Introduzione alla tecnologia gateway

Gateway, dispositivi di collegamento, switch, bridge, media converter, modem, wireless... Siete confusi? Non siete i soli. La comunicazione tra due reti diverse non è cosa da poco.

Modello OSI
Per fare chiarezza iniziamo analizzando il modello base utilizzato per la comunicazione e lo scambio dei dati, chiamato OSI (Open System Interconnect).

La comunicazione di base è quella che utilizza i sottoinsiemi di questo modello di riferimento. Il Layer 1 è il livello più basso del modello OSI, ovvero il livello fisico che gestisce la trasmissione dati ed i relativi segnali elettrici. Il Layer 7 è il livello utente (applicazione), ossia quello in cui il modello consente a due dispositivi di scambiare i dati e di leggerli. Un esempio utile per capire il meccanismo di funzionamento di questo modello è quello di due persone che parlano: quando parliamo con qualcuno non è sufficiente sentire le parole che pronuncia il nostro interlocutore, ma è anche necessario capire la sua lingua per recepire il significato dei "dati" che ci sta "trasmettendo". I dispositivi utilizzano un Layer 7 comune che parla la stessa lingua e può liberamente scambiare dati comprensibili ad entrambi i sistemi.

Un'interfaccia RS-232 di base definisce il solo Layer 1, verificando che due RS-232 possano essere interconnessi fisicamente senza creare conflitti a livello elettrico. Ma per poter comunicare e scambiare dati comprensibili ad entrambi, i due dispositivi hanno bisogno di un software di protocollo supplementare che definisca le regole di comunicazione ed i formati dei dati comuni.

Il protocollo CAN, molto diffuso soprattutto nelle moderne applicazioni del settore automobilistico, comunica solo con il Layer 2. I costruttori di automobili utilizzano CAN come collegamento di comunicazione (communication link), ma integrano nei loro sistemi anche un protocollo Layer 7, sviluppato internamente per rendere CAN comprensibile a tutti i nodi di comunicazione del veicolo. Tutti gli altri nodi CAN esterni non possono partecipare alla comunicazione, a meno che non abbiano implementato lo stesso Layer 7.

In commercio esistono dispositivi di diversi fornitori che necessitano di interconnessione e di conseguenza, esistono molti protocolli Layer 7 aperti, basati su CAN, come ad esempio, DeviceNet e CANopen. I nodi DeviceNet di due diversi fornitori possono comunicare e scambiare i dati perché utilizzano lo stesso protocollo Layer 7.

I Layer 1-4 del modello OSI, gestiti dal protocollo TCP/IP ed Ethernet, forniscono maggiori funzionalità rispetto alla tecnologia CAN. Due nodi Ethernet possono essere interconnessi per la comunicazione, ma il protocollo TCP/IP funge solo da mezzo di trasporto dei dati che esegue attività di servizio come stabilire la connessione, eseguire ritrasmissioni in caso di bit di comunicazione corrotti, ecc. Questo significa che due nodi che utilizzano Ethernet e TCP/IP possono sì comunicare tra loro, ma non possono capirsi perché non "parlano" la stessa lingua, dal momento che il Layer 7 non è definito dal protocollo TCP/IP. Affinché TCP/IP possa scambiare ed elaborare i dati della rete, è necessario installare applicazioni come SNMP, HTTP, FTP, ovvero protocolli IT standardizzati per Layer 7. Nel settore industriale esistono altri protocolli Layer 7 capaci di gestire la trasmissione dei dati in tempo reale. Due di questi sono EtherNet/IP (IP = Industrial Protocol) e Modbus-TCP, entrambi installati sul protocollo TCP/IP.

Proviamo ora a capire quali sono gli strumenti disponibili per convertire i dati da una rete all'altra.

Media converter e ripetitori
I media converter funzionano generalmente nell'area del Layer 1 e del Layer 2 del modello OSI. La funzione di questi dispositivi è ricevere un segnale elettrico da un supporto fisico e di convertirlo per ritrasmetterlo ad un altro supporto fisico. Un esempio è il convertitore RS-232/RS-422, che riformatta i segnali elettrici tra questi due tipi di reti, oppure il convertitore da cavo CAT5 Ethernet 100Mbit a fibra ottica 100Mbit.

Sebbene i media converter siano molto utili nelle applicazioni industriali per il trasferimento dei dati da un supporto fisico all'altro, la loro funzione si limita ad una semplice riformattazione del segnale, senza aumentare il valore dell'applicazione.

Dal momento che i segnali si spostano lungo un cavo di rete, durante questo trasferimento la loro qualità peggiora gradualmente causando fenomeni di distorsione che culminano nel cosiddetto processo di "attenuazione". Se il cavo è particolarmente lungo, l'attenuazione finisce per rendere il segnale praticamente irriconoscibile. Un ripetitore è un dispositivo che amplifica un segnale propagandolo ad altre reti, ovvero estendendolo oltre i limiti imposti dall'attenuazione: il segnale di rete si rigenera sul layer fisico del modello OSI e si ritrasmette quindi ad altri segmenti di rete. In genere i ripetitori sono utilizzati per ovviare al problema di nodi di rete molto distanti tra loro. La capacità di questi dispositivi di ricevere un segnale elettrico debole, rigenerarlo e trasmetterlo al segmento successivo, li rende ideali per questa applicazione. I ripetitori, tuttavia, non forniscono funzioni di conversione o filtraggio. Affinché un ripetitore possa funzionare correttamente, inoltre, è necessario che entrambi i segmenti uniti dal dispositivo utilizzino lo stesso metodo di accesso. Questo significa, ad esempio, che un ripetitore non può collegare un segmento che utilizza il sistema CSMA/CD (Ethernet) con un segmento che adotta invece il metodo "Token Passing".

