend alors l'initiative d'envoyer un message spécial "who follows" contenant son
adresse et l'adresse de son successeur. Tous les nœuds reçoivent ce message (on est sur
un BUS). Le nœud 2 va reconnaître l'adresse de son prédécesseur (n° 3) dans le message
et va en déduire que le nœud 3 est en défaut. Il va alors renvoyer sa propre adresse au
nœud 1 afin que celui-ci change dans sa table le numéro de son successeur qui devient 2
au lieu de 3. En même temps, le nœud 2 modifie dans sa table le numéro de son
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
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prédécesseur qui devient 1 au lieu de 3.
Exemples : MAP (IEEE 802.4), PROFIBUS.
Figure 6.4. Bus à jeton
Tiré de [NUSSBAUMER, 1991]
6.2.3. TRAME VIDE (empty slot)
Cette méthode s'applique exclusivement aux anneaux, la plupart du temps avec
maître fixe. Le nœud maître met en circulation sur l'anneau un certain nombre de
trames vides (c'est-à-dire de messages sans contenu informatif). Lorsqu'un nœud désire
émettre, il attend le passage d'une trame vide qu'il remplit avec son message. Le
destinataire extrait le message et libère la trame (figure 6.5.).
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
89
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Figure 6.5. Méthode la trame vide
6.2.4. TEMPS PARTAGE (TDMA = Time Division Multiple Access)
Le nœud maître alloue cycliquement un temps de parole fixe à chaque nœud du
réseau. Cette méthode s'utilise généralement avec un maître fixe dans une topologie en
anneau. On peut la considérer comme un cas particulier de la précédente où il circulerait
au moins autant de trames dans l'anneau que celui-ci comporte de nœuds. La méthode
est strictement déterministe et permet donc de connaître avec certitude le temps de
transfert d'un message. Par contre, elle peut conduire à un gaspillage des ressources
dans la mesure où les nœuds n'utilisent pas nécessairement leur temps de parole à
chaque cycle.
Exemple : INTERBUS-S.
METHODE STATISTIQUE
6.2.5. CONTENTION (CSMA/CD)
CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
C'est une méthode qui s'applique uniquement aux réseaux en BUS. Chaque nœud
"écoute" la ligne (figure 6.6.); si celle-ci est libre, il peut émettre spontanément. La ligne
devenant alors occupée, les autres nœuds sont empêchés d'émettre. Un problème peut se
poser si, la ligne étant libre, plusieurs nœuds se mettent à émettre en même temps ou,
plus exactement, dans un délai correspondant au temps de propagation de messages
entre les nœuds en question. Dans ce cas, appelé collision, les messages émis sont
perturbés. Les nœuds émetteurs, qui "écoutent" toujours la ligne, en sont avertis en
constatant que le message en ligne diffère du message émis. L'émission est alors arrêtée
et une nouvelle tentative est faite après un délai fixé par une loi aléatoire.
Cette méthode de contrôle d'accès est particulièrement simple à mettre en œuvre.
Elle assure de plus une récupération automatique des modifications de configuration du
réseau. Les reproches qui lui sont faits touchent surtout à sa nature statistique qui ne
permet pas de connaître, ni a fortiori, de garantir les temps de transfert des messages. Il
n'empêche qu'elle est devenue un standard de fait en bureautique aussi bien qu'en
industrie.
Exemples : ETHERNET, MAP (IEEE 802.3), DEVICENET.
6.3. NORMALISATION
Comme on l'avait signalé au paragraphe 2.3.3., l'IEEE a entrepris de normaliser la
couche liaison de données des réseaux locaux. La figure 6.7. rend compte des résultats.
On y constate que, pour toute sorte de raisons techniques, politiques,
commerciales (pression des constructeurs), il n'a pas été possible de se mettre d'accord
sur un standard unique. La couche liaison de données a ainsi été divisée en deux
sous-niveaux.
–
LLC : Logical Link Control (Standard IEEE 802.2)
C'est un sous-niveau commun à tous les standards qui définit de manière unifiée,
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
90
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la structure des données, les mécanismes d'adressage, les procédures de transfert
des messages. Il est inspiré du protocole HDLC.
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
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Figure 6.6. Contrôle d'accès par contention et détection de collisions (CSMA/CD)
Figure 6.7. Portée des travaux de l'IEEE
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
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–
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MAC : Media Access Control
C'est un sous-niveau qui, avec le niveau physique qui lui est attaché, dépend de la
topologie et de la méthode de contrôle d'accès choisie pour le réseau. Les
standards suivants ont été définis [HOSTE - 1983] :
IEEE 802.3 : BUS à accès CSMA/CD
Coaxe
Bande de base : 1, 5, 10, 20 Mbits/s
Large bande
: 10 Mbits/s dans des canaux de largeur 6 MHz
IEEE 802.4 : BUS à jeton
Coaxe
Bande de base
Large bande
: 5, 10 Mbits/s
: 5, 10 Mbits/s dans des canaux de largeur 6 MHz.
10, 20 Mbits/s dans des canaux de largeur 12
MHz
IEEE 802.5 : Anneau à jeton
Bande de base
Paires torsadées : 1.4 Mbits/s
Coaxe
: 4, 20, 40 Mbits/s
IEEE 802.6 : MAN (Metropolitan Area Network)
Projet de réseau à l'échelle d'une cité (encore à l'étude).
6.4. PERFORMANCES COMPAREES
Comme on l'aura constaté dans les paragraphes qui précèdent, la polémique
tourne essentiellement autour des binômes contention-jeton, bus à jeton-anneau à jeton,
bande de base-large bande.
6.4.1. CONTENTION - JETON
L'opposition contention - jeton reflète en fait une opposition ETHERNET (DEC XEROX - INTEL) - IBM.
Les arguments objectifs sont les suivants :
–
Avantages du CSMA/CD par rapport au jeton
-
–
Simplicité du contrôle d'accès qui a d'ores et déjà donné lieu à des réalisations
en circuits intégrés.
Présence concrète sur le marché
Désavantages du CSMA/CD par rapport au jeton
-
Une adaptation d'impédance assez soigneuse du câble est nécessaire pour
éviter les réflexions qui pourraient déclencher le mécanisme de détection de
collision.
-
Les messages échangés doivent avoir une longueur minimale dépendant de la
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
93
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
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distance entre stations (de l'ordre de 512 bits en pratique)
En effet si deux stations émettent simultanément, il faut que les messages
soient assez longs pour qu'au moins une partie des messages entre en
collision et que cette collision soit détectée avant la fin de l'émission par les
deux stations. Cette contrainte est assez défavorable pour les applications
industrielles où les messages sont en général relativement courts.
-
Les performances d'un réseau CSMA/CD décroissent très rapidement lorsque
la charge du réseau augmente. Cela résulte du fait que les collisions et le
temps perdu pour les résorber augmente avec cette charge. La figure 6.8.a.
met le phénomène clairement en évidence dans un cas typique de contrôle de
processus (échanges cycliques).
-
Même à faible charge, la nature aléatoire du contrôle d'accès ne permet pas de
garantir le délai de transfert. La figure 6.8.b. montre ainsi un cas de charge
relativement légère et la distribution cumulée des temps de transfert. On
remarque que 68 % seulement des messages sont arrivés dans un délai de 20
ms caractéristique du temps réel critique.
-
Impossibilité d'envoyer des messages prioritaires.
6.4.2. BUS A JETON - ANNEAU A JETON
–
Avantages de l'anneau à jeton
- Simplicité relative de la gestion du jeton qui passe séquentiellement de nœud
adjacent en nœud adjacent sans nécessiter d'adressage explicite.
- Dans le bus à jeton, le transfert du jeton s'effectue pratiquement comme un
échange de message d'information normal avec donc une perte potentielle de
performance.
–
Avantages du Bus à jeton
- Simplicité du câblage et des raccordements.
- Possibilité d'un transfert plus sélectif du jeton aux nœuds qui ont réellement
des informations à transmettre en tenant compte, le cas échéant, de priorités.
6.4.3. BANDE DE BASE - LARGE BANDE
–
Avantages des réseaux large bande
- Possibilité d'avoir, sur un même câble, des canaux utilisés comme réseaux, des
canaux réservés à des liaisons point-à-point pour des transmissions critiques,
des canaux vocaux et vidéo.
- Plus longue portée (emploi de coaxes de gros diamètre)
–
Avantages des réseaux bande de base
- Simplicité des équipements de transmission
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
94
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Figure 6.8. Performances comparées des méthodes d'accès
Tiré de [BOULLART, 1984]
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
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6.5. SYSTEMES DE CABLAGE ETHERNET
Du fait de son statut de standard de fait, ETHERNET bénéficie de nombreux
systèmes de câblage et d'interfaces peu coûteuses. Nous les passerons rapidement en
revue dans les paragraphes qui suivent.
6.5.1. CABLAGE 10 BASE 5
(10 pour 10 Mbits/s - 5 pour 500 m)
C'est le câblage standard initial d'ETHERNET. Il utilise du "gros" coaxe (diamètre
± 1 cm). Certaines limitations assez contraignantes sont reprises sur la figure 6.9. :
-
longueur maximum du segment : 500 m
-
longueur maximum du câble de connexion (transceiver cable) : 50 m.
