Canales de Comunicación en PROFINET


PROFINET es perfecto para mover información a través de una red – nunca nos cansamos de insistir sobre este tema. Pero exactamente cómo es que PROFINET mueve esa información sigue siendo un área gris para muchos usuarios.

Para entender cómo PROFINET mueve la información, resulta de gran ayuda tener en cuenta el tipo de información que se está transmitiendo.  ¿Es necesario entregar la información inmediatamente?  ¿Es crítica para la seguridad? ¿Es una gran cantidad de información que sólo se envía una vez?  Diferentes tipos de información requieren diferentes mecanismos de transmisión, y esos mecanismos conforman los «canales de comunicación». Existen tres canales de comunicación en PROFINET: en tiempo real (RT), en tiempo no real (NRT) y en tiempo real isócrono (IRT).

Estos canales de comunicación dependen de una gran cantidad de protocolos de red para intercambiar datos a través de una red Ethernet.  En vez de juntar todos esos protocolos en un lugar, trataremos de organizarlos en un marco de referencia para realizar su seguimiento.  Ese marco se denomina modelo OSI ((Open Systems Interconnection o Interconexión de Sistemas Abiertos).  Si no ha oído hablar del modelo OSI, no se preocupe: la Internet está lleno de gran cantidad de recursos para ayudarle a comprender estos conceptos.

Llenando el Stack de Protocolos

PROFINET utiliza una canasta llena de protocolos para cumplir con el modelo OSI.  Y cada uno de estos protocolos contiene ciertos datos que se deben transmitir entre los miembros participantes de la comunicación.

La capa más fundamental, la capa física, es eléctrica.  Ya sea a través de electrones rebotando por un alambre, ondas de radio moviéndose a través del aire, o fotones que circulando a través de una fibra óptica… existen muchas maneras de implementar la capa física.  Por lo tanto, el protocolo PROFINET ha elegido un par de protocolos comunes de capa física que han estado siendo usados durante décadas.  El conjunto de protocolos IEEE 802 abarca lo que conocemos como Ethernet cableado (802.3) y Ethernet wireless (802.11).

La construcción de estándares basándose en protocolos existentes es una práctica bastante común: ¿por qué volver a inventar la rueda cuando alguien ya ha puesto mucho trabajo en un estándar abierto?  Por lo tanto, PROFINET especificó el uso del antiguo estándar Ethernet 802.3 para la capa de enlace de datos.  Esto significa que cada dispositivo PROFINET cuenta con una dirección MAC ( Media Access Control o Control de acceso a medios).

PROFINET también utiliza los protocolos IP (Internet Protocol o Protocolo de Internet), UDP (User Datagram Protocol o Protocolo de datagramas de usuario) y RPC (Remote Procedure Call o Llamada a procedimiento remoto) para algunas comunicaciones.  Estos protocolos vienen con mayor sobrecarga (más bytes en el alambre, más tiempo de procesamiento en el origen y el destino), por ello PROFINET sólo los llama al servicio cuando resulta absolutamente necesario.  Sin embargo, estos protocolos tienen algunas ventajas reales. Basta con mirar toda la información de direccionamiento empaquetada en un paquete UDP/IP: las direcciones MAC, las direcciones IP y los puertos UDP se pueden utilizar para ayudar a conmutar, dirigir y procesar los datos de PROFINET.

The OSI Model with three different PROFINET Communication Channels

PROFINET depende de muchos protocolos estándar para mover datos a través de las redes. Debido a que esos protocolos tienen fortalezas y debilidades relativas, PROFINET solo usa algunos cuando es absolutamente imprescindible. 

 

Se presentan dos problemas principales al usar todo el stack OSI para todas las comunicaciones:

  1. Cada capa de stack implica un trabajo adicional para empaquetar y descomprimir los datos de PROFINET tanto en la fuente como en el destino
  2. El uso de la Capa de Red añade algún retardo de transmisión entre el emisor y el receptor

Ambos problemas se suman a los retrasos llamados «latencia» (retraso) y «jitter» (fluctuación) en la red.  La latencia es un retardo predecible existente entre un transmisor y un receptor.  En redes grandes, puede ser del orden de 10 – 100 ms.  El jitter es la variación en la latencia de un paquete al siguiente.  Por ejemplo, si un paquete llegó al destino 20 ms después de que se transmitió y el siguiente llegó 30 ms después de eso, se diría que la red tiene una gran cantidad de jitter.

