RED CAN

                                                          RED CAN

Una red de área de campus (CAN) es una red de computadoras que conecta redes de área local a través de un área geográfica limitada, como un campus universitario, o una base militar. Puede ser considerado como una red de área metropolitana que se aplica específicamente a un ambiente universitario. Por lo tanto, una red de área de campus es más grande que una red de área local, pero más pequeña que una red de área amplia.

En un CAN, los edificios de una universidad están conectados usando el mismo tipo de equipo y tecnologías de redes que se usarían en un LAN. Además, todos los componentes, incluyendo conmutadores, enrutadores, cableado, y otros, le pertenecen a la misma organización.

Una CAN es una colección de LANs dispersadas geográficamente dentro de un campus (universitario, oficinas de gobierno, maquilas o industrias) pertenecientes a una misma entidad en una área delimitada en kilómetros.

Una CAN utiliza comúnmente tecnologías tales como FDDI y Gigabit Ethernet para conectividad a través de medios de comunicación tales como fibra óptica y espectro disperso.

CAN (acrónimo del inglés Controller Area Network) es un protocolo de comunicaciones desarrollado por la firma alemana Robert Bosch GmbH, basado en unatopología bus para la transmisión de mensajes en entornos distribuidos. Además ofrece una solución a la gestión de la comunicación entre múltiples CPUs(unidades centrales de proceso).

El protocolo de comunicaciones CAN proporciona los siguientes beneficios:

• Ofrece alta inmunidad a las interferencias, habilidad para el autodiagnóstico y la reparación de errores de datos.
• Es un protocolo de comunicaciones normalizado, con lo que se simplifica y economiza la tarea de comunicar subsistemas de diferentes fabricantes sobre una red común o bus.
• El procesador anfitrión (host) delega la carga de comunicaciones a un periférico inteligente, por lo tanto el procesador anfitrión dispone de mayor tiempo para ejecutar sus propias tareas.
• Al ser una red multiplexada, reduce considerablemente el cableado y elimina las conexiones punto a punto, excepto en los enganches.

Historia y evolución del protocolo CAN:

El desarrollo del protocolo CAN comenzó en 1983 en la empresa Robert Bosch GmbH (comúnmente conocida como Bosch). El protocolo fue oficialmente lanzado en 1986 en el congreso de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) en Detroit. Los primeros controladores CAN llegaron al mercado en 1987 de la mano deIntel y Philips.¹ El BMW Serie 8 de 1988 fue el primer vehículo producido en serie que incluyó un bus CAN.

Bosch publicó posteriormente varias versiones de la especificación CAN, siendo la última de ellas la especificación CAN 2.0, publicada en 1991. Esta especificación consta de dos partes; la parte A para el formato estándar y la parte B para el formato extendido. Un dispositivo CAN que usa el formato estándar utiliza identificadores de 11 bits y es comúnmente referido como dispositivo CAN 2.0A. Un dispositivo CAN que usa el formato extendido utiliza identificadores de 29 bits y es comúnmente referido como dispositivo CAN 2.0B. Los estándares CAN 2.0A/B y otros documentos de referencia relacionados con CAN son de acceso libre a través de Bosch.²

En 1993 se publicó el estándar ISO 11898 del bus CAN y ha sido a partir de ese momento un estándar de la Organización Internacional para la Normalización. Actualmente el bus CAN está estandarizado por las siguientes normas:

• ISO/DIS 11898-1:2015, Part 1: Data link layer and physical signalling
• ISO 11898-2:2003, Part 2: High-speed medium access unit
• ISO 11898-3:2006. Part 3: Low-speed, fault-tolerant, medium-dependent interface
• ISO 11898-4:2004, Part 4: Time-triggered communication
• ISO 11898-5:2007, Part 5: High-speed medium access unit with low power mode
• ISO 11898-6:2013, Part 6: High-speed medium access unit with selective wake-up functionality
• ISO 16845:2004, Conformance test plan

En 2011 Bosch, en cooperación con los fabricantes de automóviles y otros expertos del bus CAN, comenzó a desarrollar la siguiente generación del CAN: el protocolo CAN FD (flexible data-rate). El CAN FD es compatible hacia atrás, es decir, un controlador CAN FD es capaz de comprender un mensaje CAN clásico (o CAN 2.0). Por el contrario, un controlador CAN clásico destruye un mensaje CAN FD emitiendo un mensaje de error. El nuevo CAN FD es capaz de transmitir datos más rápido que 1 Mbps (la velocidad máxima del CAN clásico). Ambos protocolos, el CAN clásico y el CAN FD, están estandarizados en la norma ISO/DIS 11898-1.^3 4

Principales características de CAN:

CAN se basa en el modelo productor/consumidor, el cual es un concepto, o paradigma de comunicaciones de datos, que describe una relación entre un productor y uno o más consumidores. CAN es un protocolo orientado a mensajes, es decir la información que se va a intercambiar se descompone en mensajes, a los cuales se les asigna un identificador y se encapsulan en tramas para su transmisión. Cada mensaje tiene un identificador único dentro de la red, con el cual los nodosdeciden aceptar o no dicho mensaje. Dentro de sus principales características se encuentran:

• Prioridad de mensajes.
• Garantía de tiempos de latencia.
• Flexibilidad en la configuración.
• Recepción por multidifusión (multicast) con sincronización de tiempos.
• Sistema robusto en cuanto a consistencia de datos.
• Sistema multimaestro.
• Detección y señalización de errores.
• Retransmisión automática de tramas erróneas
• Distinción entre errores temporales y fallas permanentes de los nodos de la red, y desconexión autónoma de nodos defectuosos.