Notons que les connecteurs (transceivers) sont des éléments actifs. C'est en
particulier à leur niveau que se fait la détection des collisions (figure 6.14.). Il
s'agit donc d'éléments assez coûteux (± 10.000 FB). Les câbles de connexion, qui
doivent aussi amener l'alimentation au transceiver, comportent 4 paires soit 8 fils.
-
nombre maximum de transceivers par segment : 100.
Notons que, comme montré à la figure 6.9., des concentrateurs peuvent être
utilisés qui multiplient le nombre d'usagers du réseau sans multiplier le nombre
de transceivers.
-
distance minimale entre transceivers : 2,50 m.
Figure 6.9. ETHERNET – 10 BASE 5
Si la longueur de 500 m n'est pas suffisante, il est possible d'utiliser des répéteurs
pour chaîner des segments. Cependant, comme montré à la figure 6.10., on ne peut
chaîner au maximum que 5 segments à l'aide de 4 répéteurs pour autant que 2 des 5
segments ne comportent aucune station connectée. Dans le cas contraire, seuls 3
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
96
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segments peuvent être chaînés. Il y correspond des longueurs maximales du réseau de
2.500 et 1.500 m respectivement. Remarquons que si les segments sans connexion sont
réalisés en fibres optiques, leur longueur peut atteindre 2 km ce qui porte 5,5 km la
longueur maximale.
6.5.2. CABLAGE 10 BASE 2
(figure 6.10.)
Ce système de câblage utilise du coaxe mince. Des limitations analogues à celles
mentionnées ci-dessus sont d'application : les segments sont ici limités à 185 m et le
nombre de connexions par segment ne peut dépasser 30. De même, 4 répéteurs
maximum peuvent être placés en série dans les mêmes conditions que celles de la figure
6.10.
Une différence importante avec le cas précédent est que les stations doivent être
directement raccordées au coaxe par un connecteur en T (BNC) (cf. figure 6.14.) dans la
mesure où la détection des collisions se fait au niveau des cartes d'interfaces. Il n'y a
donc pas ici de câbles transceiver. Il s'ensuit que le précâblage du réseau est difficile à
réaliser puisque l'ajout d'une nouvelle station oblige à prolonger et à dévier le coaxe
jusqu'à elle. De plus, le câble se trouve exposé à tout espèce d'accrochages, d'arrachages
ou d'écrasements involontaires.
Figure 6.10. ETHERNET – 10 BASE 2
6.5.3. CABLAGE 10 BASE T
(figure 6.11.)
(T pour Twisted Pair)
Il s'agit ici d'un câblage en étoile vers un concentrateur, appelé "hub", à l'aide de
paires torsadées de 100 m maximum.
Les hubs peuvent être empilés localement (480 portes maximum) ou chaînés à
l'aide de paires torsadées (distance de 100 m maximum), de coaxes minces (distance de
185 m maximum) ou de fibres optiques (distance de 2 km maximum).
Il s'agit assurément ici d'un système de câblage à la fois très souple et très fiable
car la déconnexion d'une station ne perturbe en rien le fonctionnement du réseau.
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
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Figure 6.11. ETHERNET – 10 BASE T
6.5.4. CABLAGE 10 BASE FL
(figure 6.12.)
(FL pour Fiber Link)
Il s'agit d'un câblage en tout point analogue au précédent excepté que les paires
torsadées sont remplacées par des fibres optiques. Les distances maximales entre
stations et hub sont de 2 km.
Ce système de câblage peut s'avérer très intéressant en milieu industriel fortement
perturbé. Il faut cependant mentionner que les cartes d'interface ETHERNET standard
ne possèdent pas (encore) de prise pour fibre optique. Un adaptateur relativement
coûteux est donc nécessaire.
Figure 6.12. ETHERNET – 10 BASE FL
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
98
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6.5.5. CABLAGE 100 BASE T et 100 BASE F
Depuis peu sont apparus des réseaux Ethernet à 100 Mbits/s utilisant des
techniques de câblage avec hubs similaires à celles présentées ci-dessus. On trouve des
versions à paires torsadées (100 BASE T) ou à fibres optiques (100 BASE F)..
6.5.6. SEGMENTATION DU RESEAU (Switching Hub)
Avec les hubs classiques, tout message arrivant sur une porte d’entrée d’un hub
est automatiquement transmis vers toutes les portes de sortie de ce hub et peut donc
entrer en collision avec un message émis par n’importe quelle autre station.
Une solution plus efficace est maintenant possible grâce à l’existence de switching
hubs. Ceux-ci sont capables de mémoriser par apprentissage la configuration du réseau.
Ainsi, un message arrivant sur une porte d’un tel switching hub ne sera transmis qu’à la
porte de sortie à laquelle est attaché le destinataire du message.
Comme montré à la figure 6.13., un câblage judicieux permettra de segmenter un
réseau Ethernet en regroupant sur des hubs standards les stations fortement
interactives. Leurs échanges ne seront pas « vus » par les autres stations ce qui réduit
évidemment très fort les probabilités de collisions tout en n’empêchant pas des stations
appartenant à des groupes différents de communiquer entre elles si nécessaire.
De plus, ces switching hubs peuvent interconnecter des segments Ethernet
travaillant à des vitesses différentes : par exemple 10baseT ou 100baseT selon la
configuration des portes.
Figure 6.13. Segmentation d'un réseau par un switching hub
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
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6.5.7. Connectique
La connectique associée aux différents systèmes de câblage décrits ci-dessus est
montrée à la figure 6.14.
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
100
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Figure 6.14. ETHERNET – Connecteurs pour les différents systèmes de câblage
Chapitre 6 – TOPOLOGIES ET CONTROLE D'ACCES DES RESEAUX
101
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Chapitre 7
LE RESEAU D'ATELIER MAP/MMS
7.1. LE CONCEPT MAP/TOP ET SON EVOLUTION
MAP :
TOP :
MMS : :
Manufacturing Automation Protocol
Technical Office Protocol
Manufacturing Message Specification
Vers le début des années 1980, la firme GENERAL MOTORS s'est rendu compte
que ses usines perdaient leur compétitivité face aux concurrents japonais et qu'un
intense effort dans le sens de l'automatisation devait être accompli pour remonter le
courant (40 milliards de $ d'investissement prévus !).
Automatisation doit être compris ici non seulement dans son sens classique
(robotisation, régulation, etc.) mais encore, et surtout, dans le sens d'une coordination
des différents outils de production et de leur mise en symbiose, sur le plan informatique,
avec les outils de conception, de gestion, de contrôle de qualité (CIM : Computer
Integrated Manufacturing).
Cette volonté d'automatisation s'est cependant rapidement heurtée au problème de
la communication entre systèmes "intelligents" de nature et de constructeurs différents
(ordinateurs, automates programmables, machines-outils, robots, ...).
Une étude
effectuée en 1981 a révélé que les dépenses directement liées à ce problème de
communication (matériel + logiciel + formation) pouvaient atteindre 50 % des frais
entraînés par l'automatisation !
Ceci a amené GENERAL MOTORS à définir un protocole de communication
général, capable de répondre à ses besoins, et à imposer ce protocole à ses différents
fournisseurs; c'est le MAP ou Manufacturing Automation Protocol.
On estime que l'intégration rendue possible par MAP pourrait réduire le prix d'une
voiture de quelque 2.000 $ et raccourcir de près de 2 ans le délai d'introduction d'un
nouveau modèle, tout cela sans compter l'amélioration de la qualité des produits.
L'intérêt quasi unanime qu'a suscité MAP, tant du côté des utilisateurs que du
côté des constructeurs, s'explique par :
–
le poids commercial de GENERAL MOTORS : plus de 100.000 systèmes intelligents
actuellement en service;
–
la conformité des spécifications de MAP avec le modèle OSI de l'ISO et avec les
normes en vigueur (IEEE 802.2 et 802.4 notamment).
MAP peut ainsi prétendre à une vocation universelle et ouvre de ce fait la voie à la
réalisation de circuits VLSI spécifiques et d'interfaces standards.
–
le fait que MAP ait été défini par un utilisateur, ce qui permet aux constructeurs
de s'y aligner sans perdre la face.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
102
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
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De nombreux utilisateurs d'importance se sont d'ailleurs rapidement ralliés au
concept MAP. Parmi les plus importants, on trouve : BOEING, DUPONT, FORD MOTOR,
ICAM (U.S. AIR FORCE), MCDONNELL DOUGLAS, EASTMAN KODAK, INLAND STEEL,
DEERE, PROCTOR AND GAMBLE.
Pour ce qui est des constructeurs, citons : Allen-Bradley, DEC, GOULD, IBM,
Motorola, Concord Data Systems, ASEA, ATT, Honeywell, NCR, Siemens, CincinnatiMilacron, Fairchild, Foxboro, Square D, General Electric, Fisher Controls, Westinghouse,
Apollo, Bailey Controls, Struthers-Dunn, etc.
D'un autre côté, à l'initiative de la firme BOEING cette fois, une démarche
analogue à celle de GENERAL MOTORS a été rendue publique en juin 1984 pour les
communications au niveau gestion de l'usine, c'est le projet TOP (Technical Office
Protocol). Les niveaux supérieurs sont identiques à ceux de MAP sauf, bien entendu, la
couche application. Un plus large éventail de solutions est prévu pour les couches
inférieures.
Le projet MAP/TOP apparaît comme particulièrement ambitieux puisqu'il envisage
la normalisation des 7 couches du modèle OSI, y compris la couche application. De fait,
il a fallu attendre 1985 pour trouver les premières installations industrielles aux Etatsunis et 1986 pour réaliser les premières démonstrations en Europe et pour assister à la
naissance de l'EMUG (European Map User Group).
