Redes de Computadora

Unidad 3: Redes industriales de computadoras

Ing. Oscar Alonso Rosete Beas

Semana 24 Enero Rev:2 ciclo 2022-1

Agenda

1.1. Definición y principios de la comunicación de datos

1.2. Funciones de un sistema de comunicación industrial

1.3. Transferencia de información

1.4. Modelo OSI

Unidad 1: Introducción a la comunicación industrial

Unidad 1

Agenda

3.1. Antecedentes

3.2. Arquitectura de redes industriales

3.2.1. Tipos

3.2.2. Componentes

3.2.3. Topologías

3.3. Especificaciones técnicas

3.4. Cableado Estructurado

3.5. Redes inalámbricas

Unidad 3: Redes industriales de computadoras

Red LAN

Los principales elementos de una red LAN son los siguientes:

• Topología.
• Medio de transmisión.
• Disposición.
• Técnica de control de acceso al medio.

En su conjunto, estos elementos determinan no sólo el coste y capacidad de la LAN, sino también el tipo de datos que podrán ser transmitidos, la velocidad y eficiencia de las comunicaciones e incluso la clase de aplicaciones que soportará la red.

TOPOLOGÍAS

En el contexto de una red de comunicaciones, el término topología se refiere a la forma según la cual se interconectan entre sí los puntos finales, o estaciones, conectados a la red.

Las topologías usuales en redes LAN son bus, árbol, anillo y estrella. El bus es un caso especial de la topología en árbol, con un solo tronco y sin ramas.

Topologías en bus y en árbol

Ambas topologías se caracterizan por el uso de un medio multipunto.

En el caso de la topología en bus, todas las estaciones se encuentran directamente conectadas, a través de interfaces físicas apropiadas conocidas como tomas de conexión (taps), a un medio de transmisión lineal o bus.

Topologías en bus y en árbol

El funcionamiento full-duplex entre la estación y la toma de conexión permite la transmisión y la recepción de datos a través del bus.

Una transmisión desde cualquier estación se propaga a través del medio en ambos sentidos y es recibida por el resto de estaciones. En cada extremo del bus existe un terminador que absorbe las señales, eliminándolas del bus.

Topologías en bus y en árbol

La topología en árbol es una generalización de la topología en bus. El medio de transmisión es un cable ramificado sin bucles cerrados que comienza en un punto conocido como raíz o cabecera (headend).

Topologías en bus y en árbol

Uno o más cables comienzan en el punto raíz y cada uno de ellos puede presentar ramificaciones.

De nuevo, la transmisión desde una estación se propaga a través del medio y puede alcanzar al resto de estaciones.

Topologías en bus y en árbol

Si dos estaciones intentan transmitir simultáneamente, sus señales se superpondrán y serán erróneas; también se puede considerar la situación en que una estación decide transmitir continuamente durante un largo periodo de tiempo.

Topologías en bus y en árbol

Para solucionar estos problemas, las estaciones transmiten datos en bloques pequeños llamados tramas.

Cada trama consta de una porción de los datos que una estación desea transmitir además de una cabecera de trama que contiene información de control.

Topologías en bus y en árbol

A cada estación en el bus se le asigna una dirección, o identificador, única, incluyéndose en la cabecera la dirección destino de la trama.

Topologías en bus y en árbol

En este ejemplo, la estación C desea transmitir una trama de datos a A, de modo que la cabecera de la trama incluirá la dirección de A.

Topologías en bus y en árbol

En la propagación de la trama a lo largo del bus, ésta atraviesa B, quien observa la dirección de destino e ignora la trama.

Topologías en bus y en árbol

A, por su parte, observa que la trama va dirigida a ella y copia los datos de ésta mientras que pasa.

Topología en anillo

En la topología en anillo, la red consta de un conjunto de repetidores unidos por enlaces punto a punto formando un bucle cerrado.

El repetidor es un dispositivo relativamente simple, capaz de recibir datos a través del enlace y de transmitirlos, bit a bit, a través del otro enlace tan rápido como son recibidos.

Topología en anillo

Los enlaces son unidireccionales; es decir, los datos se transmiten sólo en un sentido, de modo que éstos circulan alrededor del anillo en el sentido de las agujas del reloj o en el contrario.

Transmisión de tramas (LAN anillo)

Cada estación se conecta a la red mediante un repetidor, transmitiendo los datos hacia la red a través de él.

Como en el caso de las topologías en bus y en árbol, los datos se transmiten en tramas. 