CAN fue desarrollado inicialmente para aplicaciones en los automóviles y por lo tanto la plataforma del protocolo es resultado de las necesidades existentes en el área de la automoción. La Organización Internacional para la Estandarización (ISO, International Organization for Standardization) define dos tipos de redes CAN: una red de alta velocidad (hasta 1 Mbit/s), bajo el estándar ISO 11898-2, destinada para controlar el motor e interconectar las unidades de control electrónico(ECU); y una red de baja velocidad tolerante a fallos (menor o igual a 125 kbit/s), bajo el estándar ISO 11519-2/ISO 11898-3, dedicada a la comunicación de los dispositivos electrónicos internos de un automóvil como son control de puertas, techo corredizo, luces y asientos.

Tipos de bus CAN:

La especificación de los buses CAN esta recogida en el conjunto de estándares ISO 11898. Dicha especificación define las dos primeras capas, la capa física y lacapa de enlace de datos, del modelo OSI de interconexión de sistemas. Sobre la base de dichos estándares, los buses CAN se pueden clasificar en dos tipos:

• CAN de alta velocidad (hasta 1 Mbit/s).
• CAN de baja velocidad tolerante a fallos (hasta 125 kbit/s).

CAN de alta velocidad:

ISO 11898-2, también llamado CAN de alta velocidad, usa un único bus lineal terminado en cada extremo con sendas resistencias de 120 Ω. Es importante que el valor de las resistencias de terminación coincida con la impedancia característica del bus, definida en 120 Ω, para evitar reflexiones en la línea que podrían perturbar la comunicación. Con esta configuración la velocidad del bus es de un máximo de 1 Mbit/s.

Bus CAN de alta velocidad. ISO 11898-2

Extensiones del CAN de alta velocidad:

La Organización Internacional para la Normalización (ISO) ha definido unas extensiones opcionales de la capa física del bus CAN de alta velocidad (ISO 11898-2). Dichas extensiones están descritas en sus respectivos estándares y son útiles para sistemas con requisitos específicos. También definen la compatibilidad con ISO 11898-2.

• ISO 11898-5 especifica la capa física con tasas de transmisión de hasta 1 Mbit/s para sistemas que requieren bajo consumo de energía cuando no hay comunicaciones activas en el bus de datos. ISO 11898-5 representa una extensión de ISO 11898-2 y aquellas implementaciones que cumplan cualquiera de estas dos normas, es decir, los nodos CAN de alta velocidad con y sin bajo consumo de energía, son interoperables entre sí y pueden coexistir en la misma red.⁵

• ISO 11898-6 es una extensión de ISO 11898-2 y de ISO 11898-5. Esta extensión especifica la capa física de un bus CAN de hasta 1 Mbit/s, proporcionando un método selectivo de activación de nodos (wake-up) usando tramas CAN configurables. Las implementaciones de ISO 11898-6, ISO 11898-2 e ISO 11898-5 son interoperables y se pueden usar en una misma red simultáneamente.⁶

CAN de baja velocidad tolerante a fallos:

ISO 11898-3, también llamado CAN de baja velocidad tolerante a fallos, puede utilizar un bus lineal, un bus en estrella o múltiples buses en estrella conectados por un bus lineal. El bus está terminado en cada nodo por una fracción de la resistencia de terminación total. La resistencia de terminación total debería ser un valor próximo a 100 Ω, pero no inferior a 100 Ω. Este estándar permite velocidades de hasta 125 kbit/s.

Bus CAN de baja velocidad tolerante a fallos. ISO 11898-3

CAN FD (flexible data-rate):

En 2011 Bosch comenzó a trabajar en una evolución del CAN. En 2012 lanzó CAN FD 1.0, que ofrece un aumento de la tasa de transferencia después del arbitraje. De momento (2015), sólo se ha definido la capa de enlace de datos del CAN FD. La frecuencia se puede multiplicar hasta por 8 y el número máximo de bytes por trama aumenta, siendo posible transmitir una mayor cantidad de datos en el mismo tiempo.⁴ La especificación está recogida en el borrador de norma ISO/DIS 11898-1:2015.

Capa física:

Define los aspectos del medio físico para la transmisión de datos entre nodos de una red CAN, las características materiales y eléctricas y la transmisión del flujo de bits a través del bus.

Niveles de tensión del bus:

Niveles de tensión del bus CAN

La transmisión de señales en un bus CAN se lleva a cabo a través de dos cables trenzados. Las señales de estos cables se denominan CAN_H (CAN high) y CAN_L (CAN low) respectivamente. El bus tiene dos estados definidos: estado dominante y estado recesivo. En estado recesivo, los dos cables del bus se encuentran al mismo nivel de tensión (common-mode voltage), mientras que en estado dominante hay una diferencia de tensión entre CAN_H y CAN_L de al menos 1,5 V. La transmisión de señales en forma de tensión diferencial, en comparación con la transmisión en forma de tensiones absolutas, proporciona protección frente a interferencias electromagnéticas.

La tensión en modo común puede estar, según la especificación, en cualquier punto entre -2 y 7 V. La tensión diferencial del bus (la diferencia entre CAN_H y CAN_L) en modo dominante debe estar entre 1,5 y 3 V. No se especifica, en cambio, que la tensión de modo común cuando el bus está en modo recesivo deba estar comprendida entre la tensión de CAN_L y la tensión de CAN_H cuando el bus está en modo dominante. Esto permite la conexión directa entre nodos que operen a distintas tensiones, e incluso nodos que sufran diferencia de tensión entre sus respectivas tierras.^7 8

Cable y conectores:

Conector D-sub de 9 pines (DE-9)

Los distintos nodos de un bus CAN deben estár interconectados mediante un par de cables trenzados con una impedancia característica de 120 Ω, y puede ser cable apantallado o sin apantallar. El cable trenzado proporciona protección frente a interferencias electromagnéticas externas. Y si, además, está apantallado, la protección será mayor pero a cambio de un incremento en el coste del cable.

