Las mediciones físicas de cosas como la temperatura, la presión, la proximidad o la luz se transforman en información digital para que el sistema la procese, y luego los resultados de los cálculos se convierten en acciones físicas de dispositivos reales, como válvulas, ventiladores, fuentes de alimentación, indicadores, etc. Las redes de tecnología de la información (TI) y de tecnología operativa (TO) tienden a utilizar tecnologías similares para facilitar el flujo de datos en toda la organización.
Una de las formas de acercar la TI y la TO es utilizar una única red subyacente para la comunicación entre varios sistemas. Cuando la electrónica entró por primera vez en el ámbito de la automatización, varios subsistemas distribuidos se especializaron y definieron por el hardware utilizado. Las tecnologías de comunicación, optimizadas para aplicaciones específicas, se definieron para estas arquitecturas de hardware específicas de cada dominio. Cada una utilizaba buses especializados para la comunicación, lo que requería complejas pasarelas para traducir los protocolos de comunicación de un sistema de hardware a otro.
Con el tiempo, las arquitecturas centralizadas definidas por software están reemplazando los enfoques obsoletos. En lugar de dominios o funciones independientes y separados, las interfaces electrónicas se agrupan en zonas en una empresa y se conectan con una moderna plataforma informática centralizada. Utilizan la ahora omnipresente tecnología Ethernet para transportar los datos a donde se necesitan. Ethernet es escalable. Una sola pila de software puede utilizar diferentes capas físicas de hardware para mover información a diferentes velocidades sin cambiar los datos en sí. Se utiliza un único formato de trama Ethernet, independientemente del ancho de banda de un enlace Ethernet determinado. Los switches Ethernet ajustan automáticamente la velocidad de transmisión de datos en cada uno de sus puertos.
En el extremo final o "edge" de la red, varios sensores (de temperatura, presión, luz, proximidad, etc.) toman datos del mundo físico y los convierten en información digital. Una vez procesados, los actuadores (motores, luces, ventiladores, válvulas, etc.) convierten los datos digitales en acciones físicas. Estos dispositivos normalmente no necesitan grandes cantidades de datos, pero es importante que los cableados sean sencillos y fáciles de instalar. La tecnología Ethernet 10BASE-T1S se desarrolló para estas aplicaciones y lleva la arquitectura Ethernet a dispositivos muy sencillos. La Figura 1 muestra esta tendencia tecnológica.
Definida por hardware Definida por software
- Hardware específico de dominio. - Zonas conectadas a procesos centralizados
- Múltiples buses especificos de aplicación - Red ethenet ubicua basada en IP
- Pasarelas distribuidas - Un formato de paquete
- Cableado complejo - Cableado de bajo coste, de un solo par y multipunto en el borde
Figura 1: Tendencias en redes
Tecnología 10BASE-T1S
Ethernet 10BASE-T1S se desarrolló específicamente para estas arquitecturas zonales. Funciona a 10 Mbits/s a través de un único par balanceado de cables. La tecnología 10BASE-T1S se basa en los mecanismos simples que se utilizaron cuando Ethernet se convirtió en estándar por primera vez hace más de 40 años, pero los mejora para utilizar todo el ancho de banda disponible de manera más efectiva.
Ethernet utilizó inicialmente un único cable coaxial al que se conectaban directamente múltiples dispositivos. Los switches que se utilizan ampliamente hoy en día se desarrollaron más tarde para eliminar las deficiencias causadas por la naturaleza multipunto del esquema original. Sin embargo, introdujeron complejidad y coste, y dieron lugar a la necesidad de conexiones punto a punto únicas entre un dispositivo y un switch.
El Ethernet original funcionaba mediante varios dispositivos que detectaban la línea a la que estaban conectados y luego intentaban transmitir datos. Si solo un dispositivo comenzaba a transmitir, podía enviar un paquete completo de información. Si varios dispositivos intentaban transmitir al mismo tiempo, se produciría un choque en la línea que todos los dispositivos detectarían. Los dispositivos se apagarían y volverían a intentarlo después de un tiempo aleatorio. Esta tecnología se denominó CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ó Acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones). Su principal inconveniente era que, a medida que se conectaban más dispositivos a la red troncal de un solo cable, se producían más colisiones y se perdía cada vez más tiempo retrocediendo y volviendo a intentarlo. El ancho de banda efectivo del enlace se volvió muy limitado.
Prevención de Colisiones de Capa Física (PLCA)
Ethernet 10BASE-T1S resuelve este problema introduciendo un mecanismo de arbitraje llamado PLCA (Physical Layer Collision Avoidance ó Prevención de colisiones de capa física). PLCA está diseñado para redes semi-duplex (half-duplex) y multipunto (multidrop) como 10BASE-T1S, y elimina los problemas con CSMA/CD en segmentos de mezcla multipunto.
Con PLCA, el ciclo de transmisión comienza con una señal enviada por un nodo coordinador (Nodo 0) que los nodos de la red utilizan para sincronizarse. Después de enviar la señal, la oportunidad de transmisión pasa al Nodo 1. Si no tiene datos que enviar, cede su oportunidad al Nodo 2, y así sucesivamente, continuando el proceso hasta que a cada nodo se le haya ofrecido al menos una oportunidad de transmisión. A continuación, el nodo coordinador inicia un nuevo ciclo, que envía otra señal.