Una trama que circula por el anillo pasa por las demás estaciones, de modo que la estación de destino reconoce su dirección y copia la trama, mientras ésta la atraviesa, en una memoria temporal local.

Transmisión de tramas (LAN anillo)

Una trama que circula por el anillo pasa por las demás estaciones, de modo que la estación de destino reconoce su dirección y copia la trama, mientras ésta la atraviesa, en una memoria temporal local.

Transmisión de tramas (LAN anillo)

La trama continúa circulando hasta que alcanza de nuevo la estación origen, donde es eliminada del medio.

Dado que el anillo es compartido por varias estaciones, se necesita una técnica de control de acceso al medio para determinar cuándo puede insertar tramas cada estación.

Topología en estrella

En redes LAN con topología en estrella cada estación está directamente conectada a un nodo central común, generalmente a través de dos enlaces punto a punto, uno para transmisión y otro para recepción.

Topología en estrella

En general, existen dos alternativas para el funcionamiento del nodo central. Una es el funcionamiento en modo de difusión, en el que la transmisión de una trama por parte de una estación se retransmite sobre todos los enlaces de salida del nodo central. 

Topología en estrella

En este caso, aunque la disposición física es una estrella, lógicamente funciona como un bus: una transmisión desde cualquier estación es recibida por el resto de estaciones, y sólo puede transmitir una estación en un instante de tiempo dado.

En tal caso, al dispositivo central se le conoce como concentrador (hub).

Topología en estrella

Otra aproximación es el funcionamiento del nodo central como dispositivo de conmutación de tramas.

Una trama entrante se almacena temporalmente en el nodo y se retransmite sobre un enlace de salida hacia la estación de destino.

Con el apoyo de CISCO packet tracer ejemplifique las diferentes topologias existentes:

• Bus, árbol,
• Malla (Parcial, totalmente conexa)
• Estrella, estrella bus
• Anillo, doble anillo
• Cadena lineal/ margarita

​Especifique en la red implementada la sesión pasada (hogar), como clasificaría su topología.

Nota: por lo menos a 1 switch en las topologías de árbol y estrella agregar control de acceso (credenciales).

Tipos de topologías físicas

Comandos adicionales Switch

Comandos adicionales Router

Topología de malla con routers

Implemente una topología de malla con routers

• Utilice por lo menos 4 routers y 1 dispositivo final en cada uno de ellos. 
• Personalice el nombre de los routers.
• La red deberá documentarse con "descripciones de las interfaces".
• Cada router tendrá un acceso por contraseña y su configuración respaldada en NVRAM.
• La configuracion de puertos deberá ser a través de la terminal.

Topología de malla con routers

Implemente una topología de malla con routers

• Utilice por lo menos 4 routers y 1 dispositivo final en cada uno de ellos. 
• Personalice el nombre de los routers.
• La red deberá documentarse con "descripciones de las interfaces".
• Cada router tendrá un acceso por contraseña y su configuración respaldada en NVRAM.
• La configuracion de puertos deberá ser a través de la terminal.

Práctica 4

El reporte debe contener: Introducción, marco teórico, desarrollo, observaciones y conclusiones

Marco Teórico.

Investigar los siguientes temas:

• Protocolos de enrutamiento
  • Clasificación de los protocolos
  • Explicación detallada de su funcionamiento
  • Ubicación de los protocolos de acuerdo al modelo OSI
  • Comandos para realizar su  configuración
• Subnet Mask
• Wildcard mask
• Prefix Length
• Spanning Tree Protocol

Práctica 4

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

Desarrollo las conexiones y configuración pertinente para permitir la comunicación de todos los dispositivos intermediarios y finales de acuerdo al diagrama de referencia utilizando los siguientes protocolos:

• OSPF
• RIP
• EIGRP

Notas: La configuración sera a través de comandos, los cuales serán documentados en el reporte, asi como screenshots de referencia donde se pruebe la comunicación, el formato sugerido para el reporte será IEEE.

IP Address

La direccion IP es una direccion que contiene informacion de como alcanzar un dispositivo final(host) especifico, en especial fuera de una LAN. una direccion IP es unica y cuenta con 32 bits.

Generalmente se utiliza la notacion decimal separada por punto(dotted decimal notation) para representarlas.

IP Address

Clases de direcciones (Classful Addressing)

Las direcciones ip se dividen en 5 sub-clases:

• Class A
• Class B
• Class C
• Class D
• Class E

Cada una de estas clases tiene un rango valido de direcciones IP. Las clases D y E estan reservadas para "multicast" y propostios experimentales.