Switch Ethernet industriali
Gli switch possono essere considerati dei ripetitori intelligenti. Oltre ad amplificare i segnali sulla rete fisica, infatti, forniscono funzionalità avanzate che permettono di analizzare i pacchetti bit ricevuti. Uno switch Ethernet con tecnologia "store-and-forward" analizza l'intero pacchetto dei dati ricevuti su ciascuna porta, verificando innanzitutto che non vi siano bit di comunicazione danneggiati, quindi accertandosi dell'integrità della checksum CRC. Se rileva degli errori, il pacchetto dati viene eliminato. Se dal controllo della CRC non risulta invece alcun problema, lo switch ricerca l'indirizzo di destinazione ed inoltra il pacchetto di dati alla porta sulla quale si trova tale indirizzo.

Server dei dispositivi
I server dei dispositivi, chiamati anche "bridge", operano sui Layer 1-4 del modello OSI. Le loro funzioni comprendono: stabilire connessioni, effettuare ritrasmissioni, gestire gli errori, ecc. Anche se il bridge smista agevolmente le informazioni, esse vengono comunque inviate come porzioni di dati anonimi. Il Layer 4, infatti, non dispone di meccanismi di elaborazione dei dati.

In questi sistemi di rete è molto comune utilizzare i server dei dispositivi per il bridging dei dati tra una rete seriale (ad es. RS-232) e una rete Ethernet. Il server dei dispositivi è fornito con uno stack di protocollo TCP/IP completo: quando è collegato ad una porta seriale, i dati di questa porta vengono inseriti in un pacchetto TCP/IP e possono essere trasferiti sulla rete Ethernet. Sul lato di destinazione Ethernet, i dati seriali vengono semplicemente estratti dal pacchetto TCP/IP. Il funzionamento di un bridge può sembrare simile a quello di un media converter, ma il server dei dispositivi esegue anche una complessa elaborazione di tempi e protocolli.

Se il dispositivo seriale comunica con un sistema basato su PC, il computer esegue generalmente il software dell'applicazione che gestisce l'estrazione dei dati seriali dal pacchetto TCP/IP.

Il software del PC crea una porta seriale virtuale, che verrà utilizzata con le applicazioni correnti installate sul computer. Sebbene questo metodo non aggiunga nuove funzionalità all'applicazione originale, la soluzione è trasparente all'apparecchiatura collegata e richiede poche modifiche hardware e software, se non addirittura nessuna. Nella maggior parte dei casi, l'utente finale non nota neppure che la connessione seriale diretta venga sostituita da una connessione virtuale su rete Ethernet IP.

In questa applicazione il server dei dispositivi consente di utilizzare un dispositivo seriale anche molto distante dal PC, poiché la rete Ethernet semplifica la trasmissione dei dati seriali.

Se si impiega un PLC - come avviene nella maggior parte delle applicazioni industriali - è necessario utilizzare due server dei dispositivi. Uno di essi è collocato vicino al dispositivo seriale contenente i dati seriali del pacchetto TCP/IP, mentre l'altro è accanto alla porta seriale del PLC e la sua funzione è di ri-estrarre queste informazioni dal pacchetto in formato seriale.

I server dei dispositivi sono ideali nelle reti, basate su messaggi dove i pacchetti di dati aciclici possono essere ritrasmessi ad altri tipi di reti mantenendo la struttura e il formato originale. Tuttavia la maggior parte delle reti industriali include ancheil traffico di dati di I/O, nel quale i dati ciclici sono inviati per aggiornamenti rapidi allo scopo di consentire una comunicazione in tempo reale. Tutti questi protocolli richiedono l'elaborazione sul Layer 7 per il bridging dei dati tra due reti diverse.

Un altro limite dei server dei dispositivi è la mancanza di funzionalità di gestione dei dati basate su Web. Molti server dei dispositivi integrano un server Web statico per la configurazione del bridge, ma il fatto che il protocollo Layer non consenta di elaborare i valori di dati rende impossibile la loro visualizzazione da un'applicazione su un server Web con script SSI o applet Java.

Informazioni su Anybus Serial Server – porta COM Ethernet virtuale RS232

Gateway industriali (gateway Layer 7)
I gateway semplificano la comunicazione tra architetture e protocolli diversi. La loro funzione è ricreare pacchetti di dati convertendoli durante il trasferimento da una rete all'altra, in modo da renderli comprensibili a quest'ultima.