El estándar CAN, a diferencia de otros estándares como el USB, no especifica ningún tipo de conector para el bus y por lo tanto cada aplicación puede tener un conector distinto. Sin embargo, hay varios formatos comúnmente aceptados como el conector D-sub de 9 pines, con la señal CAN_L en el pin 2 y la señal CAN_H en el pin 7.

Las propiedades de la línea de transmisión limitan el ancho de banda de los datos. Orientativamente, se aceptan los siguientes valores como límite de longitud del bus en función de la tasa de transferencia:⁹

Longitud del bus (m)	Tasa de transferencia (kbit/s)
40	1000
100	500
200	250
500	100
1000	50

Sincronización de bits:

Todos los nodos de un bus CAN deben trabajar con la misma tasa de transferencia nominal. Dado que el bus CAN no usa una señal de reloj separada, factores como la deriva de reloj y la tolerancia de los osciladores causan que haya una diferencia entre la tasa de transferencia real de los distintos nodos. Por ello es necesario un método de sincronización entre los nodos. La sincronización es especialmente importante en la fase de arbitraje ya que durante el arbitraje cada nodo debe ser capaz de observar tanto los datos transmitidos por él como los datos transmitidos por los demás nodos.

El requisito mínimo para un bus CAN es que dos nodos, estando en sendos extremos de la red con el máximo retardo de propagación entre ellos, y cuyos controladores CAN tienen unas frecuencias de reloj en los límites opuestos de la tolerancia de frecuencia especificada, sean capaces de recibir y leer correctamente todos los mensajes transmitidos por la línea. Esto incluye que todos los nodos muestreen el valor correcto de cada bit.¹⁰

El controlador CAN espera que una transición del bus de recesivo a dominante ocurra en un determinado intervalo de tiempo. Si la transición no ocurre en el intervalo esperado, el controlador reajusta la duración del siguiente bit en consecuencia. Dicho ajuste se lleva a cabo dividiendo cada bit en intervalos o cuantos de tiempo (del latín quantum) y asignando los intervalos a los cuatro segmentos de cada bit: sincronización, propagación, segmento de fase 1 y segmento de fase 2.

• Segmento de sincronización: es el intervalo de tiempo en el que se supone que ocurren las transiciones de recesivo a dominante.
• Segmento de propagación: es el intervalo de tiempo que compensa los retardos de propagación a lo largo de la línea.
• Segmentos de fase 1 y 2: Se usan para llevar a cabo la resincronización de los nodos. El segmento de fase 1 puede ser alargado o el 2 acortado para la resincronización. El punto de muestreo del bit se encuentra inmediatamente después del segmento de fase 1. El punto de muestreo se encuentra habitualmente cerca del 75 % de la duración total del bit.

La configuración de los segmentos del bit se hacen sobre la base de la frecuencia de reloj de cada controlador CAN. Los segmentos se configuran individualmente para cada controlador en un mismo bus. A efectos prácticos, la configuración de los segmentos del bit supone un compromiso entre la tasa de transferencia y tolerancia de los osciladores.

Capa de enlace de datos:

El protocolo CAN proporciona un acceso multimaestro al bus con una resolución determinista de las colisiones. La capa de enlace de datos define el método de acceso al medio así como los tipos de tramas para el envío de mensajes.

Acceso al medio (arbitraje):

La especificación del CAN usa los términos “dominante” y “recesivo” para referirse a los bits, donde un bit dominante equivale al valor lógico 0 y un bit recesivo equivale al valor lógico 1. El estado inactivo del bus es el estado recesivo (valor lógico 1). Cuando dos nodos intentan transmitir bits diferentes se denomina colisión y el valor del bit dominante prevalece sobre el valor del bit recesivo. En ese caso el nodo que intentaba transmitir el valor recesivo detecta la colisión y pasa a modo pasivo, es decir, deja de transmitir para escuchar lo que transmite el otro nodo. Por esta razón es importante que todos los nodos estén sincronizados y muestreen todos los bits del bus simultáneamente.

El arbitraje se produce durante los primeros bits de una trama o mensaje, durante la transmisión de lo que se conoce como identificador del mensaje. Al final del proceso de arbitraje sólo debe quedar un nodo con el control del bus. Por ello cada nodo debe manejar identificadores únicos. Cuando un nodo pierde el arbitraje aplaza la transmisión de su trama para intentarlo de nuevo cuando finalice la trama actual. Conociendo los identificadores de todos las tramas que intentan ser transmitidas, se puede establecer de manera determinista el orden en el que son transmitidas. Así, una trama CAN con identificador más bajo (mayor número de bits dominantes en las primeras posiciones) tiene más prioridad que una trama con identificador más alto.

Tipos de trama:

Existen cuatro tipos de trama CAN:

• Trama de datos (data frame)
• Trama remota (remote frame)
• Trama de error (error frame)
• Trama de sobrecarga (overload frame)

Trama de datos:

Una trama de datos CAN puede ser de uno de los dos siguientes formatos:

• Formato base: con identificador de 11 bits.
• Formato extendido: con identificador de 29 bits.