Para evitar que un nodo bloquee el bus, una función de "jabber" interrumpe la transmisión de un nodo si excede el tiempo asignado, lo que permite que el siguiente nodo transmita. El resultado es que no hay impacto en el rendimiento de los datos ni colisiones de datos en el bus. CSMA/CD puede presentar latencias aleatorias causadas por colisiones de datos. El PLCA proporciona una latencia máxima garantizada y otras características que superan estas limitaciones. La Figura 2 ilustra cómo funciona el PLCA.
Figura 2: Prevención de Colisiones de Capa Física (PLCA)
Seguridad
Una vez que los bits y bytes de datos se recuperan del hilo que los transportó de un dispositivo a otro, se entregan a capas de software superiores en un formato de paquete Ethernet estándar. Este formato tiene una dirección de destino, una dirección de origen, algunos bits de administración y una carga útil. El formato no cambia con los cambios en la capa física. Eso significa que la capa de software permanece constante incluso cuando cambian las velocidades de la red cuando se agregan cada vez más datos para su procesamiento por un sistema informático. La Figura 3 muestra el concepto general.
Figura 3: Ethernet desde el edge hasta la nube.
En lugar de tener varios buses y protocolos en los puntos finales de una red OT, se pueden utilizar mecanismos Ethernet para conectarse a estos dispositivos. Todos ellos pueden ser abordados utilizando mecanismos Ethernet bien conocidos.
Esto incluye mecanismos de seguridad para evitar la intrusión o el espionaje de los datos, o peor aún, la interferencia con los sistemas físicos que utilizan los datos. Ethernet se utiliza en aplicaciones de muy alta seguridad, como la banca, ya que la ciberresiliencia de las redes Ethernet está bien desarrollada. Otras tecnologías de comunicación especializadas pueden tener pocas o ninguna característica de ciberseguridad. Tendrían que desarrollarse y luego mantenerse. También habría que poner en marcha la logística para proporcionar estas características. Esta logística puede ser más compleja que el diseño y la fabricación de un producto de hardware. Se necesitan instalaciones de acceso controlado y las brechas en la cadena de confianza pueden ocurrir en cualquier punto de la cadena de suministro. Hay muy pocos proveedores de semiconductores que estén preparados para manejar esta tarea.
Ethernet es una parte integral de la infraestructura de análisis de datos. Big Data se utiliza para analizar tendencias y proporcionar servicios. El mantenimiento predictivo, el diagnóstico remoto y otros servicios de supervisión requieren acceso a todos los datos de un sistema, y Ethernet puede proporcionar acceso a los rincones más remotos de una infraestructura industrial. Esto va de la mano con permitir que el software gestione varios procesos y permita ajustes dinámicos a medida que cambia la tecnología.
Seguridad Funcional
El uso de tecnología estandarizada, como Ethernet, también simplifica el desarrollo de sistemas que son funcionalmente seguros. La seguridad funcional significa que cuando algo en un sistema falla, el sistema puede reaccionar de manera predecible para evitar con seguridad causar más problemas. Las diferentes industrias tienen diferentes estándares. Por ejemplo, la industria de la automoción tiene la ISO26262. Las aplicaciones industriales utilizan IEC61508. Las aplicaciones médicas, de consumo y otras tienen sus propios estándares. Sin embargo, todos son similares. La seguridad funcional se aplica a sistemas completos, pero los diseñadores de sistemas deben asegurarse de que los componentes que utilizan están preparados para la seguridad funcional con el fin de certificar el sistema completo.
Los componentes semiconductores, por ejemplo, deben ir acompañados de manuales de seguridad funcional que analicen y diagnostiquen los efectos de los modos de fallo. Esto se conoce como FMEDA (Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis ó Análisis de efectos y diagnóstico de modos de fallo) y es un método para determinar las causas de los fallos y su impacto en el sistema. Se aplica en las primeras fases del desarrollo del sistema para detectar y corregir cualquier punto débil.
Resumen
La tecnología Ethernet 10BASE-T1S crea nuevas oportunidades de negocio para conectar redes de OT y TI que requieren interoperabilidad y seguridad. Se puede acceder a los datos desde nodos en el edge de la red y se pueden utilizar para habilitar nuevos servicios predictivos inteligentes, así como soluciones de seguimiento y gestión de activos.
Los costes del sistema se reducen gracias a la simplificación de los componentes, el diseño del software y el cableado. Se eliminan las pasarelas. Se reduce el número de puertos de conmutación utilizados, ya que varios dispositivos se conectan a una sola línea de bus a través de un cableado de un solo par.
El riesgo se reduce mediante el uso de interfaces unificadas y mecanismos de seguridad bien establecidos. 10BASE-T1S Ethernet complementa las soluciones heredadas en el edge de las redes IoT. Permite un diseño unificado, desarrollo de software, pruebas y mantenimiento en todos los niveles de las redes OT y IT. Las arquitecturas más simples con seguridad mejorada reducen el riesgo para los diseñadores y permiten sistemas funcionalmente seguros.
Autor: Por Henry Muyshondt, director de marketing sénior de la unidad de negocio de sistemas de información para autumoción de Microchip Technology