El orden de los bits en los octetos determina la clase de la direccion IP.

La direccion IPv4 se divide en dos partes:

Identificador de red

Identificador de Host

IP Address

Clases de direcciones (Classful Addressing)

Las direcciones ip se dividen en 5 sub-clases:

• Clase A
• Clase B
• Clase C
• Clase D
• Clase E

Cada una de estas clases tiene un rango valido de direcciones IP. Las clases D y E estan reservadas para "multicast" y propostios experimentales.

El orden de los bits en los octetos determina la clase de la direccion IP.

La direccion IPv4 se divide en dos partes:

Identificador de red

Identificador de Host

IP Address

A traves de la clase de la direccion IP se puede determinar los bits utilizados para identificar la red y los hosts, asi como el numero total de redes y hosts posibles.

Cada administrador de red asigna una direccion IP a cada dispositivo conectado a su red.

IP Address

Para determinar la cantidad total de hosts, 2 direcciones IP son descartadas, la primera direccion IP de cada red se utiliza para definir la red y la ultima como broadcast IP (0 y 255).

IP Address

Las direcciones Ip pertenecientes a clase C, son utilizadas para redes pequeñas.

El orden mas alto de bits del primer octeto será siempre 110, los 21 bits restantes determinaran la red y los 8 bits finales el host en la red.

La subred predeterminada para la clase C es 255.255.255.x y los rangos aceptables para esta clase seran desde 192.0.0.x – 223.255.255.x

• The network ID is 24 bits long.
  • The host ID is 8 bits long. 2^8 – 2 = 254 hos

Asignar IP a Host

Rangos de direcciones IP especiales:

127.0.0.0 – 127.0.0.8 : Loop-back

0.0.0.0 – 0.0.0.8 : Utilizados para comunicarte en tu red actual

169.254.0.0 – 169.254.0.16 : Vinculan direcciones locales
 

Reglas para asignar IP a host

Dentro de una red, cada IP debe ser unica, no se pueden utilizar la totalidad de bits como 0 ya que esto es el identificador de red, ni en el que todos sean 1 porque sera reservado para broadcast.

Loopback address

127.0.0.1

La direccion 127.0.0.1 es llamada una direccion loopback. los paquetes enviados a esta direccion nunca llegan a la red, sino que son retroalimentados a la tarjeta de interfaz de red unicamente.

Subnetting Challenge

Ha sido seleccionado como el tecnico asignado para la instalacion de una red nueva a un cliente. Debera crear subredes desde el espacio de red 192.168.0.0/24 que cumplan con los siguientes requerimientos:

• Asigna la primer subred a LAN-A.

Requiere un minimo de 50 Host IP

• Asigna la segunda subred a LAN-B

Requiere un minimo de 40 Host Ip 

Requiere 2 subredes adicionales no utilizadas para la futura expansion de la red principal.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Assign Host Ip

Rules for assigning Network ID:

Hosts that are located on the same physical network are identified by the network ID, as all host on the same physical network is assigned the same network ID. The network ID is assigned based on the following rules:

The network ID cannot start with 127 because 127 belongs to class A address and is reserved for internal loop-back functions.
All bits of network ID set to 1 are reserved for use as an IP broadcast address and therefore, cannot be used.
All bits of network ID set to 0 are used to denote a specific host on the local network and are not routed and therefore, aren’t use

problems with classful adresing

Problems with Classful Addressing:

The problem with this classful addressing method is that millions of class A address are wasted, many of the class B address are wasted, whereas, number of addresses available in class C is so small that it cannot cater the needs of organizations. Class D addresses are used for multicast routing and are therefore available as a single block only. Class E addresses are reserved.

Since there are these problems, Classful networking was replaced by Classless Inter-Domain Routing (CIDR) in 1993. We will be discussing Classless addressing in next post.

problems with classful adresing

ELECCIÓN DE LA TOPOLOGÍA

La elección de la topología depende de varios factores entre los que se cuentan la fiabilidad de la misma, la capacidad de expansión y el rendimiento.

Esta elección forma parte del proceso global de diseño de una LAN y, como tal, no debe ser llevada a cabo independientemente de otros factores, como la elección del medio de transmisión, la disposición del cableado y la técnica de control de acceso.