El estándar dice que un controlador CAN debe aceptar tramas en formato base, y puede o no aceptar tramas en formato extendido. Pero en cualquier caso debe tolerar tramas en formato extendido. Es decir, que si un controlador está configurado para que sólo acepte tramas en formato base no debe lanzar un error cuando reciba una trama en formato extendido, sino que simplemente no transmitirá el mensaje al procesador central.

Formato base:

raensiones eléctricas del bus y sin 

Nobre del campo	Longitud (bits)	Finalidad
Inicio de trama	1	Demarca el comienzo de una transmisión.
Identificador - ID (verde)	11	Un identificador (único) que también representa la prioridad de la trama.
Petición de transmisión remota - RTR (cián)	1	Dominante (0) para tramas de datos y recesivo (1) para tramas de peticiones remotas.
Bit de extensión de identificador - IDE	1	Dominante (0) para el formato base (identificador de 11 bits).
Bit reservado (r0)	1	Bit reservado. Debe ser dominante (0), pero aceptado tanto dominante como recesivo.
Código de longitud de datos - DLC (amarillo)	4	Número de bytes de datos en el mensaje, entre 0 y 8. Si este campo es mayor que 8 el mensaje será de 8 bytes como máximo de cualquier modo.
Campo de datos (rojo)	0–64 (0-8 bytes)	Datos de la trama (la longitud del campo viene dada por el código de longitud de datos o DLC).
CRC	15	Verificación por redundancia cíclica. Código que verifica que los datos fueron transmitidos correctamente.
Delimitador CRC	1	Debe ser recesivo (1).
Hueco de acuse de recibo - ACK	1	El transmisor emite recesivo (1) y cualquier receptor emite dominante (0).
Delimitador ACK	1	Debe ser recesivo (1).
Fin de trama EOF	7	Debe ser recesivo (1).

Formato extendido:

En el formato extendido los dos campos de identificador se combinan para formar el identificador de 29 bits. El formato de la trama es el siguiente:

Nombre del campo	Longitud (bits)	Finalidad
Inicio de trama	1	Demarca el comienzo de una transmisión.
Identificador A - ID_A	11	Primera parte del identificador (único) que también representa la prioridad de la trama.
Sustituto de transmisión remota - SRR	1	Debe ser recesivo (1).
Bit de extensión de identificador - IDE	1	Recesivo (1) para el formato extendido (identificador de 29 bits).
Identificador B - ID_B	18	Segunda parte del identificador (único) que también representa la prioridad de la trama.
Petición de transmisión remota - RTR	1	Dominante (0) para tramas de datos y recesivo (1) para tramas de peticiones remotas.
Bits reservados (r1, r0)	2	Bit reservado. Debe ser dominante (0), pero aceptado tanto dominante como recesivo.
Código de longitud de datos - DLC	4	Número de bytes de datos en el mensaje, entre 0 y 8. Si este campo es mayor que 8 el mensaje será de 8 bytes como máximo de cualquier modo.
Campo de datos	0–64 (0-8 bytes)	Datos de la trama (la longitud del campo viene dada por el código de longitud de datos o DLC).
CRC	15	Verificación por redundancia cíclica. Código que verifica que los datos fueron transmitidos correctamente.
Delimitador CRC	1	Debe ser recesivo (1).
Hueco de acuse de recibo - ACK	1	El transmisor emite recesivo (1) y cualquier receptor emite dominante (0).
Delimitador ACK	1	Debe ser recesivo (1).
Fin de trama - EOF	7	Debe ser recesivo (1).

Trama remota:

Generalmente los datos se transmiten como trama de datos. Sin embargo, es posible que un nodo requiera unos datos desde otro nodo. En ese caso, el primero puede enviar una trama remota para pedir el envío de algún dato. El nodo que requiere la información envía entonces una trama con una petición de transmisión remota (RTR = 1; recesivo). Las tramas remotas o de petición de transmisión remota sólo se diferencian de las tramas de datos en que las tramas remotas no tienen campo de datos.

Trama de error:

La trama de error es una trama especial que viola las reglas de formato de las tramas CAN. Se transmite cuando un nodo detecta un mensaje erróneo, y provoca que los demás nodos también transmitan una trama de error. Un complejo mecanismo de contadores de error integrado en el controlador asegura que un nodo no bloquee el bus con continuas tramas de error.

Trama de sobrecarga:

Es similar a la trama de error en cuanto a que viola el formato de las tramas CAN. Es transmitida por un nodo que se encuentra muy ocupado y el bus proporciona entonces un retardo extra entre tramas.

Separación entre tramas:

Las tramas de datos y remotas están separadas por al menos tres bits recesivos (1). Después de eso, si si detecta un bit dominante (0), es considerado como el inicio de una nueva trama. Las tramas de error y de sobrecarga no respetan el espaciado entre tramas.

Bits de relleno (bit stuffing):

Para asegurar que hay suficientes transiciones recesivo-dominante y garantizar así la sincronización, un bit de polaridad opuesta es insertado después de cinco bits consecutivos de la misma polaridad. Esta práctica es necesaria debido a la codificación sin vuelta a cero del protocolo CAN. Los bits insertados son eliminados por el receptor.

Todos los campos de la trama son rellenados a excepción del delimitador CRC, el acuse de recibo ACK, y el fin de trama. Cuando un nodo detecta seis bits consecutivos iguales en un campo susceptible de ser rellenado lo considera un error y emite un error activo. Un error activo consiste en seis bits consecutivos dominantes y viola la regla de relleno de bits.

La regla de los bits de relleno implica que una trama puede ser más larga de lo esperado si se suman los bits teóricos de cada campo de la trama.