Un gateway ricrea un pacchetto di informazioni che soddisfa i requisiti del sistema di destinazione. Questo significa che i gateway possono cambiare il formato di un messaggio per adattarlo al programma applicativo sul lato di destinazione (ricezione) del trasferimento. Oltre a collegare due sistemi, che altrimenti non potrebbero utilizzare lo stesso protocollo di comunicazione e le stesse strutture di formattazione dei dati, i gateway integrano l'intera suite del modello OSI (dal Layer 1 al Layer 7), offrendo in tal modo una vera conversione ed elaborazione dei dati tra due reti diverse, ossia un collegamento effettivo delle informazioni tra una rete e l'altra. L'utilizzo di un gateway per il bridging tra Ethernet e protocolli di rete come DeviceNet, Profibus o altri semplici protocolli seriali mette i dati a disposizione di un server Web integrato, consentendone un controllo ed un monitoraggio basati su Web.

L'area di conversione dei dati da un dispositivo, dotato di porta seriale ad Ethernet o a qualsiasi altra rete, merita una precisazione: il fatto che la porta seriale possa non disporre di un protocollo Layer 7 rende difficile il collegamento dei dati. Un esempio può essere quello di un dispositivo come un lettore di codici a barre che trasmette semplicemente i dati ASCII integrati in un pacchetto specifico di dati seriali.

Gateway da seriale a Fieldbus/Ethernet
Il trasferimento dei dati dai protocolli RS232/422/485 e ASCII a una Rete fieldbus/Ethernet avviene tramite un gateway seriale spesso chiamato "convertitore di protocolli". Anybus Communicator, ad esempio, ha risolto questa conversione archiviando temporaneamente i dati in un buffer di memoria interno al gateway. I dati del dispositivo seriale vengono mappati in una memoria locale, mentre il software di configurazione integrato nel gateway consente di definire quali byte di dati del flusso seriale di dati sono effettivamente dei dati e quali invece sono solo informazioni di comando e di controllo. I dati selezionati sono mappati nel Layer 7 della rete selezionata e quindi possono essere ricevuti e compresi dall'altro nodo utilizzando lo stesso livello.

Un grande vantaggio di questa soluzione è che il dispositivo seriale funziona come se disponesse di una scheda di rete embedded ed appare all'utente come un normale dispositivo abilitato per la connessione in rete: il gateway, infatti, converte i byte di dati selezionati dal flusso seriale di dati in un formato leggibile dal PLC, dotato di sistema fieldbus e funziona come un dispositivo standard di questa rete. Un esempio è il dispositivo di I/O con valori di elaborazione digitali e analogici.

Le modalità avanzate di un dispositivo come Anybus Communicator possono anche essere utilizzate per il controllo e la comunicazione con diversi sistemi seriali (funzione multi-drop) tramite un protocollo standard come Modbus RTU / DF1 e per il collegamento di dati selezionati a una rete industriale come Profibus o Ethernet. Non solo: è anche possibile utilizzare Communicator come strumento di abilitazione Web per fornire ai dispositivi seriali funzionalità di gestione, monitoraggio e controllo, basate su Web.

Informazioni su Anybus Communicator – Gateway da seriale a Fieldbus/Ethernet

Da Fieldbus/Ethernet a Fieldbus/Ethernet
La richiesta di flessibilità e diversificazione all'interno delle aziende diventa ogni giorno sempre più pressante. Grazie ai gateway industriali è possibile connettere sedi vecchie e nuove dell'azienda, in particolare effettuando il bridging delle varie Reti fieldbus o Ethernet - sia all'interno di una stessa struttura, sia verso l'esterno. La famiglia di prodotti Anybus X-gateway consente di eseguire una connessione bridge/gateway industriale tra quasi tutti i tipi di Reti fieldbus o Ethernet. X-gateway, infatti, offre una serie completa di funzionalità che semplificano lo scambio dei dati di I/O tra le due reti, permettendo alle reti delle vecchie strutture di comunicare agevolmente con quelle nuove.

Informazioni su Anybus X-gateway - Bridge/gateway da Ethernet a Fieldbus

Riepilogo
Il trasferimento dei dati tra due reti diverse è un'operazione complessa che richiede un'analisi attenta dei requisiti dell'applicazione.

I media converter sono ideali per ovviare al problema della differenza elettrica tra due tecnologie di rete. Non richiedono generalmente alcuna configurazione.

I server dei dispositivi funzionano al meglio nelle reti basate su Ethernet e controllate da PC.

I gateway seriali consentono di risolvere il collegamento dei dati tra due sistemi come RS232/422/485 e altre reti. Lo svantaggio dei gateway è che sono dispositivi complessi che richiedono operazioni di configurazione durante la fase di installazione, necessarie per definire i dati da collegare tra le due reti.

I bridge/gateway permettono di risolvere il collegamento dei dati tra due reti. Oggi questo significa, in genere, scambiare semplicemente i dati di I/O, ma in futuro questi prodotti integreranno un numero sempre maggiore di funzionalità.

Per la connessione Web dei dati da un dispositivo seriale ad un protocollo esistente è necessario utilizzare un prodotto gateway sul Layer 7, in modo da interpretare i dati reali e abilitare il collegamento ad un server Web integrato.