ELECCIÓN DE LA TOPOLOGÍA
​

Existen cuatro alternativas para el medio de transmisión que pueden ser utilizadas en una LAN en bus:

• Par trenzado
• Cable coaxial en banda base
• Cable coaxial en banda ancha
• Fibra óptica:

ELECCIÓN DE LA TOPOLOGÍA
​

Par trenzado:

en los comienzos del desarrollo de las redes LAN, el par trenzado del tipo utilizado para la transmisión de voz fue usado para proporcionar un bus barato y fácil de instalar, implementándose sobre él varios sistemas a 1 Mbps.

Sin embargo, no resulta práctico migrar desde él hacia velocidades más altas en una configuración de bus compartido, por lo que esta alternativa fue descartada hace tiempo.

ELECCIÓN DE LA TOPOLOGÍA
​

Cable coaxial en banda base:

un cable coaxial en banda base es aquel que hace uso de señalización digital. El esquema original de Ethernet hacía uso de él.

Cable coaxial en banda ancha:

se trata del tipo de cable utilizado en los sistemas de televisión por cable. La señalización analógica se utiliza en las frecuencias de radio y televisión.
Este tipo de sistema es más caro y más difícil de instalar y mantener que el cable coaxial en banda base. Esta alternativa nunca alcanzó popularidad y las redes basadas en ella ya no se construyen.

ELECCIÓN DE LA TOPOLOGÍA
​

Fibra óptica:

pese a que la investigación relativa a esta alternativa ha sido considerable en los últimos años, el coste de las tomas de fibra y la disponibilidad de alternativas mejores han ocasionado que esta opción también haya sido descartada.

ELECCIÓN DE LA TOPOLOGÍA
​

De esta forma, para el caso de una topología en bus, sólo el cable coaxial en banda base ha alcanzado un uso amplio, principalmente en el caso de los sistemas Ethernet.

En comparación con una topología en estrella sobre par trenzado o fibra óptica, resulta más difícil trabajar con una topología en bus con cable coaxial en banda base.

Incluso un cambio sencillo puede requerir acceder al cable, mover las tomas y reencaminar los segmentos del mismo. Son pocas las instalaciones nuevas que se realizan siguiendo esta aproximación, aunque, a pesar de todas estas limitaciones, existe una cantidad considerable de redes LAN instaladas sobre este tipo de cable.

ELECCIÓN DE LA TOPOLOGÍA
​

La topología en anillo puede ser usada para proporcionar enlaces de muy alta velocidad sobre distancias largas.

Un anillo puede proporcionar, potencialmente, mejor rendimiento que cualquier otra topología.

Una desventaja, sin embargo, es que un fallo de un solo enlace o de un repetidor puede inutilizar la red entera.

La topología en estrella se aprovecha de la disposición natural del cableado de los edificios.
Generalmente, es mejor para distancias cortas y puede ofrecer velocidades elevadas a un número pequeño de dispositivos.

TOPOLOGÍAS

La estructura de la trama resuelve así el primer problema mencionado anteriormente: proporciona un mecanismo para indicar el receptor de los datos. También proporciona una herramienta básica para resolver el segundo problema, el control de acceso.

En particular, las estaciones transmiten por turnos de acuerdo con alguna forma cooperativa, lo que implica, como se verá más adelante, el uso de información de control adicional en la cabecera de las tramas.
En la topología en bus o en árbol no son necesarias acciones especiales para eliminar tramas del medio: cuando una señal alcanza el final de éste, es absorbida por el terminador.

Agenda

4.1. Introducción

4.2. Arquitectura de redes inalámbricas de sensores

4.3. Obtención de información

4.4. Administración de energía

4.5. Seguridad en redes inalámbricas

4.6. Instalación y programación

Unidad 4: Redes inalámbricas de sensores

Sensores

Los sensores captan el valor de la variable de proceso y envían una señal de salida predeterminada.

El sensor puede formar parte de otro instrumento (por ejemplo, un transmisor) o bien puede estar separado. También se denomina detector o elemento primario por estar en contacto con la variable, con lo que utiliza o absorbe energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable.

Sensores

Los transductores reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida.

Son transductores, un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presión de proceso a señal neumática), etc.

Sensores

• Transductores de Temperatura
• Transductores de Esfuerzo y Deformación
• Transductores de Posición y Movimiento
• Transductores de Flujo y Presión
• Transductores Ópticos
• Transductores Ultrasónicos

Cuando se hace referencia a la clasificación en función de la variable del proceso, es necesario identificar específicamente el tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso.