Protocolos basados en CAN:

Los estándares del bus CAN sólo especifican las dos primeras capas, la capa física y la capa de enlace de datos, según el modelo OSI. Puesto que CAN no incluye tareas de capas superiores tales como direccionamiento, control de acceso, transporte de bloques de datos mayores que una trama, etc., han ido surgiendo protocolos en capas superiores basados en CAN, sobre todo en la capa de aplicación.

Cabe mencionar los siguientes:

RED PAN

                                             RED PAN

Evolución:

Estas tecnologías permitieron una altísima transferencia de datos dentro de las soluciones de sistemas o redes inalámbricas. La ventaja de las comunicaciones inalámbricas es que con la terminal la persona se puede mover por toda el área de cobertura, lo que no ocurre con las redes de comunicaciones fijas; esto permitirá el desarrollo de diferentes soluciones PAN y cambiará el concepto de los espacios personales.

Las bases del concepto de red para espacio personal provinieron de ideas que surgieron en el año 1995 en el Massachusetts Institute of Technology (MIT) provienen para usar en señales eléctricas o impulsos eléctricos provenientes del cuerpo humano, y así poder comunicar el mismo con dispositivos adjuntos. Esto fue aceptado en primera instancia por los laboratorios de IBM Research y luego tuvo muchas variaciones desarrolladas por las diferentes instituciones y compañías de investigación. Las diferentes soluciones de PAN incluyen lo siguiente:

·         Proyecto Oxygen (MIT);

·         Pico-radio;

·         Infrared Data Association (IrDA);

·         Bluetooth;

El concepto de Bluetooth, originalmente desarrollado para reemplazar a los cables, está siendo aceptado mundialmente, y algunas de estas ideas son incorporados en el estándar IEEE 802.15 relacionado a las PANs.

Conceptos actuales:

El espacio personal abarca toda el área que puede cubrir la voz. Puede tener una capacidad en el rango de los 10 bps hasta los 10 Mbps. Existen soluciones (ejemplo, Bluetooth) que operan en la frecuencia librespectiva banda de frecuencia de 2.4 GHz. Los sistemas PAN podrán operar en las bandas libres de 5 GHz o quizás mayores a éstas. PAN es un concepto de red dinámico que exigirá las soluciones técnicas apropiadas para esta arquitectura, protocolos, administración, y seguridad.

PAN representa el concepto de redes centradas en las personas, y que les permiten a dichas personas comunicarse con sus dispositivos personales (ejemplo, PDAs, tableros electrónicos de navegación, agendas electrónicas, computadoras portátiles) para así hacer posible establecer una conexión inalámbrica con el mundo externo.

El paradigma PAN:

Las redes para espacios personales continúan desarrollándose hacia la tecnología del Bluetooth hacia el concepto de redes dinámicas, el cual nos permite una fácil comunicación con los dispositivos que van adheridos a nuestro cuerpo o a nuestra indumentaria, ya sea que estemos en movimiento o no, dentro del área de cobertura de nuestra red. PAN prevé el acercamiento de un paradigma de redes, la cual atrae el interés a los investigadores, y las industrias que quieren aprender más acerca de las soluciones avanzadas para redes, tecnologías de radio, altas transferencias de bits, nuevos patrones para celulares, y un soporte de software más sofisticado.

El PAN debe proporcionar una conectividad usuario a usuario, comunicaciones seguras, y QoS que garanticen a los usuarios. El sistema tendrá que soportar diferentes aplicaciones y distintos escenarios de operación, y así poder abarcar una gran variedad de dispositivos.

Posibles equipos o dispositivos:

Las diferentes demandas del servicio y los panoramas de uso hacen que PAN acumule distintos acercamientos hacia las funciones y capacidades que pueda tener. Algunos dispositivos, como un simple sensor pito, pueden ser muy baratos, y tener a su vez funciones limitadas. Otros pueden incorporar funciones avanzadas, tanto computacionales como de red, lo cual los harán más costosos. Deben preverse los siguientes puntos como importantes para su fácil escalabilidad:

·         Funcionalidad y Complejidad;

·         Precio;

·         Consumo de energía;

·         Tarifas para los datos;

·         Garantía;

·         Soporte para las interfaces.

Los dispositivos más capaces pueden incorporar funciones multimodo que permiten el acceso a múltiples redes.

Algunos de estos dispositivos pueden estar adheridos o usados como vestimenta para la persona (ejemplo, sensores); otros podrían ser fijos o establecidos temporalmente con el espacio personal (ejemplo, sensores, impresoras, y PDAs)

La distancia a la que funciona es 10 metros minimo

Conclusiones y trabajos futuros:

PAN introduce un concepto de espacio personal dentro del mundo de las telecomunicaciones. Esto se convertirá en extensiones de redes, dentro del mundo personal, lo cual supone una gran variedad de nuevas características para resolver las demandas de los servicios de redes. Los usuarios rodeados por sus espacios personales pueden moverse en su espacio y ejecutar aplicaciones en las diferentes redes. Varias tecnologías están listas para nuevas soluciones e ideas, e incluso cosas inimaginables en el momento. B-PAN puede ser uno de ellos.

RED SAN

                                                               RED SAN

Una red de área de almacenamiento, en inglés Storage Area Network (SAN), es una red de almacenamiento integral. Se trata de una arquitectura completa que agrupa los siguientes elementos:

·         Una red de alta velocidad de canal de fibra o iSCSI.

·         Un equipo de interconexión dedicado (conmutadores, puentes, etc).