Canal en Tiempo Real (RT)

La latencia y la fluctuación son malas noticias para un protocolo de automatización industrial «en tiempo real».  Por este motivo PROFINET diseñó el canal «Tiempo Real» o PROFINET RT, para tratar de reducir ambos valores.  El canal RT omite los pasos de encapsulación en las capas de red, transporte y sesión.  Esto significa que los telegramas intercambiados sobre el canal RT tienen baja latencia y baja fluctuación, pero esta trae un inconveniente real: no hay dirección IP.  Entonces, los telegramas RT no se pueden rutear entre diferentes redes LAN.

A Layer 2 Ethernet frame

PROFINET solo utiliza las capas uno y dos del modelo OSI para transmitir datos en tiempo real. Sobre el cableado, eso significa que solamente las direcciones MAC del destino y del origen están empaquetadas en el telegrama, junto con el Ethertype.

Canal en Tiempo No Real (NRT)

Las restricciones de ruteo pueden ser un problema real en las redes grandes, donde las herramientas de diagnóstico necesitan tener acceso a los dispositivos PROFINET para vigilar el estado operativo de la red.  Por lo tanto, PROFINET también tiene un canal de comunicación «no real time» (NRT).  Utiliza todas las capas del modelo OSI y cuenta con direcciones IP.  Por lo tanto, los supervisores PROFINET pueden acceder a dispositivos a través de enrutamiento o incluso a través de Internet.  Pero el precio a pagar por estas comunicaciones NRT es mayor latencia y jitter.

Non Real-Time packet with additional protocol data.

PROFINET utiliza el canal NRT para comunicaciones menos sensibles al tiempo, como configurar una conexión entre un dispositivo y un controlador o acceder a datos de diagnóstico desde una red externa. Esa flexibilidad viene con mayor sobrecarga de datos – 108 bytes adicionales en cada paquete.

Canal Isócrono en Tiempo Real (IRT)

En el canal RT, todavía se pueden presentar fluctuaciones inevitables en la transmisión a través de los switches de Ethernet estándar.  Los switches actúan como intersecciones de tránsito, canalizando múltiples flujos de datos hasta una conexión.  Y al igual que una intersección sobrecargada, los switches pueden agregar retrasos inesperados al tráfico.

IRT elimina esos retrasos agregando a las reglas utilizadas para conmutar el tráfico Ethernet y creando reglas especiales para el tráfico PROFINET.  Agrega algunas extensiones al estándar Ethernet IEEE 802.3 para implementar algo similar a un «carril rápido» para el tráfico IRT.  Técnicamente, convierte una red estocástica CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access – Collision Detection o acceso múltiple con escucha de portadora y detección de colisiones) en una red TDMA determinista (Time Division Multiple Access o acceso múltiple por división de tiempo), pero ese nivel de detalle es mejor dejarlo para un artículo sobre IRT.

Resumen

Si eso suena confuso, piénsalo en términos de cómo uno se comunica en el trabajo.  Uno cuenta con diferentes tipos de canales de comunicación con compañeros de trabajo.  Si trabaja con alguien todo los días, sabe los detalles de lo que hace. Probablemente se envíen correos electrónicos muy cortos cuando deban hacerse preguntas.  Ambos conocen el contexto para la comunicación (en lo que está trabajando, con quién está trabajando, lo que está tratando de hacer), y debido a que tienen una comprensión común del contexto de la comunicación, la misma puede hacerse breve y eficiente.

Pero luego piense en plantear un problema o hacer una pregunta a alguien distante dos o tres niveles en el organigrama.  Esta persona probablemente no tiene idea de lo que usted hace día a día, y usted tampoco sabe lo que hace el otro.  Así que su comunicación tiene que incluir mucho de ese contexto – primero tiene que ponerlo al día sobre el tema antes de pedir ayuda o hacer una recomendación.

En general, tiene dos canales de comunicación diferentes, uno para la comunicación con un par con quien comparte algún «contexto» en común (RT), y uno para comunicarse con personas que no comparten gran parte de un «contexto» con usted (NRT).  PROFINET hace exactamente lo mismo.  Trata de mantener la communicación corta y eficiente, pero puede ser detallado cuando es necesario.