Obteniendo la siguiente clasificación:

Clasificación de Sensores

• Tipo de señal eléctrica que generan
• Principio de funcionamiento
• Rango de valores que proporcionan
• Nivel de integracion
• Tipo de variable física medida

Smart sensors

Tipo de señal eléctrica que generan

• Analógicos: proveen de un valor analógico. Es necesario utilizar circuitos de acondicionamiento con el objeto de que esta genera una señal normalizada (siguiendo pautas de organismos como IEC, IEEE)
  (0-10V, 4-20mA)

​

• Digitales: que proporcionan un valor lógico (OFF/ON) o binario (1/0). Entre los sensores del tipo digital se encuentran los que permiten detectar la presencia de objetos, y los que permiten medir el nivel de presión en un circuito, (presostatos).

Sensores por su conexión

• Dos hilos

• Tres hilos

• Cuatro hilos

SENSORES DE DOS HILOS

• Estos son sensores mecánicos convencionales, tales como: interruptores, botones, rodillos, etc.
  Se conectan en serie con la carga a controlar. Aquellos que se alimentan con corriente continua deben respetar la polaridad de la alimentación. 

SENSORES DE TRES HILOS

Dependiendo de su polarización se clasifican en dos tipos:

• PNP. Generan una señal POSITIVA, por lo que el tercer hilo, (el conectado a la carga, generalmente el relevador), cierra a NEGATIVO después de pasar por la carga. Este tipo de sensor es el más usado.

• NPN. Generan una señal NEGATIVA, por lo que su tercer hilo, (el conectado a la carga, generalmente el relevador), se cierra a POSITIVO después de pasar por la carga.

Grados de protección ambiental IP

Grados de protección ambiental IP (norma IEC 144).
IP 55 enclosures that demonstrates almost complete protection from particles and a good level of protection against water.

Grados de protección ambiental IP

Grados de protección ambiental IP (norma IEC 144).
IP 55 enclosures that demonstrates almost complete protection from particles and a good level of protection against water.

Ejemplo sensor inteligente

Omega Layer-N Wireless IIoT Smart Environmental Sensors

• SS-001: Temperature, Humidity, Barometric Pressure, and Light sensors

• Free Layer N Standard Cloud service accessible from any connected device1
• Easy setup with one-button pairing
• Transmits up to 1.2 km with standard AA batteries2

Omega Layer N

Introducción a redes de sensores inalámbricos

La manera mas común de procesamiento de información ha sucedido en dispositivos de propósito general, desde laptops a smartphones.

En múltiples aplicaciones, tales como en oficinas, el propósito principal esta orientado hacia el usuario del sistema.

En otras clases de aplicaciones, el entorno físico es el principal enfoque de la atención.

El cómputo es utilizado para poder controlar procesos físicos, por ejemplo, cuando se controla un proceso quimico en una fabrica podríamos utilizar el procesamiento para asegurar una temperatura y presión correctas.

Introducción a redes de sensores inalámbricos

En este escenario el computo esta integrado con el control; es decir esta embebido en un sistema fisico. A diferencia de los sistemas previos, los sistemas embebidos no se basan en la interaccion humana sino que buscan realizar una funcion sin interaccion humana, estan íntimamente atados con la tarea de control en un contexto de un sistema mayor.

Se estima que el 98% de los dispositivos de cómputo estan siendo utilizados en este contexto.

Introducción a redes de sensores inalámbricos

Embedded systems:

“Information processing systems embedded into a larger product”

-ETH Zurich EE281
No es la principal razón de compra, es valor agregado.

Información: conjunto organizado de datos

Introducción a redes de sensores inalámbricos

Networked embedded computing systems/IoT:

Computing systems embedded within things/gadgets connected to the network.

Stanford EE281

Introducción a redes de sensores inalámbricos

Su impacto en nuestra vida diaria esta creciendo continuamente a un paso acelerado.

Es algo anormal encontrar un hogar donde el cómputo embebido no este presente para controlar una lavadora, un celular, etc.

En estas aplicaciones, los sistemas embebidos se releacionan con sistemas de interacción humana.

Introducción a redes de sensores inalámbricos

En la actualidad no solo dispositivos grandes como lavadoras tienen sistemas embebidos, pero tambien los pequeños, como articulos de supermercado o material en el proceso productivo.

Eventualmente, estaremos en continua interacción con ellos en nuestra vida diaria realizando una visión de "inteligencia ambiental" donde múltiples dispositivos se van a entrelazar y procesar informacion de múltiples fuentes para conectar procesos físicos a usuarios humanos.