·         Elementos de almacenamiento de red (discos duros).

Una SAN es una red dedicada al almacenamiento que está conectada a las redes de comunicación de una compañía. Además de contar con interfaces de red tradicionales, los equipos con acceso a la SAN tienen una interfaz de red específica que se conecta a la SAN.

El rendimiento de la SAN está directamente relacionado con el tipo de red que se utiliza. En el caso de una red de canal de fibra, el ancho de banda es de aproximadamente 100 megabytes/segundo (1.000 megabits/segundo) y se puede extender aumentando la cantidad de conexiones de acceso.

La capacidad de una SAN se puede extender de manera casi ilimitada y puede alcanzar cientos y hasta miles de terabytes.

Una SAN permite compartir datos entre varios equipos de la red sin afectar el rendimiento porque el tráfico de SAN está totalmente separado del tráfico de usuario. Son los servidores de aplicaciones que funcionan como una interfaz entre la red de datos (generalmente un canal de fibra) y la red de usuario (por lo general Ethernet).

Por otra parte, una SAN es mucho más costosa que un almacenamiento conectado en red (NAS) ya que la primera es una arquitectura completa que utiliza una tecnología que todavía es muy cara. Normalmente, cuando una compañía estima el coste total de propiedad (TCO) con respecto al coste por byte, el coste se puede justificar con más facilidad.

Además es una red concebida para conectar servidores, matrices (arrays) de discos y librerías de soporte. Principalmente, está basada en tecnología fibre channel y más recientemente en iSCSI. Su función es la de conectar de manera rápida, segura y fiable los distintos elementos que la conforman.

Definición de SAN:

Una red SAN se distingue de otros modos de almacenamiento en red por el modo de acceso a bajo nivel. El tipo de tráfico en una SAN es muy similar al de los discos duroscomo ATA, SATA y SCSI. En otros métodos de almacenamiento (como SMB o NFS) el servidor solicita un determinado fichero, por ejemplo "/home/usuario/wikipedia". En una SAN el servidor solicita "el bloque 6000 del disco 4". La mayoría de las SAN actuales usan el protocolo SCSI para acceder a los datos de la SAN, aunque no usen interfaces físicas SCSI. Este tipo de redes de datos se han utilizado y se utilizan tradicionalmente en grandes mainframes como en IBM, SUN o HP. Aunque recientemente con la incorporación de Microsoft se ha empezado a utilizar en máquinas con sistemas operativos Microsoft Windows.

Una SAN es una red de almacenamiento dedicada que proporciona acceso de nivel de bloque a varios Logical Unit Number (LUN). Un LUN, o número de unidad lógica, es un disco virtual proporcionado por la SAN. El administrador del sistema tiene el mismo acceso y los derechos al LUN como si fuera un disco directamente conectado a la misma. El administrador puede particionar y formatear el disco en cualquier medio que él elija.

Dos protocolos de red utilizados en una SAN son Fibre Channel e iSCSI. Una red de canal de fibra es una red muy rápida aislada normalmente del tráfico de la red LAN de la empresa. Sin embargo, es muy cara. Las tarjetas de canal de fibra óptica cuestan alrededor de mil dólares cada una. También requieren conmutadores especiales de canal de fibra. iSCSI es una nueva tecnología que envía comandos SCSI sobre una red TCP/IP. Este método no es tan rápido como una red Fibre Channel, pero ahorra costes, ya que utiliza un hardware de red menos costoso.

A partir de desastres, como lo fue el "martes negro" en los atentados del 11 de septiembre de 2001, la gente de TI han tomado acciones al respecto, con servicios de cómo recuperarse ante un desastre, cómo recuperar miles de datos y lograr la continuidad del negocio, una de las opciones es contar con la red de área de almacenamiento; sin embargo, las compañías se pueden enfrentar a cientos de ataques, por lo que es necesario contar con un plan en caso de contingencia; es de vital importancia que el sitio donde se encuentre la SAN, se encuentre en un área geográfica distinta a donde se ubican los servidores que contienen la información crítica. Además, se trata de un modelo centralizado fácil de administrar, puede tener un bajo costo de expansión y administración, lo que la hace una red fácilmente escalable; fiabilidad, debido a que se hace más sencillo aplicar ciertas políticas para proteger a la red.

Antecedentes:

La mayoría de las SAN usan el protocolo de comunicaciones SCSI (iSCSI) para la comunicación entre los servidores y los dispositivos de almacenamiento, aunque no se haga uso de la interfaz física de bajo nivel. En su lugar se emplea una capa de mapeo, como el estándar FCP.

Sin embargo, la poca flexibilidad que este provee, así como la distancia que puede existir entre los servidores y los dispositivos de almacenamiento, fueron los detonantes para crear un medio de conexión que permitiera compartir los recursos, y a la vez incrementar las distancias y capacidades de los dispositivos de almacenamiento.

Dada la necesidad de compartir recursos, se hizo un primer esfuerzo con los primeros sistemas que compartían el almacenamiento a dos servidores, como el actual HP MSA500G2, pero la corta distancia y la capacidad máxima de 2 servidores, sugirió la necesidad de otra forma de conexión.

Comparativas:

Una SAN se puede considerar una extensión de Direct Attached Storage (DAS).

Donde en DAS hay un enlace punto a punto entre el servidor y su almacenamiento, una SAN permite a varios servidores acceder a varios dispositivos de almacenamiento en una red compartida.

Tanto en SAN como en DAS, las aplicaciones y programas de usuarios hacen sus peticiones de datos al sistema de ficheros directamente. La diferencia reside en la manera en la que dicho sistema de ficheros obtiene los datos requeridos del almacenamiento.