Force est cependant de constater que MAP n'a pas réalisé la percée industrielle à
laquelle on aurait pu s'attendre. Les raisons de ce qu'il faut bien appeler un insuccès
sont, à notre sens, de deux ordres :
– la complexité des protocoles utilisés qui, d'une part, grève assez lourdement les
performances du réseau et, d'autre part, rebute les industriels qui craignent de se
retrouver sous la dépendance d'informaticiens pour la gestion de leur réseau;
– la complexité du système de câblage retenu (coaxe large bande) comportant des
modems et des amplificateurs non seulement très coûteux, mais aussi très délicats à
régler, à tester, à maintenir.
Pour répondre à la première critique, les concepteurs de MAP ont défini, dès 1984,
une version allégée du protocole, mini-MAP, destinée à des échanges de données en
temps réel, mais toujours avec le même système de câblage.
Une réponse à la seconde critique a été apportée par l'EMUG en proposant "MAP
sur Ethernet", c'est-à-dire, plus précisément, en remplaçant dans les couches inférieures
du réseau, la norme 802.4 par la norme 802.3. De ce fait, MAP disposait d'emblée de
tout le système de câblage d'Ethernet, simple, bien connu, bon marché et offrant, entre
autres, une version à fibre optique intéressante dans le contexte industriel.
Bien entendu, l'abandon du 802.4 s'accompagnait de l'abandon du caractère
déterministe du réseau, excluant donc toute utilisation de type temps réel. Il faut
cependant bien être conscient qu'au niveau (atelier) où se situe MAP dans la hiérarchie
des réseaux, il serait assez peu rationnel d'y placer des échanges critiques du point de
vue des délais. C'est en effet aux réseaux de terrain, voire de cellule, qu'il convient de les
confier.
Les constructeurs se sont dès lors assez facilement ralliés à cette évolution.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
103
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
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Enfin, le pas vers Ethernet ayant été franchi, beaucoup se demandent si le pragmatisme
ne devrait pas être poussé plus loin encore en abandonnant la lourdeur du modèle OSI
au profit du réseau TCP/IP. Ce dernier, bien que non normalisé, constitue un standard
de fait en informatique de gestion, avec tous les avantages pratiques afférents à une large
diffusion.
Il ne resterait plus dans ce cas du MAP initial que la couche application, à savoir
la messagerie industrielle MMS (Manufacturing Message Specification). C'est en fait le
seul point qui intéresse vraiment l'utilisateur industriel puisque c'est lui qui constitue la
clé de l'interopérabilité.
La définition de cette messagerie a demandé des efforts considérables, car elle vise
à fournir à l'utilisateur des services génériques lui permettant de couvrir l'essentiel des
applications possibles en milieu industriel. Stabilisée depuis 1989, elle fait l'objet d'une
normalisation par l'ISO.
On constate qu'elle séduit de plus en plus les concepteurs d'automatismes par la
solution efficace et moderne qu'elle apporte au problème de l'interfonctionnement
d'équipements hétérogènes. Ainsi, elle est maintenant complètement intégrée dans
l'environnement WINDOWS. De plus, elle a été reprise, sous une forme simplifiée, dans
le bus de terrain PROFIBUS. Certes, elle fait intervenir des concepts nouveaux (machine
virtuelle, relation client-serveur) mais ceux-ci ne devraient pas être trop difficiles à
assimiler par des automaticiens. Nous essayerons d'en apporter la preuve dans les
paragraphes qui suivent.
7.2. ARCHITECTURE DU RESEAU MAP
La figure 7.1. décrit l'architecture du réseau MAP dans sa forme initiale.
On constate que toutes les couches correspondent bien à des normes ISO ou
IEEE. Nous n'entrerons pas dans le détail du fonctionnement de celles-ci. Seule la
couche application sera quelque peu approfondie dans le paragraphe 7.3.
Remarquons qu'une gestion du réseau est prévue et également normalisée.
La figure 7.2. présente la version MAP sur ETHERNET; seules les couches basses
(1 et 2) du système de communication ont dû être modifiées.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
104
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 7.1. Architecture de MAP
Tiré de [NUSSBAUMER, 1991]
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
105
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 7.2. Architecture de MAP sur ETHERNET
Tiré de [NUSSBAUMER, 1991]
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
106
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
7.3. LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
MMS : Manufacturing Message Specification
Le but de la messagerie industrielle est donc d'offrir au concepteur
d'automatismes des outils à sa portée pour la réalisation d'applications de contrôle
distribuées faisant intervenir des équipements hétérogènes.
Sur le plan fonctionnel, MMS fait appel à deux concepts nouveaux (pour
l'automaticien) : celui d'équipement virtuel de fabrication VMD (Virtual Manufacturing
Device) et celui de relation client/serveur.
7.4. L'EQUIPEMENT VIRTUEL DE FABRICATION VMD
La figure 7.3. montre le schéma fonctionnel d'un système de contrôle distribué vu
par l'utilisateur. Les différents équipements, que l'on suppose ici hétérogènes, accèdent
au système de communication par l'intermédiaire de la messagerie industrielle MMS.
A supposer que l'interconnexion soit établie, pour pouvoir dialoguer avec ses
collègues, chaque équipement devrait tenir compte de la structure interne particulière de
chacun des autres, de sa syntaxe d'adressage des variables internes, des entrées/sorties,
du mode de codage des nombres, etc.
On conçoit que cette manière de faire pourrait rapidement se révéler d'une
lourdeur prohibitive. De plus, tous les programmes de tous les équipements devraient
être modifiés si l'un quelconque de ces équipements était ultérieurement remplacé par un
autre d'une marque différente.
PRINCIPE DE LA VMD
La solution proposée ici consiste à décrire la structure et le fonctionnement des
différents équipements réels à l'aide d'objets standards, communs à l'ensemble du
réseau. Chaque équipement physique aura donc ainsi son correspondant virtuel, la
VMD; les transactions se feront alors de manière homogène entre ces VMD plutôt
qu'entre les équipements réels. La figure 7.4. montre comment les choses se présentent
dans cette nouvelle optique.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
107
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 7.3. Schéma fonctionnel d'un système de contrôle distribué vu par
l'utilisateur
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
108
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 7.4. Principe de l'équipement virtuel de fabrication : VMD
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
109
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Pour que cela puisse fonctionner, deux conditions sont nécessaires :
– il doit exister, au sein du processeur de communication, un mécanisme qui fait en
sorte que toutes les manipulations effectuées sur la VMD à partir du réseau soient
immédiatement répercutées dans l'équipement physique et vice versa;
– il faut que les objets standards proposés par MMS pour constituer les VMD soient
susceptibles de décrire tous les équipements de fabrication présents et à venir, du robot
à l'automate en passant par la machine-outil à commande numérique.
Par hypothèse, la première condition est évidemment remplie. Pour ce qui est de
la seconde, la liste des objets standards actuellement disponibles est donnée à la figure
7.5.
Nom français
Nom anglais
Variable nommée
Accès dispersé
Liste nommée de variables
Type nommé
Sémaphore
Condition événementielle
Action événementielle
Enregistrement d'événement
Journal
Domaine
Instance de programme
Station opérateur
Named variable
Scattered access
Named variable list
Named type
Semaphore
Event condition
Event action
Event enrollment
Journal
Domain
Program invocation
Operator station
Classes d'objets nommés
Nom français
Nom anglais
Transaction
Automate de sauvegarde
Variable anonyme
Rubrique de sémaphore
Transaction
Upload state machine
Unnamed variable
Semaphore entry
Classes d'objets anonymes
Figure 7.5. Objets MMS standards
Tiré de [NUSSBAUMER, 1991]
– Variables : ce sont évidemment les objets les plus utilisés.
plusieurs types mais nous n'entrerons pas ici dans les détails.
Il en existe de
– Domaine : cet objet peut représenter un programme ou une partie d'un
programme ou des données d'un programme que l'on peut par exemple télécharger ou
sauver individuellement.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
110
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
– Instance de programme : il ne s'agit pas à proprement parler d'un objet mais
plutôt d'une structure de contrôle portant sur l'exécution d'une tâche obtenue par la
réunion d'un ou plusieurs domaines (création de la tâche, démarrage, arrêt, …).
–
Sémaphore : utilisé pour coordonner l'accès à des ressources communes.
– Evénement : information émise spontanément par la VMD lorsqu'une condition
prédéfinie se produit.
– Station opérateur : cet objet permet d'inclure dans la VMD des fonctions
élémentaires de dialogue opérateur.
–
…
7.5. LA RELATION CLIENT-SERVEUR
7.5.1. Principe
Une fois constituée la VMD associée à un équipement physique, tous les autres
équipements connectés au réseau peuvent y accéder par l'intermédiaire de services MMS
appropriés. Ces services doivent bien entendu être activés par les programmes tournant
dans les équipements en question.
Cette situation est symbolisée à la figure 7.6.
On remarque que l'équipement de gauche joue, par VMD interposé, un rôle
essentiellement passif : on parle dans ce cas de SERVEUR. C'est l'équipement de droite
qui prend toutes les initiatives, c'est pourquoi il est qualifié de CLIENT.