Introducción a redes de sensores inalámbricos

Sistema cyber-físico:

Conexión del mundo digital y el físico

Industria 4.0:

Recopilación de información de procesos de producción

Introducción a redes de sensores inalámbricos

Arquitectura de un nodo sensor genérico

Un nodo sensor, también conocido como mote (principalmente en América del Norte), es un nodo en una red que es capaz de realizar algún procesamiento, reuniendo información sensible y comunicando con otros nodos conectados en la red.

Es el bloque de construccion en una red de sensores inalámbricos (WSN: Wireless sensor network)

Arquitectura de un nodo sensor genérico

Al seleccionar los componentes de hardware para un nodo sensor inalambrico, los requerimientos de la aplicación van a jugar un factor decisivo en terminos del tamaño, costo y consumo energético.

Ejemplo, para un caso extremo se puede requerir que el nodo sensor sea menor a 10cm^2, peso menor a 100g, menor a 1 dolar de costo y disipe menos de 100 μW.

Arquitectura de un nodo sensor genérico

Un nodo sensor genérico se encuentra compuesto de 5 componentes principales:

• Controlador: Un controlador para procesar los datos relevantes y ejecutar codigo arbitrario.
• Memoria: Para almacenar programas y datos intermediarios.

• Sensores y actuadores: Interaccion con el medio físico para observar y controlar parámetros.

Arquitectura de un nodo sensor genérico

Un nodo sensor genérico se encuentra compuesto de 5 componentes principales:

• Comunicación: Vuelve a los nodos en una red, requiere un dispositivo para enviar y recibir información por un medio/canal inalámbrico.
• Alimentación eléctrica: usualmente en la forma de baterías recargables, se requiere para proveer energía a los demás dispositivos.

Controlador del nodo sensor

El controlador es el núcleo del nodo sensor.

Recolecta datos de los sensores, procesa los datos, decide cuando y a donde enviarlos, recibe datos de otros sensores y decide el comportamiento de un actuador.

Debe ejecutar varios programas, desde procesamiento de señales hasta protocolos de comunicacion.

Es el CPU del nodo, estas tareas de procesamiento pueden realizarse en multiples arquitecturas del controlador, variando su desempeño en terminos de flexibilidad, desempeño y eficiencia.

Una solución pudiera ser utilizar un procesador de propósito general, pero seria un consumo energetico excesivo, otra opcion es un microcontrolador.

Otra opción es utilizar FPGAs, los cuales pueden ser reprogramados o reconfigurados en campo para adaptarse a los requerimientos.

Una opcion adicional seria utilizar un ASIC, un procesador especializado par auna aplicacion especifica, por ejemplo los utilizados en los routers o switches de alta velocidad.

Controlador del nodo sensor

Una solución pudiera ser utilizar un procesador de propósito general, pero seria un consumo energetico excesivo, otra opcion es un microcontrolador.

Otra opción es utilizar FPGAs, los cuales pueden ser reprogramados o reconfigurados en campo para adaptarse a los requerimientos.

Una opcion adicional seria utilizar un ASIC, un procesador especializado par auna aplicacion especifica, por ejemplo los utilizados en los routers o switches de alta velocidad.

Controlador del nodo sensor

Una solución pudiera ser utilizar un procesador de propósito general, pero seria un consumo energetico excesivo, otra opcion es un microcontrolador.

Otra opción es utilizar FPGAs, los cuales pueden ser reprogramados o reconfigurados en campo para adaptarse a los requerimientos.

Una opcion adicional seria utilizar un ASIC, un procesador especializado par auna aplicacion especifica, por ejemplo los utilizados en los routers o switches de alta velocidad.

Controlador del nodo sensor

El microcontrolador requiere desarrollo de software, el ASIC (Application-specific integrated circuit) de hardware.

Por el resto del curso, asumiremos una arquitectura basada en la utilización de microcontroladores.

Controlador del nodo sensor

Como ingenieros.....creamos

Describir en equipos 1 aplicación documentada y 1 no documentada (propuesta por ustedes) de una red inalámbrica de sensores/dispositivos:

• Industria

• Casa habitación/sociedad en general.

Arquitectura de redes inalámbricas de sensores

Como ingenieros.....creamos

En una presentación deberá:

• Describir la problemática a resolver (puede incluirse material audiovisual complementario)
• Identificar los dispositivos con los que se resolvio/resolverá
• Detallar la estructura/arquitectura del nodo sensor
• Identificar la arquitectura de la red

Arquitectura de redes inalámbricas de sensores

Utilizando firebase para el prototipado de IoT

Arquitectura de redes inalámbricas de sensores

Firebase ofrece multiples servicios de la nube tales como almacenamiento, autenticación y hospedaje de aplicaciones web. Utilizaremos 2 servicios: Hospedaje y "Realtime Database"

Arquitectura de redes inalámbricas de sensores

Una base de datos en tiempo real es un sistema que utiliza procesamiento en tiempo real para manejar la carga de trabajo cuyo estado esta en constante cambio.