En DAS, el almacenamiento es local al sistema de ficheros, mientras que en SAN, el almacenamiento es remoto.

SAN utiliza diferentes protocolos de acceso como Fibre Channel y Gigabit Ethernet. En el lado opuesto se encuentra la tecnología Network-Attached Storage (NAS), donde las aplicaciones hacen las peticiones de datos a los sistemas de ficheros de manera remota mediante protocolos Server Message Block (CIFS) y Network File System (NFS).

Estructura básica de una SAN:

Las SAN proveen conectividad de E/S a través de las computadoras host y los dispositivos de almacenamiento combinando los beneficios de tecnologías Fibre Channel y de las arquitecturas de redes brindando así una aproximación más robusta, flexible y sofisticada que supera las limitaciones de DAS empleando la misma interfaz lógica SCSI para acceder al almacenamiento.

Las SAN se componen de tres capas:

1.     Capa Host: esta capa consiste principalmente en servidores, dispositivos o componentes (HBA, GBIC, GLM) y software (sistemas operativos).

2.     Capa Fibra: esta capa la conforman los cables (fibra óptica) así como los SAN hubs y los SAN switches como punto central de conexión para la SAN.

3.     Capa Almacenamiento: esta capa la componen las formaciones de discos (Disk Arrays, memoria caché, RAID) y cintas empleados para almacenar datos.

La red de almacenamiento puede ser de dos tipos:

·         Red Fibre Channel: la red fibre channel es la red física de dispositivos Fibre Channel que emplea Fibre Channel Switches y directores y el protocolo Fibre Channel Protocol(FCP) para transporte (SCSI-3 serial sobre canal de fibra).

·         Red IP: emplea la infraestructura del estándar LAN con hubs y/o switches Ethernet interconectados. Una SAN IP emplea iSCSI para transporte (SCSI-3 serial sobre IP).

Canal de fibra:

Canal de fibra (Fibre Channel) es un estándar, que transporta en gigabits, está optimizado para almacenamiento y otras aplicaciones de alta velocidad. Actualmente la velocidad que se maneja es de alrededor de 1 gigabit (200 MBps full-duplex). Fibre Channel soportará velocidades de transferencia full duplex arriba de los 400 MBps, en un futuro cercano.

Hay tres topologías basadas en Fibre Channel:

·         Punto a punto (Point to Point).

·         Bucle Arbitrado (Arbitrated Loop).

·         Tejido Conmutado (Switched Fabric).

Fibre Channel Fabric:

El “Tejido de Canal de Fibra” (Fibre Channel Fabric) fue diseñado como una interfaz genérica entre cada nodo y la interconexión con la capa física de ese Modo. Con la adhesión de esta interfaz, cualquier nodo "canal de fibra", puede comunicarse sobre el Tejido, sin que sea requerido un conocimiento específico del esquema de interconexión entre los nodos.

Fibre Channel Arbitrated Loop:

Esta topología, se refiere a la compartición de arquitecturas, las cuales soportan velocidades full-duplex de 100 MBps o inclusive de hasta 200 MBps.

Analógicamente a la topología Token Ring, múltiples servidores y dispositivos de almacenamiento, pueden agregarse a mismo segmento del bucle.

Hasta 126 dispositivos pueden agregarse a un FC-AL (Fibre Channel Arbitrated Loop).

Ya que el bucle es de transporte compartido, los dispositivos deben ser arbitrados, esto es, deben ser controlados, para el acceso al bucle de transporte, antes de enviar datos.

Servicios Brindados por una Fabric:

Cuando un dispositivo se une a una Fabric su información es registrada en una base de datos, la cual es usada para su acceso a otros dispositivos de la Fabric, así mismo mantiene un registro de los cambios físicos de la topología. A continuación se presentan los servicios básicos dentro de una Fabric.

·         Login Service: este servicio se utiliza para cada uno de los nodos cuando estos realizan una sesión a la Fabric (FLOGI). Para cada una de las comunicaciones establecidas entre nodos y la fábrica se envía un identificador de origen (S_ID) y del servicio de conexión se regresa un D_ID con el dominio y la información del puerto donde se establece la conexión.

·         Name services: toda la información de los equipos “logueados” en la Fabric son registrados en un servidor de nombre que realiza PLOGIN. Esto con la finalidad de tener todas las entradas registradas en una base de datos de los residentes locales.

·         Fabric Controller: es el encargado de proporcionar todas las notificaciones de cambio de estado a todos los nodos que se encuentren dados de alta dentro de la Fabric utilizando RSCNs (registro notificación de estado de cambio).

·         Management Server: el papel de este servicio es proporcionar un punto de acceso único para los tres servicios anteriores, basado en "contenedores" llamados zonas. Una zona es una colección de nodos que define a residir en un espacio cerrado.

Híbrido SAN-NAS:

Aunque la necesidad de almacenamiento es evidente, no siempre está claro cuál es la solución adecuada en una determinada organización.

Elegir la solución correcta puede ser una decisión con notables implicaciones, aunque no hay una respuesta correcta única, es necesario centrarse en las necesidades y objetivos finales específicos de cada usuario u organización.

Por ejemplo, en el caso concreto de las empresas, el tamaño de la compañía es un parámetro a tener en cuenta. Para grandes volúmenes de información, una solución SAN sería más acertada. En cambio, pequeñas compañías utilizan una solución NAS.

Sin embargo, ambas tecnologías no son excluyentes y pueden convivir en una misma solución.