Plus généralement, la notion client/serveur est un modèle de relation entre
partenaires qui dépasse le simple échange de données. Un client peut, par exemple,
demander à un serveur d'exécuter une opération prédéfinie sur des données locales. Une
fois l'opération réalisée, le serveur communique au client le résultat de l'opération sous
forme de données en retour ou sous forme d'un simple compte-rendu.
Il est à noter que la qualité de client ou de serveur n'est pas attachée
physiquement à un équipement. Il peut très bien se faire qu'à un moment un
équipement joue le rôle de client et à un autre moment celui de serveur.
7.5.2. EXEMPLES DE SERVICES MMS
On a repris aux figures suivantes, des exemples des principaux services MMS afin
de donner une idée de toute la puissance du concept
–
Lecture et écriture de variables (figure 7.7.à
–
Gestion des domaines (figure 7.8.)
–
Gestion des instances de programme (figure 7.9.)
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
111
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 7.6. L'architecture client/serveur de MMS
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
112
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
Primitive
Read req/ind
Paramètres
Argument
Spécification demandée dans
résultat
Spécification de l'accès aux
variables
Read rsp/cnf
Résultat (+)
Spécification de l'accès aux
variables
Liste des résultats d'accès
Résultat (–)
Type d'erreur
InformationReport req/ind
Argument
Spécification de l'accès aux
variables
Liste des résultats d'accès
Write req/ind
H. LECOCQ
Fonction
Lecture par le client de
valeurs de variables du
serveur
Notification au client
par le serveur de la
valeur de variables
Argument
Spécification de l'accès aux
variables
Liste de données
Résultat (+)
Liste des résultats d'écriture
Succès
Erreur d'accès aux
données
Résultat (–)
Type d'erreur
Ecriture par le client de
variables du serveur
Figure 7.7. Services MMS pour la lecture et l'écriture de variables
Tiré de [NUSSBAUMER, 1991]
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
113
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
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Figure 7.8. Services MMS de gestion des domaines
Tiré de [NUSSBAUMER, 1991]
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
114
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Figure 7.9. Services MMS de gestion des instances de programme
Tiré de [NUSSBAUMER, 1991]
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
115
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
7.6. ETAPES DE LA MISE EN OEUVRE
On décrit enfin, dans ce paragraphe, les étapes de la mise en œuvre d'un système
de contrôle distribuée basé sur MMS.
7.6.1. OPERATIONS A EFFECTUER DANS CHAQUE STATION
–
Définition de l'application locale
Définition de la VMD (si la station est destinée à travailler en mode serveur)
–
Liste des applications distantes
Etablir la liste des entités d'applications distantes avec lesquelles la station locale
est appelée à travailler.
La manière d'introduire ces paramètres dépend de chaque constructeur. Pour les
détails, nous renvoyons le lecteur aux manuels correspondants.
7.6.2. UTILISATION DES SERVICES MMS
En mode client, les services MMS doivent être activés à partir des programmes
développés par l'utilisateur.
–
Dans les automates programmables
-
–
Les services MMS sont intégrés dans les langages propres aux différents
constructeurs. Par exemple : FB de communication chez SIEMENS, OFB chez
TELEMECANIQUE, blocs textes chez ALLEN-BRADLEY.
Dans les PC
-
Les services sont disponibles dans des librairies pour langage C
-
Des langages spécifiques plus abordables par des automaticiens ont également
été développés (Easy MAP par exemple). Ils sont d'un niveau de complexité
semblable au BASIC.
Plus récemment, MMS a été intégré dans WINDOWS par l'intermédiaire du DDE
(Dynamic Data Exchange). L'accès à MMS est ainsi ouvert à tous les programmes
tournant sous WINDOWS et supportant DDE : EXCEL, VISUAL BASIC et tous les
superviseurs industriels du marché (FACTORY LINK, IN TOUCH, PC VUE, ...).
7.6.3. EXEMPLE D'APPLICATION
A compléter ultérieurement.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
116
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Chapitre 8
Le réseau TCP/IP
8.1. HISTORIQUE
Comme le passé l'a souvent montré, la normalisation est une entreprise lourde et
longue, assez peu compatible avec une dynamique de marché, surtout quand le secteur
concerné est en expansion rapide comme c'est le cas des réseaux de communication.
Des solutions existantes émergent alors, plus ou moins par hasard, et, focalisant
l'essentiel des développements, deviennent des standards de fait par effet boule de neige.
Il en est ainsi de TCP/IP.
TCP (Transmission Control Protocol)/IP (Internet Protocol) est un concept
d'interconnexion de réseaux développé, dans les années 70, par le DARPA (Defense
Advanced Research Project Agency – USA).
Prévu initialement pour des besoins militaires, le concept a été étendu à la
communauté universitaire dès le début des années 80. A partir des années 90, il s'est
ouvert au grand public pour donner lieu à l'INTERNET tel que nous le connaissons
actuellement.
De plus, les protocoles TCP/IP, du fait de leur large diffusion, ont également été
adoptés au niveau des réseaux locaux alors que ce n'était pas du tout leur vocation
première. Ils y sont en général associés à Ethernet, un autre standard de fait, pour
constituer ce que l'on appelle un INTRANET.
Enfin, au plan industriel maintenant, on a indiqué, au chapitre 1, que TCP/IP –
Ethernet descendait de plus en plus bas dans la pyramide du CIM et atteignait déjà les
équipements de terrain !
8.2. L'ARCHITECTURE TCP/IP
La figure 8.1. situe l'architecture TCP/IP par rapport au modèle OSI [PUJOLLE,
1998].
En gros, on peut dire que le protocole IP correspond à la couche réseau et le protocole
TCP à la couche transport. Notons qu'au même niveau que TCP, on trouve le protocole
UDP (User Datagram Protocol) qui assure des services transports très simplifiés (cf. §
8.3.2.)
Les protocoles situés au-dessus de TCP-UDP sont de type applicatif et
proviennent, pour la plupart, du monde UNIX.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
117
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
OSI
TCP/IP
Application
T
B
U S E
U
S H T
O
F
S N L
S
M T F
O
T
E M N
E
T T T
T
P
R P E
R
P P P
P
T
Présentation
Session
Transport
TCP (Transmission
Control Protocol)
Réseau
UDP
IP
Internet Protocol
Liaison
de données
Diverses
Physique
possiblités
Figure 8.1. Architecture TCP/IP et modèle OSI
8.3. LE PROTOCOLE TCP/UDP
8.3.1. LE PROTOCOLE TCP
Le protocole TCP est un protocole de transport fiable avec connexion.
A l'émission, TCP segmente les messages en paquets ou datagrammes. Ces
datagrammes sont alors routés individuellement dans le réseau par le protocole IP; le cas
échéant, ils peuvent suivre des chemins différents et arriver ainsi en ordre dispersé.
A la réception, le protocole TCP replace les datagrammes dans l'ordre correct et les
assemble pour restituer le message initial.
En cas d'erreur de transmission ou de pertes de datagrammes, TCP prend les
mesures correctives nécessaires qui consistent, en général, à demander la réémission des
datagrammes en défaut.
La technique de segmentation a pour but d'éviter que des messages de grande
taille (fichier, plans, etc.) ne puissent accaparer le réseau trop longtemps au détriment
d'autres messages.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
118
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Les datagrammes constitués par TCP ont la structure montrée à la figure 8.2.
Octet 1
1
Octet 2
8
Octet 3
16
TCP Source Port
Octet 4
24
32
TCP Destination Port
Sequence Number
Acknowledgment Number
Header
length
U A P R S F
R K S S Y I
Checksum
Window
Urgent Pointer
USER
DATA
Figure 8.2. Structure d'un datagramme TCP
Sans entrer dans tous les détails, notons les points suivants :
– les numéros de porte identifiant les programmes applicatifs qui utilisent, à un
moment donné, l'accès au réseau. Il peut y en avoir plusieurs simultanément et les
numéros de porte permettent de les distinguer. Ces numéros correspondent au TSAP du
modèle OSI (cf. § 2.3.).
– le numéro de séquence spécifie le numéro d'ordre du datagramme à l'émission. Il
permet de replacer les datagrammes dans l'ordre correct à la réception. Notons que la
numérotation se rapporte plus exactement aux octets du message. Ainsi, si les
datagrammes sont de 500 octets, le premier recevra le numéro 0, le deuxième 500, le
troisième 1500 et ainsi de suite.
– le checksum est un code de détection d'erreur couvrant le datagramme envoyé (cf.
§ 5.2.)
– le champ "URG" = urgent permet de demander de traiter en urgence une donnée
particulière, en général relative à un événement asynchrone (la frappe d'un caractère de
contrôle par exemple). La donnée en question est repérée dans le message par le champ
"Urgent Pointer".
Un datagramme émis par un nœud du réseau peut aussi contenir des
informations relatives à la réception par ce nœud de messages en provenance de son
correspondant. Ainsi :
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
119
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
– le champ "Aknowledgment Number" indique que le nombre d'octets reçus
correctement;
– le champ "Window" sert au contrôle de flux entre les deux correspondants. Il
indique le nombre d'octets que l'émetteur est capable de traiter en réception. Si ce
nombre tombe à zéro, le correspondant doit suspendre momentanément ses envois.
8.3.2. LE PROTOCOLE UDP
Le protocole UDP (User Datagram Protocol) est également un protocole de niveau
transport mais beaucoup plus simple que TCP. Il travaille en effet en mode non
connecté, sans reprise sur erreur, sans acquittement, sans reséquencement des
messages et sans contrôle de flux. Il présente, de ce fait, un temps d'exécution beaucoup
plus court que TCP.