Esto difiere de las bases de datos tradicionales que contienen datos persistentes, que no se ven afectados por el tiempo.

Arquitectura de redes inalámbricas de sensores

En el caso de Firebase, los clientes estan conectados a la base de datos y mantienen un canal bidireccional a traves de websocket.

Si un cliente agrega informacion a la base de datos, esta informará a los clientes conectados enviandoles los datos nuevos.

Arquitectura de redes inalámbricas de sensores

Arquitectura de redes inalámbricas de sensores

Complemento actividad en equipos

Para las aplicaciones no documentadas definir cuales serán los datos a almacenar en formato JSON, con que frecuencia y realizar un script en lenguaje que funcione como prototipo de la implementación del sistema (envío de datos en el tiempo adecuado y respaldo en archivo de texto).

Conceptos a investigar:

Tipos de bases de datos, Formato JSON.

Hardware requerido siguiente semana (Martes):

NodeMCU o microcontrolador con capacidad (HTTP Requests)

Sensores compatibles con microcontrolador (ej. DHT22)

Arquitectura de redes inalámbricas de sensores

Low-cost wireless sensor network applied to real-time monitoring and control of water consumption in residences (2019)

Acceso a la información (Interfaz Visual)

Detallar la estructura/arquitectura del nodo sensor

Identificar la arquitectura de la red

Requerimientos finales (Proyecto Introductorio)

En una presentación deberá:

• Describir la problemática a resolver (puede incluirse material audiovisual complementario)
• Identificar los dispositivos con los que se resolvio/resolverá
• Detallar la estructura/arquitectura del nodo sensor
• Detalla la estructura de los datos
  • ​Definir en formato JSON las propiedades de los datos  a entregar por el nodo sensor
  • Definir la frecuencia de envio de la información
• Desarrollar scripts de prueba de concepto
• Identificar la arquitectura de la red
• Documentar el acceso a la información

La actividad será subida individualmente a blackboard en el siguiente formato:

No de matricula – Titulo_Actividad

Agenda

4.1. Introducción

4.2. Arquitectura de redes inalámbricas de sensores

4.3. Obtención de información

4.4. Administración de energía

4.5. Seguridad en redes inalámbricas

4.6. Instalación y programación

Unidad 4: Redes inalámbricas de sensores

Arquitectura de redes inalámbricas

En una red inalámbrica de sensores, los dispositivos son desplegados con el propósito de monitorear condiciones físicas o ambientales, tales como la temperatura, sonido, vibración, presión, movimiento o contaminantes.

Cada nodo o dispositivo tiene capacidades de sensado, procesamiento y comunicación y colaborativamente pasan la información recolectada a través de la red a una ubicación central, donde se encuentra un gateway para conectarlo a una red externa como la internet.

Arquitectura de las WSN

Arquitectura de redes inalámbricas

En una red de sensores inalámbricos, los nodos pueden actuar como nodo fuente(source nodes), es decir las entidades que sensan la información del entorno.

Uno o más nodos pueden actuar como nodos recolectores (sink nodes) a donde llega la información. Estos pueden ser parte de la red de sensores o ser dispositivos externos, tales como laptops o smartphones, pero directamente conectados a la red.

Roles de los sensores

Arquitectura de redes inalámbricas

La principal diferencia entre un recolector externo o interno, es que un recolector externo esta en movimiento constante, puede entrar y salir de la red.

En diferencia, uno interno tiene movimiento restringido, siempre se encuentra dentro de la red.

El recolector también puede ser parte de una red externa como el internet, que puede estar conectada a la red de sensores.

Roles de los sensores

Arquitectura de redes inalámbricas

Debido al rango de transmisión limitado de los nodos sensor, las restricciones de potencia u obstaculos físicos en una región geográfica, los nodos fuentes en una red usualmente no se comunican directamente con el recolector.

Utilizan una red multi salto (store-and-forward multi-hop network) para el enrutamiento de los paquetes a traves de nodos intermediarios. Los nodos intermediarios transmiten los paquetes al destino, por ejemplo, al recolector.