UDP est utilisé pour des applications où la vitesse prime sur la sécurité :
consultations d'annuaire par exemple.
Le format d'un datagramme UDP est montré à la figure 8.3. n On constate qu'il
met pratiquement l'application en "prise directe" sur IP.
Octet 1
1
Octet 2
8
Octet 3
16
Octet 4
24
UDP Source Port
UDP Destination Port
Length
Checksum
32
USER
DATA
Figure 8.3. Structure d'un datagramme UDP
8.4. LE PROTOCOLE IP
Le protocole IP est un protocole de niveau réseau sans connexion (cf. § 2.3.3.) et
dont la sécurisation est assez faible (pas de détection de paquets perdus ni de reprise sur
erreur). Comme expliqué au paragraphe 8.3., c'est TCP qui a pour mission de fiabiliser la
communication.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
120
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
En fait, IP a pour rôle principal de trouver un chemin dans le réseau pour les
datagrammes qui lui sont transmis par TCP.
Avec l'expansion foudroyante d'Internet, le protocole IP original (actuellement
dénommé IP version 4 ou IPv4) se trouve à bout de souffle, notamment au niveau de la
capacité d'adressage. C'est pourquoi une nouvelle génération du protocole IP, IPv6, est
en cours d'introduction.
8.4.1. LE PROTOCOLE IPv4
Les paquets envoyés par IPv4 (NDPU en terminologie OSI – cf. § 2.3.) ont l'allure
montrée à la figure 8.4. On y retrouve bien sûr tel quel le datagramme TCP (TSDU en
terminologie OSI) précédé d'un certain nombre d'informations nécessaires au routage
(NPCI en terminologie OSI).
Octet 1
Octet 2
8
1
Version
IHL
Octet 3
16
24
Time to Live
I
P
H
E
A
D
E
R
T
C
P
H
E
A
D
E
R
Fragment Offset
DM
Protocol
32
Total Length
Type of Service
Identification
Octet 4
Header Checksum
IP Source Address
IP Destination Address
TCP Source Port
TCP Destination Port
Sequence Number
Acknowledgment Number
Header
length
U A P R S F
R K S S Y I
Checksum
Window
Urgent Pointer
USER
DATA
Figure 8.4. Structure d'un paquet IPv4
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
121
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Parmi celles-ci, on trouve bien sûr l'adresse de destination et l'adresse source.
Cette dernière est nécessaire pour que le destinataire sache d'où vient le datagramme
car, rappelons-le, le protocole IP travaille sans connexion.
Sans entrer dans le détail, mentionnons encore :
–
version : renseigne la version du protocole utilisée pour le datagramme.
–
type de service : c'est une indication au réseau du type de service désiré qui peut
avoir une influence sur les algorithmes de routage utilisés. Ainsi, pour des
messages vocaux, on privilégiera la vitesse par rapport à la fiabilité et l'inverse
pour l'envoi de fichiers.
–
durée de vie : c'est un compteur qui est décrémenté à chaque passage par un
nœud intermédiaire. Lorsque ce compteur arrive à zéro, le paquet est détruit. Le
but est d'éviter l'établissement accidentel de boucles infinies dans le réseau.
–
protocole : renseigne sur le protocole de transport duquel relève le paquet. En
effet, d'autres protocoles que TCP peuvent utiliser IP.
–
contrôle d'en-tête : c'est un code de détection d'erreur qui couvre uniquement l'entête IP du message (PPCI). Il fiabilise les opérations de routage.
8.4.2. FORMATS D'ADRESSAGE EN IPv4
L'adressage IPv4 s'effectue sur 32 bits soit 4 octets. Pour la facilité, on décrit
généralement une adresse IP en considérant l'équivalent décimal des octets successifs
séparés par des points.
Exemple : 10000000 00000011 00000010 00000011 ≡ 128.3.2.3
Différents formats d'adressage sont possibles dépendent de la valeur des premiers
bits. Ils sont montrés à la figure 8.5. [CRIHAN ATM Course – 1999]
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
122
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
Octet 1
– 2004 –
Octet 2
Octet 3
8
1
16
netid
A
0
B
1 0
C
1 1 0
D
1 1 1 0
E
1 1 1 1 0
H. LECOCQ
Octet 4
32
24
hostid
netid
hostid
netid
hostid
multicast address
réservé pour besoins futurs
Figure 8.5. Formats d'adressage IPv4
Les caractéristiques respectives sont les suivantes :
A : 128 réseaux, 16.777.216 hôtes par réseau
B : 16.384 réseaux, 65.535 hôtes par réseau
C : 2.097.152 réseaux, 256 hôtes par réseau
D : adresses de groupe : diffusion de messages à des groupes d'hôtes
E : réservé pour des besoins futurs
Les équipements susceptibles de communiquer au travers de l'Internet doivent
posséder une adresse IP unique. Celle-ci est attribuée par un organisme international,
l'Internet Assigned Numbers Authority (IANA).
Cet organisme a également défini des plages d'adresses utilisables pour des
réseaux strictement locaux avec, évidemment, perte de toute garantie d'unicité :
10.0.0.0
10.255.255.255
172.16.0.0
172.31.255.255
192.168.0.0
- 192.168.255.255
8.4.3. LE PROTOCOLE IPv6
Le format d'un paquet IPv6 est montré à la figure 8.6. [PUJOLLE – 1998]. On y
retrouve des champs analogues à IPv4. Ainsi, le champ "en-tête suivant" indique le
protocole de transport situé au-dessus de IP (cf. champ "protocole" de IPv4).
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
123
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
Octet 1
– 2004 –
Octet 2
8
1
Version
H. LECOCQ
Octet 3
Octet 4
16
32
24
Flow Label
Priority
Next Header
Payload Length
Hop Limit
IPv6 Source Address
(16 octets)
IPv6 Destination Address
(16 octets)
Figure 8.6. Structure de l'en-tête d'un paquet IPv6
Par contre on remarquera que les adresses sont, cette fois-ci, codées sur 16 octets
(128 bits) au lieu de 4 ! Elles seront décrites ici par groupes de 16 bits (2 octets) séparés
par des doubles points, chaque groupe étant représenté par son codage hexadécimal. Un
exemple est montré à la figure 8.7.
OCTETS D'ADRESSE IPv6
1
2
3
4
5
6
7
8
123 : FC3A : 1024 : A23B :
9
10 11 12 13 14 15 16
0
:
0
: 24 : FEDC
Figure 8.7. Codage d'une adresse IPv6
La capacité d'adressage est cette fois phénoménale puisque le nombre d'adresses
potentielles dépasse 1023 (10.000 milliards de milliards) pour chaque mètre carré de la
surface terrestre !
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
124
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
L'utilisation rationnelle d'une telle capacité d'adressage n'est pas sans poser de
sérieux problèmes. La figure 8.8. donne un exemple de proposition.
Binary Prefix
0000 0000
0000 0001
0000 001
0000 010
0000 011
0000 100
0000 101
0000 110
0000 111
0001
001
010
011
100
101
110
1110
1111 0
1111 10
1111 110
1111 1110 10
1111 1110 11
1111 1111
Type Of Address
Reserved (Ipv4 Compatible)
Reserved
NSAP Addresses
IPX Addresses
Reserved
Reserved
Reserved
Reserved
Reserved
Reserved
Reserved
Provider-Assigned Unicast
Reserved
Reserved For Geographic
Reserved
Reserved
Reserved
Reserved
Reserved
Reserved
Link Local Use Addresses
Site Local Use Addresses
Multicast
Figure 8.8. Formats d'adressage IPv6
8.5. PROTOCOLES D'APPLICATION DE L'ARCHITECTURE TCP/IP
Nous mentionnerons ici quelques protocoles d'application généralement associés à
l'architecture TCP/IP.
¾
FTP (File Transfer Protocol) : protocole de transfert de fichier
¾
TELNET (Terminal virtuel) : permet de connecter un terminal à une machine
distante à travers une machine locale de manière transparente
¾
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) : protocole gérant la messagerie électronique
(e-mail)
¾
SNMP (Simple Network Management Protocol) : protocole intervenant dans la
gestion du réseau
¾
HTTP (HyperText Tranfer Protocol) : protocole utilisé pour la navigation sur le
World Wide Web (www)
¾
TFTP (Trivial File Transfer Protocol) : normalement associé à UDP, ce protocole est
utilisé pour des transferts rapides de fichiers dans des réseaux locaux où la
fiabilité intrinsèque des liaisons est beaucoup meilleure que sur Internet.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
125
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
8.6. TCP/IP SUR ETHERNET
Comme on l'a indiqué au paragraphe 8.1., la plupart des réseaux locaux actuels,
aussi bien bureautiques qu'industriels, associent TCP/IP pour les couches transport et
réseau à Ethernet pour les couches liaison de données et physique.
8.6.1. LA TRAME ETHERNET
Dans le contexte précité, la trame Ethernet a la structure montrée à la figure 8.9.
On remarquera que, fort logiquement, cette trame encapsule les paquets IP qui, euxmêmes encapsulent des datagrammes TCP. Le code de détection d'erreur est du type
CRC 32 et porte sur l'ensemble de la trame.
8.6.2. ADRESSE PHYSIQUE ET ADRESSE IP
Les adresses Ethernet sont physiquement inscrites dans les cartes réseaux. Elles
sont codées sur 6 octets soit 48 bits. On les décrit par le codage hexadécimal des octets
séparés par des points (figure 8.10.)
C'est l'organisation IEEE qui gère l'attribution des adresses et plus
particulièrement des 3 premiers octets qui désignent de manière unique les
constructeurs de cartes (Exemple : 08.00.20 pour SUN). Les constructeurs attribuent
ensuite eux-mêmes un numéro unique à chaque carte fabriquée par l'intermédiaire des 3
derniers octets.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
126
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
Octet 1
H. LECOCQ
Octet 2
8
1
Octet 3
16
Octet 4
24
Ethernet destination address (first 32 bits)
Dest. address (last 16 bits)
Source. address (first 16 bits)
Ethernet source address (last 32 bits)
Frame Length (46<L<1500 octets)
Version
IHL
Time to Live
H
E
A
D
E
R
I
P
H
E
A
D
E
R
T
C
P
H
E
A
D
E
R
Fragment Offset
DM
Protocol
E
t
h
e
r
n
e
t
Total Length
Type of Service
Identification
32
Header Checksum
IP Source Address
IP Destination Address
TCP Source Port
TCP Destination Port
Sequence Number
Acknowledgment Number
Header
length
U A P R S F
R K S S Y I
Window
Urgent Pointer
Checksum
USER
DATA
Ethernet Checksum
Figure 8.9. Structure d'une trame Ethernet
Cependant, lorsqu'un équipement est incorporé dans un réseau TCP/IP, seule
compte son adresse IP. Or il n'y a, a priori, aucune correspondance numérique entre
l'adresse Ethernet et l'adresse IP d'un équipement donné. Une association doit donc être
établie entre les deux. Des mécanismes automatiques ou semi-automatiques ont été
prévus pour ce faire.
L'adresse IP constitue donc en quelque sorte l'adresse logique de l'équipement. Il
est ainsi parfaitement possible de changer une carte de communication défectueuse (et
donc l'adresse physique de l'équipement) sans changer d'adresse logique.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
127
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
OCTETS
1
2
3
4
5
6
. . . . 0 . B3
08 00 20 1A
Code
constructeur
Numéro
carte
Figure 8.10. Codage d'une adresse Ethernet
8.7. TCP/IP ET INTEROPERABILITE
Bien qu'il en ait été maintes fois question, la messagerie industrielle MMS ne
semble finalement pas devoir être portée sur TCP/IP. Reste donc à savoir, alors,
comment assurer l'interopérabilité d'équipements industriels hétérogènes au travers de
TCP/IP.
Une solution semble se concrétiser autour d'OPC (OLE for Process Control), un
produit relevant de l'environnement Microsoft Windows. Il ne s'agit donc pas d'un
standard au sens strict du terme, comme l'était MMS, mais force est de constater qu'il
rallie de plus en plus de suffrages dans le marché industriel.
8.7.1. LE SERVEUR OPC
OPC est un "objet", au sens informatique du terme, qui s'inscrit dans la
philosophie COM (Component Object Model) /DCOM (Distributed Component Object
Model) autour de laquelle Windows semble (après bien des hésitations !) se stabiliser.
La description de l'approche COM/DCOM sortirait du cadre de ce cours. Elle est
par contre au cœur du cours "Microinformatique industrielle" du même auteur.
En se référant à MMS, on peut dire qu'OPC est une sorte de VMD (Virtual
Manufacturing Device) qui offre, de l'extérieur, une vue standardisée et homogène sur les
équipements de contrôle sous-jacents. Notons qu'OPC ne permet l'accès qu'aux données
et aux variables encapsulées à l'exclusion donc des programmes.
Les figures 8.11. et 8.12. permettent d'en comprendre le principe dans deux cas de
figure.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
128
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
OPC OBJECT
(OLE for ProcessControl)
OBJECT A
Cellule 1
OBJECT B
OBJECT B
F
I
E
L
D
B
U
S
P
L
C
OPC
OBJECT D
R
I/O
I/O déportées
Ethernet
TCP/IP
Capteur
Actuateur
PROCESS
Figure 8.11. Principe de l'objet OPC : encapsulation d'un PLC
Dans le premier cas, un automate programmable (PLC) est utilisé en front-end.
Dans le second, le PC est directement connecté au processus par l'intermédiaire d'un bus
de terrain.
L'accès à OPC peut se faire, sous la forme d'une relation
l'intérieur du PC hôte ou de tout autre PC connecté au premier par
C'est le système d'exploitation Windows qui prend en charge
communication, de manière tout à fait transparente tant pour
l'application que pour son utilisateur.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
client/serveur, de
un réseau TCP/IP.
les problèmes de
le développeur de
129
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
OPC OBJECT
(OLE for ProcessControl)
OBJECT A
Cellule 1
OBJECT B
OBJECT B
OPC
OBJECT D
FIELDBUS
R
I/O
I/O déportées
Ethernet
TCP/IP
Capteur
Actuateur
PROCESS
Figure 8.12. Principe de l'objet OPC : attaque directe d'un bus de terrain
8.7.2. LE SERVEUR WEB
OPC a manifestement été conçu dans une optique d'interopérabilité fonctionnelle
temps réel. Il ne permet pas d'accéder aux programmes de contrôle éventuellement
encapsulés pour la mise au point à distance ou du téléchargement.
Une solution "standard" à cet aspect du problème pourrait peut-être s'envisager
par l'intermédiaire des serveurs WEB qui, comme on l'a signalé dans l'introduction (cf. §
1.4.4.), sont de plus en plus souvent intégrés dans les équipements de contrôle.
Les programmes des automates pourraient ainsi apparaître sous forme de pages
WEB avec des modes d'édition et de visualisation dynamique analogues à ceux que l'on
trouve sur les consoles de programmation actuelles.
Mais ceci n'en est encore qu'au stade de la pure conjecture.
Chapitre 8 – LA MESSAGERIE INDUSTRIELLE MMS
130
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Chapitre 9
LES RESEAUX DE TERRAIN
9.1. ANALYSE DU MARCHE
Si l'on se réfère à la pyramide du CIM (cf. figure 9.1.), le langage courant désigne
par "réseaux de terrain", des réseaux qui se situent en fait aux niveaux cellule, terrain ou
capteurs/actuateurs. L'amalgame résulte du fait que la plupart des réseaux considérés
(cf. figure 9.2.) recouvrent plusieurs des niveaux en question, et, pour la majorité d'entre
eux, le niveau terrain.
Usine
3
Atelier
2
Cellule
1
Terrain
0
Capteurs / Actuateurs
MBYTES
MIN
KBYTES
SEC
BYTES
MSEC
BITS
AUTOMATICIEN
4
HEURES
NIVEAU DE
COMPETENCE
INFORMATICIEN
Compagnie
TYPE
D'ECHANGE
ELECTRICIEN
5
VOLUME DE
DONNEES
EVENEMENTIEL
TEMPS DE
REPONSE
CYCLIQUE
NIVEAUX
Figure 9.1. Hiérarchisation des réseaux locaux industriels
En fait, les réseaux de terrain s'efforcent de concilier deux propositions
antagonistes :
-
éviter la multiplication des niveaux de réseaux pour des raisons pratiques de
formation, d'installation, de maintenance, etc.
-
limiter les performances et la complexité à ce qui est strictement nécessaire à
chaque niveau pour diminuer le coût et la facilité du raccordement.
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
131
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
NIVEAUX
5
H. LECOCQ
Réseau public de
Télécommunication
Compagnie
FDDI
Backbone
4
Usine
3
Atelier
MAP
on Ethernet
PROFIBUS
WORLDFIP
2
Cellule
1
Terrain
0
Capteurs / Actuateurs
INTERBUS-S
DEVICENET
ASI BUS
Figure 9.2. Principales propositions actuelles
Contrairement à ce qui se passe au niveau usine et atelier, la confusion est ici
extrême; de multiples réalisations ont vu le jour dont la figure 9.2. ne donne qu'un petit
aperçu. C'est que l'enjeu économique est important vu le nombre de raccordements
potentiels à ce type de réseau (capteurs-actuateurs par exemple).
Chaque constructeur essaie donc frénétiquement de rallier un maximum
d'utilisateurs à sa solution de manière à l'imposer comme standard de fait.
La figure 9.3. montre les résultats d'un sondage réalisé récemment (1995) sur la
perception qu'ont les utilisateurs de l'avenir des différents réseaux de terrain.
On constate que tous semblent encore avoir leur chance.
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
132
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 9.3. Perception par le public de l'avenir des réseaux de terrain
Tiré de "Mesures", Septembre 1995
Cependant, si l'on examine les statistiques relatives aux 8.000 réseaux de terrain
installés en Europe en 1994, on est forcé de reconnaître une nette prédominance de
PROFIBUS et d'INTERBUS-S (figure 9.4.).
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
133
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 9.4. Répartition des 8.000 réseaux de terrain installés en 1994
Tiré de "Mesures", Septembre 1995
Enfin, pour être complet, on met en évidence sur la figure 9.5. l'explosion actuelle
en matière de réseaux ainsi que leur nature fermée ou ouverte et leur origine privée ou
institutionnelle.
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
134
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 9.5. Explosion des propositions en matière de réseaux locaux industriels
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
135
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
9.2. LE RESEAU PROFIBUS (PROcess FIeld BUS)
9.2.1. POSITION SUR LE MARCHE
Le réseau PROFIBUS est en fait une émanation directe de SIEMENS. Comme on
l'a signalé ci-avant, il l'emporte largement actuellement sur le marché européen.