Roles de los sensores

Arquitectura de redes inalámbricas

Roles de los sensores

Arquitectura de redes inalámbricas

Stack de protocolos (Akyildiz)

La capa física implementa modulación, transmisión y técnicas de recepción, las cuales deben de ser ligeras y robustas.

Arquitectura de redes inalámbricas

Stack de protocolos (Akyildiz)

La segunda capa se enfoca en problemáticas tales como la conservación de energia y evitar colisiones de datos con las transmisiones de los nodos vecinos.

Arquitectura de redes inalámbricas

Stack de protocolos (Akyildiz)

La capa de red se encarga del enrutamiento de los datos en una red de múltiples saltos.

Arquitectura de redes inalámbricas

Stack de protocolos (Akyildiz)

La capa de transporte ayuda a mantener el flujo de datos si la red de sensores lo requiere.

Arquitectura de redes inalámbricas

Stack de protocolos (Akyildiz)

Dependiendo de las tareas de sensado, diferentes tipos de aplicaciones de software pueden ser requeridas.

Adicionalmente, en esta capa nos aseguramos de la administración general de la potencia, movilidad y  las tareas entre los nodos sensor.

Arquitectura de redes inalámbricas

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 es un estándar que define el nivel físico y el control de acceso al medio de redes inalámbricas de área personal con tasas bajas de transmisión de datos (low-rate wireless personal area network, LR-WPAN). 

El estandar se definio en 2003, tiempo después formo la base de ZigBee , así como de 6LoWPAN el cual extendería el estandar desarrollando capas superiores.

Arquitectura de redes inalámbricas

IEEE 802.15.4

Arquitectura de redes inalámbricas

Zigbee

Arquitectura de redes inalámbricas

Topologias de las LR-WPAN

Usualmente, las redes personales inalámbricas no cuentan con infrastructura y se utilizan para transmitir datos a distancias cortas.

IEEE 802.15.4 soporta LR-WPAN, los cuales buscan implementarse en aplicaciones industriales, residenciales y medicas.

Un dispositivo  en una red LR-WPAN puede ser de funcionalidad total (full-function device / FFD) o de funcionalidad reducida (RFD).

Arquitectura de redes inalámbricas

Topologias de las LR-WPAN

Una LR-WPAN opera usualmente en una de dos topologías, topología estrella o punto a punto (peer-to-peer).

En la topologia estrella, uno de los dispositivos FFD es designado como el controlador primario y es denominado coordinador de la red personal (PAN coordinator). Este dispositivo puede ser utilizado para iniciar, terminar o enrutar la transmisión en la red.

Arquitectura de redes inalámbricas

Topologias de las LR-WPAN

Todos los dispositivos en la red se comunican únicamente con el coordinador. El coordinador usualmente tiene alimentacion por fuente de poder fija y los otros dispositivos alimentados usualmente con baterias.

Arquitectura de redes inalámbricas

Topologias de las LR-WPAN

Aunque un dispositivo se selecciona como coordinador en la red punto a punto, a diferencia de la estrella, estos dispositivos tambien pueden comunicarse con otros siempre y cuando estén dentro del rango de comunicacion.

Esto da lugar a múltiples configuraciones tales como la topologia de malla.

Arquitectura de redes inalámbricas

Topologias de las LR-WPAN

La topología de árbol (cluster-tree) es un caso especial de la punto a punto. En este tipo de red, la mayoría de los dispositivos son FFD y pocos RFD los cuales se vuelven extremos de las ramas. Un FFD, que sincroniza con otros dispositivos y coordina, se vuelve un coordinador y solo uno de estos coordinadores puede ser definido como PAN coordinator.

Arquitectura de redes inalámbricas

Desarrollo de red de sensores inalámbrica

Implemente los conceptos vistos en el curso en la elaboración de un proyecto final integrador.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.

Práctica 4 (Addendum)

Introducción:

Ha sido seleccionado como el ingeniero a implementar las conexiones y configuración de 3 routers que permitirán la comunicación de las ciudades de Mexicali, Tijuana y Ensenada

Desarrollo de la práctica.

• Asigna la primer subred a Mexicali.

Requiere un minimo de 300 Host IP

• Asigna la segunda subred a Tijuana

Requiere un minimo de 200  Host Ip 

• Asigna la segunda subred a Ensenada

Requiere un minimo de 70  Host Ip 

Definir la "máscara de subred" de la dirección IP considerando lo anterior y que se requieren por lo menos 5 subredes adicionales en cada ciudad.