La figure 9.9. donne une idée des offreurs, tandis que la figure 9.7. présente
quelques références impressionnantes.
PROFIBUS, un standard ouvert reconnu par les offreurs
5
soutenu internationalement par plus de 200 constructeurs et ingénieries
5
compte plus de 50 constructeurs directement offreurs
5
savoir faire largement répandu auprès des ingénieries et intégrateurs
5
s'intègre dans tous les progiciels d'exploitation stands du marché, sous Windows ou
OS/2
5
dispose d'une large offre ouverte, plus de 250 produits sont disponibles pour les
utilisateurs sur le marché :
‰ périphérie décentralisée
. Bosch
. Omron
. Weidmueller
. Saia
. Turck
. EuroPEP
. Phoenix Contact
. Wieland
. Siemens
. …
‰ commandes d'axes
. Elau
. Gelma
. Kuhnke
. …
. Falma Control
. KEBA
. Siemens
‰ variateurs de vitesse
. ABB
. Bauer
. Siemens
. AEG
. Danfoss
. …
‰ systèmes d'identification
. Balogh
. Pepperl & Fuchs
‰ électrovannes et distributeurs pneumatiques
. Atlas Copco Automation
. Buerkert
. Joucomatic
. Kuhnke
. …
. Bosch
. Crouzet
. Festo
. Mannesmann Rexroth
‰ contrôleurs de moteurs
. Kloeckner-Moeller
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
. Siemens
136
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 9.6. Offre disponible sur PROFIBUS
Normalisé et (re)connu
‰ DIN 19245, bientôt EN 50170 et norme ANSI
‰ multivendor (60 fournisseurs)
‰ multisystème
‰ 230.000 nœuds installés mondialement
‰ Profibus est choisi par GME comme standard pour ses usines
‰ SIMATIC : 11.000 maîtres DP
‰ SIMATIC : 50.000 ET200U/B/C installés
‰ PROFIDRIVE : 10.000 entraînements sur Profibus
Figure 9.7. Quelques références de PROFIBUS
9.2.2. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES
La figure 9.8. montre la structure du réseau PROFIBUS.
commentaires suivants :
On peut faire les
–
le réseau ne comporte que 3 couches du modèle OSI : 1, 2 et 7 (application).
Aucune de ces couches n'est normalisée au sens de l'ISO ou de l'IEEE
–
la couche 7 comprend en fait 3 protocoles :
-
le protocole DP (Distributed Periphery) correspond aux besoins d'un réseau de
niveau terrain (voir § 9.2.3.)
-
le protocole FMS (Fieldbus Message Specification) correspond au niveau
cellule. Il est directement inspiré de la messagerie industrielle MMS (voir §
9.2.4.)
-
le protocole DDL est utilisé dans le domaine du process control et nous ne
l'étudierons donc pas ici.
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
137
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 9.8. Structure du réseau PROFIBUS
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
138
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
–
support physique : paire torsadée (la fibre optique est également mentionnée)
–
topologie : BUS
–
couche physique : bande de base (drivers RS485), vitesses de 9,6 à 12.000 kbits/s,
segments de 100 m (à la vitesse maximale), 32 utilisateurs maximum par segment,
3 répéteurs maximum en série
–
couche liaison de donnée : méthode du jeton pour le niveau cellule (FMS), polling
pour le niveau terrain (DP)
9.2.3. PROTOCOLE DP (Distributed Periphery)
Comme on l'a explicité sur la figure 9.1., il est essentiel qu'au niveau du terrain
(de même d'ailleurs qu'à celui des capteurs/actuateurs) la mise en œuvre d'un réseau ne
soit pas plus compliquée que la mise en œuvre de cartes d'entrées/sorties.
La figure 9.9. correspond au cas d'entrées/sorties déportées.
Les mots de périphérie du coupleur PROFIBUS sont mis en correspondance avec
les entrées/sorties respectives des stations d'entrées/sorties au cours d'une phase de
configuration (cf. figure 9.10.).
Lors d'une écriture dans un mot de périphérie de "sorties", le réseau PROFIBUS
transmet directement les valeurs de celles-ci dans les sorties physiques correspondantes
de la station distante.
De même, les entrées d'une station distante sont automatiquement transmises par
le réseau PROFIBUS dans le mot de périphérie correspondant du coupleur où
l'utilisateur n'a plus qu'à venir les chercher.
Tout se passe donc pratiquement, pour le programmeur, comme si les
entrées/sorties déportées appartenaient à la périphérie locale.
9.2.4. PROTOCOLE FMS (Fieldbus Message Specification)
Le protocole FMS est essentiellement destiné à des échanges au niveau cellule. Le
principe est en tout point semblable à celui de MMS examiné au chapitre 8 :
–
équipement de terrain virtuel VFD (Virtual Fieldbus Device) composé d'objets
standards (variables, domaines, ...)
–
relation client-serveur
–
associations d'application
Remarquons que, dans le cas de PROFIBUS, on peut en plus donner un caractère
cyclique à certaines communications sans avoir à le programmer explicitement.
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
139
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 9.9. Principe de la programmation avec PROFIBUS-DP
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
140
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 9.10. PROFIBUS-DP – Configuration des plages d'entrées/sorties
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
141
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
9.3. LE RESEAU FIP (Factory Instrumentation Protocol)
Il s'agit d'un réseau d'origine française possédant déjà quelques solides références
(cf. figure 9.11.)
Figure 9.11. Quelques références du réseau FIP Tiré de "Terrain" n° 1
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
142
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
9.3.1. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES
Nos informations sur FIP sont assez fragmentaires et nous n'avons aucune
expérience pratique de ce réseau. Nous nous bornerons dès lors à en présenter quelques
éléments caractéristiques qui s'écartent assez fortement de tout ce que nous avons vu
jusqu'ici.
–
Structure du réseau
La figure 9.12. montre la structure du réseau.
PROFIBUS, elle ne comporte que 3 couches 1, 2 et 7.
normalisée au sens de l'ISO ou de l'IEEE.
On constate que, comme
Aucune des couches n'est
Figure 9.12. Structure du réseau FIP
–
la couche application (7) comprend trois sous-ensembles principaux :
-
ABAS : services application d'arbitrage de bus (voir § 9.3.2.)
-
MPS : services périodiques/apériodiques variables (voir § 9.3.2.)
-
sub MMS : sous-ensemble de services de messagerie
Nous n'avons pu recueillir aucune information sur cette messagerie qui,
comme son nom l'indique, semble être un sous-ensemble de MMS.
–
le support physique de transmission est la paire torsadée blindée (la fibre optique
est également mentionnée)
–
topologie : BUS ou étoile
–
la vitesse standard est de 1 Mbits/s (5 Mbits/s sur fibre optique)
–
longueur du réseau : 2 km
–
nombre maximum de nœuds : 250
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
143
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
–
– 2004 –
H. LECOCQ
couche liaison de donnée (MAC) : méthode du polling par nœud maître. A noter
qu'en cas de défaillance du nœud maître, n'importe quel autre nœud peut prendre
le relais de manière automatique.
9.3.2. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT
Le fonctionnement du réseau est schématisé à la figure 9.13.
Figure 9.13. Principe de fonctionnement du réseau FIP
L'arbitre de BUS est responsable du polling. Notons que ce polling est réalisé sur
base non des stations mais des variables à transmettre. Ainsi, par exemple, à un
moment donné l'arbitre de BUS émet l'identificateur de la variable "a". Celui-ci est
reconnu par le producteur de la variable en question (P sur la figure) et le ou les
consommateurs de ladite variable (C1, C2, C3 sur la figure). Le producteur place alors la
valeur de la variable sur le BUS et le ou les consommateurs en font l'acquisition.
Ce polling se fait sur base d'une table établie dans une phase de configuration et
qui a l'allure montrée à la figure 9.14.
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
144
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 9.14. Configuration du polling
On voit que la scrutation de la variable A est demandée toutes les 5 ms et que le
temps nécessaire à sa lecture (compte tenu de son type) est de 170 µs. De même, la
scrutation de la variable B est demandée toutes les 10 ms et ainsi de suite.
On va dès lors instaurer, pour le cycle de base du polling, une valeur de 5 ms. A
chaque cycle, on procédera à la lecture de A, tous les deux cycles à celle de B, tous les
trois cycles à celle de C et ainsi de suite.
La charge qui en résulte pour le réseau est montrée à la figure 9.15.
Figure 9.15. Exemple de charge du réseau
On constate que les 5 ms prévus pour le cycle de polling ne sont pas
complètement utilisés, même lors des pointes de charge. Le temps qui reste libre peut
alors être utilisé pour des échanges non périodiques de variables ou de messages. Le
cas échéant, ces messages pourront être étalés sur plusieurs cycles de base.
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
145
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
9.4. LE RESEAU INTERBUS-S
Le réseau INTERBUS-S a été conçu par la firme PHOENIX CONTACT mais
l'utilisation en est complètement libre (cf. figure 9.5.).
Plus de 200 sociétés proposent déjà du matériel de terrain compatible INTERBUSS.
9.4.1. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES
–
support physique : paire torsadée RS 485. Sont aussi mentionnés : fibre optique,
infrarouge
–
topologie : anneau
–
vitesse de transmission : 500 kbits/s
–
longueur : 400 m maximum entre stations, 13 km maximum au total, 256 stations
maximum
–
contrôle d'accès : méthode TDMA (Time Division Multiple Access) (cf. chapitre 6,
§ 6.2.4.) pilotée par un coupleur. Ce dernier étant installé dans un automate ou
dans un ordinateur.
La figure 9.19. montre une configuration caractéristique du réseau INTERBUS-S.
Les principaux coupleurs disponibles actuellement y sont indiqués.
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
146
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 9.16. Architecture typique du réseau INTERBUS-S
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
147
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
9.4.2. PERFORMANCES COMPAREES
Comme on l'a expliqué au chapitre 6. l'intérêt du TDMA est d'être complètement
déterministe. De plus, dans le cas d'un bus de terrain, les échanges sont cycliques et la
longueur des messages connue et fixe. Il n'y a donc ici aucun "gaspillage" lié au TDMA.
La figure 9.17. montre l'avantage de la méthode TDMA par rapport à une méthode
plus classique (en l'occurrence PROFIBUS-DP) dans le cas particulier du
rafraîchissement d'entrées/sorties déportées. On constate en effet que les indications de
"service" sont réduites au minimum dans l'INTERBUS-S.
Figure 9.17. Comparaison des messages PROFIBUS-DP et INTERBUS-S
Cet avantage est chiffré à la figure 9.18.
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
148
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 9.18. Mise en évidence de l'efficacité d'INTERBUS-S
Ainsi, pour un même nombre d'entrées/sorties global, l'efficacité d'un réseau de
type PROFIBUS-DP va décroître avec le nombre de stations concernées puisque, pour
chaque station supplémentaire, c'est un protocole complet d'échange qui doit être ajouté
dans le cycle de rafraîchissement. Dans le cas d'INTERBUS-S au contraire, la trame
reste strictement inchangée quel que soit le nombre de stations.
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
149
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
9.4.3. PROGRAMMATION DES ECHANGES
Comme c'était déjà le cas pour PROFIBUS-DP (cf. § 9.2.3.), les coupleurs
INTERBUS-S pour automates sont "vus" par le programmeur comme des entrées/sorties
locales, ce qui en rend la mise en œuvre particulièrement facile.
9.5. LE RESEAU DEVICENET (CAN)
Le réseau DEVICENET a été conçu par la firme Allen-Bradley mais l'utilisation en
est complètement libre (cf. figure 9.5.). Le cœur de DEVICENET (couches 1 et 2 du
modèle OSI) est en fait constitué du standard CAN (Controller Area Network) initialement
développé pour l'utilisation en automobile (Mercedes Série S notamment).
Plus de 100 fournisseurs de matériel de terrain et/ou de capteurs et actuacteurs
ont déjà annoncé une offre en DEVICENET.
9.5.1. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES
La figure 9.19. décrit la structure du réseau DEVICENET. On y a mis en évidence
la partie empruntée à CAN.
Figure 9.19. Structure du réseau DEVICENET
Tiré de "Terrain" n° 1
–
support physique : double paire torsadée (une pour l'alimentation des nœuds du
réseau, une pour les données)
–
topologie : BUS
–
couche physique : bande de base,
maximum par réseau
–
couche liaison de données : méthode CSMA/CR (Carrier Sense Multiple
Access/Collision Resolve).
vitesse de125 à 500 kbits/s, 64 noeuds
9.5.2. LA METHODE D'ACCES CSMA/CR
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
150
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Il s'agit d'une méthode dérivée du CSMA/CD expliqué au § 6.2.5.
La trame CAN est montrée à la figure 9.20.
Figure 9.20. Constitution de la trame CAN
Remarquons que le champ "identification" de la trame ne constitue pas une
adresse mais bien un identificateur de variable comme c'était déjà le cas avec FIP (cf. §
9.3.2.). Cette manière de faire évite l'envoi systématique de la même donnée si celle-ci
doit être utilisée par plusieurs équipements.
Le mécanisme "Collision Resolve" est expliqué à la figure 9.21. Il est basé sur la
notion de bit récessif et bit dominant. En l'occurrence, les bits 1 sont "écrasés" par les
bits 0.
Figure 9.21. Exemple d'arbitrage "CR" (Collision Resolve)
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
151
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Ainsi, si un nœud (nœud 2 sur la figure) s'aperçoit qu'un des bits qu'il émet est
écrasé par un bit zéro, il stoppe immédiatement sa transmission tandis que l'autre nœud
(nœud 1 sur la figure) continue d'émettre, contrairement à ce qui se passe avec le
CSMA/CD classique.
Cette manière de faire, d'une part, évite toute perte de temps liée à une collision
et, d'autre part, permet d'instaurer un système de priorité en jouant sur le numéro
d'identification.
9.6. LE RESEAU ASI (Actuator/Sensor Interface)
Il s'agit d'un réseau strictement dévolu à l'interconnexion de capteurs et
actuateurs. Il a été défini par un consortium détaillé à la figure 9.22., fortement soutenu
par SIEMENS.
Figure 9.22. L'association ASI
9.6.1. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES
–
support physique : câble bifilaire non blindé servant à la fois pour les données et
l'alimentation. La structure de ce câble est montrée à la figure 9.23.
On remarquera qu'il est profilé de manière à éviter l'inversion de polarité. D'autre
part, il est réalisé en caoutchouc auto-obturant ce qui permet d'effectuer les
raccordements par prises "vampires" (cf. figure 9.24.)
–
topologie : BUS à structure arborescente libre. Un exemple en est montré à la
figure 9.25.
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
152
LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
– 2004 –
H. LECOCQ
Figure 9.23. Câble ASI
Figure 9.24. Technique de raccordement
Chapitre 9 – LES RESEAUX DE TERRAIN
153
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H. LECOCQ
Figure 9.25. Exemple d'un réseau ASI
–
couche physique : longueur maximale 100 mètres, 31 nœuds maximum (4 bits
d'information par nœud).
Un codage spécial des signaux est utilisé pour pallier la vulnérabilité du câble (non
torsadé, non blindé) aux parasites électromagnétiques : le codage MIA en sinus
carré (cf. figure 9.29.)
Les propriétés annoncées sont les suivantes :
* pas de composante continue
- données et énergie sur un seul câble
* impulsions en sinus carré
- spectre de fréquence étroit
- peu de rayonnement, faible réflexion
* nombreuses impulsions
- synchronisation aisée
- reconnaissance performante des erreurs
. redondance des impulsions
. parité implicite, ...
d'où une robustesse extrême malgré l'absence de faradisation du câble.
–
couche liaison de données : contrôle d'accès par polling avec un temps de cycle de
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5 ms.
Figure 9.26. Encodage des signaux
9.6.2. MISE EN ŒUVRE PRATIQUE
– Programmation : le réseau est piloté par un coupleur qui se place normalement
dans un PC ou un automate. Dans ce dernier cas, le coupleur ASI est "vu" comme des
entrées/sorties locales de l'automate ce qui en rend la programmation tout à fait
transparente.
– Raccordement des capteurs/actuateurs : certains capteurs/actuateurs sont déjà
capables de se greffer directement sur l'ASI-BUS (BERO par exemple, cf. figure 9.25.).
Pour les autres, des modules avec deux ou quatre connecteurs standards ont été prévus
(cf. figures 9.24. et 9.27.).
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Figure 9.27. Modules utilisateur IP67
9.7. CONCLUSIONS
9.7.1. DE LA CONFORMITE A L'INTERCHANGEABILITE
Avec les réseaux de capteurs et d'actuateurs, c'est l'interchangeabilité des
équipements qui est souhaitée.
Rappelons quelques définitions :
-
conformité :
respect des spécifications édictées par les normes
-
interopérabilité : nombreuses options et paramètres libres dans les normes
(exemple : vitesse de transmission, type de parité, ...)
interopérable seulement si mêmes options et paramètres
partout
-
interfonctionnement : nombreux paramètres dans les équipements (exemple :
capteur de pression en bar et régulateur en Pascal)
interfonctionnement seulement si mêmes paramètres
partout
-
interchangeabilité :
possibilité de remplacer physiquement un capteur par un
autre d'une marque ou d'une version différente sans
aucune modification du système
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9.7.2. CONDITIONS NECESSAIRES POUR LA PERCEE INDUSTRIELLE
–
coût du raccordement
–
facilité du raccordement (plug-and-play !)
–
facilité de la mise en œuvre (comme des entrées/sorties locales)
–
facilité de maintenance (auto-diagnostic total)
9.7.3. EFFETS ATTENDUS ET INATTENDUS DES RESEAUX DE TERRAIN
–
diminution des coûts de câblage (c'était le but initial)
– réduction du temps de mise en service car les tests d'une architecture
décentralisée peuvent se faire sur plate-forme qui peut ensuite être démontée et
remontée facilement chez le client
– les capteurs et actuateurs comportant de l'électronique (pour le raccordement au
réseau), on peut en profiter pour lui confier des fonctions de prétraitement des données
et de diagnostic local susceptibles de révolutionner la maintenance (exemple : comptage
du nombre de basculement d'un relais !)
– la disparition des cartes d'entrées/sorties remet en cause l'hégémonie des
automates programmables. La périphérie décentralisée sur réseau peut parfaitement
être gérée depuis un simple PC avec des coûts plus avantageux et des possibilités de
traitement plus étendues.
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