Como se muestra en el gráfico, hay una serie de resultados posibles que implican la utilización de tecnologías DAS, NAS y SAN en una misma solución.

Características:

·         Latencia: una de las diferencias y principales características de las SAN es que son construidas para minimizar el tiempo de respuesta del medio de transmisión.

·         Conectividad: permite que múltiples servidores sean conectados al mismo grupo de discos o librerías de cintas, permitiendo que la utilización de los sistemas de almacenamiento y los respaldos sean óptimos.

·         Distancia: las SAN al ser construidas con fibra óptica heredan los beneficios de esta, por ejemplo, las SAN pueden tener dispositivos con una separación de hasta 10 km sin repetidores.

·         Velocidad: el rendimiento de cualquier sistema de cómputo dependerá de la velocidad de sus subsistemas, es por ello que las SAN han incrementado su velocidad de transferencia de información, desde 1 Gigabit, hasta actualmente 4 y 8 Gigabits por segundo.

·         Disponibilidad: una de las ventajas de las SAN es que al tener mayor conectividad, permiten que los servidores y dispositivos de almacenamiento se conecten más de una vez a la SAN, de esta forma, se pueden tener "rutas" redundantes que a su vez incrementaran la tolerancia a fallos.

·         Seguridad: la seguridad en las SAN ha sido desde el principio un factor fundamental, desde su creación se notó la posibilidad de que un sistema accediera a un dispositivo que no le correspondiera o interfiriera con el flujo de información, es por ello que se ha implementado la tecnología de zonificación, la cual consiste en que un grupo de elementos se aíslen del resto para evitar estos problemas, la zonificación puede llevarse a cabo por hardware, software o ambas, siendo capaz de agrupar por puerto o por WWN (World Wide Name), una técnica adicional se implementa a nivel del dispositivo de almacenamiento que es la Presentación, consiste en hacer que una LUN (Logical Unit Number) sea accesible sólo por una lista predefinida de servidores o nodos (se implementa con los WWN).

·         Componentes: los componentes primarios de una SAN son: switches, directores, HBAs, servidores, ruteadores, gateways, matrices de discos y librerías de cintas.

·         Topología: cada topología provee distintas capacidades y beneficios las topologías de SAN son:

·         Cascada (cascade).

·         Anillo (ring).

·         Malla (meshed).

·         Núcleo/borde (core/edge).

·         ISL (Inter Switch Link, enlace entre conmutadores): actualmente las conexiones entre los switches de SAN se hacen mediante puertos tipo "E" y pueden agruparse para formar una troncal (trunk) que permita mayor flujo de información y tolerancia a fallos.

·         Arquitectura: los canales de fibra actuales funcionan bajo dos arquitecturas básicas, FC-AL (Fibre Channel Arbitrated Loop) y Switched Fabric, ambos esquemas pueden convivir y ampliar las posibilidades de las SAN. La arquitectura FC-AL puede conectar hasta 127 dispositivos, mientras que switched fabric hasta 16 millones teóricamente.

Ventajas:

Compartir el almacenamiento simplifica la administración y añade flexibilidad, puesto que los cables y dispositivos de almacenamiento no necesitan moverse de un servidor a otro. Tengamos en cuenta que, salvo en el modelo de SAN file system y en los clústeres, el almacenamiento SAN tiene una relación de uno a uno con el servidor. Cada dispositivo (o Logical Unit Number, LUN) de la SAN es "propiedad" de una sola computadora o servidor. Como ejemplo contrario, NAS permite a varios servidores compartir el mismo conjunto de ficheros en la red.

Una SAN tiende a maximizar el aprovechamiento del almacenamiento, puesto que varios servidores pueden utilizar el mismo espacio reservado para crecimiento.

Las rutas de almacenamiento son muchas, un servidor puede acceder a uno o "n" discos y un disco puede ser accedido por más de un servidor, lo que hace que aumente el beneficio o retorno de la inversión, es decir, el ROI (Return On Investment), por sus siglas en inglés.

La "red de área de almacenamiento" tiene la capacidad de respaldar en localizaciones físicamente distantes. Su objetivo es perder el menor tiempo posible o mejor aún, no perder tiempo, así que tanto el respaldo como la recuperación son en línea.

Una de las grandes ventajas que también tiene es que proporciona alta disponibilidad de los datos.

Una ventaja primordial de la SAN es su compatibilidad con los dispositivos SCSI ya existentes, aprovechando las inversiones ya realizadas y permitiendo el crecimiento a partir del hardware ya existente. Mediante el empleo de dispositivos modulares como hubs, switches, bridges y routers, se pueden crear topologías totalmente flexibles y escalables, asegurando la inversión desde el primer día y, lo que es más importante, aprovechando dispositivos SCSI de costo considerable como subsistemas RAID-SCSI a SCSI, librerías de cintas o torres de CD-ROM, ya que a través de un bridge Fibre Channel a SCSI podemos conectarlos directamente a la SAN. Puesto que están en su propia red, son accesibles por todos los usuarios de manera inmediata.

El rendimiento de la SAN está directamente relacionado con el tipo de red que se utiliza. En el caso de una red de canal de fibra, el ancho de banda es de aproximadamente 100 megabytes/segundo (1.000 megabits/segundo) y se puede extender aumentando la cantidad de conexiones de acceso.

La capacidad de una SAN se puede extender de manera casi ilimitada y puede alcanzar cientos y hasta miles de terabytes. Una SAN permite compartir datos entre varios equipos de la red sin afectar el rendimiento porque el tráfico de SAN está totalmente separado del tráfico de usuario. Son los servidores de aplicaciones que funcionan como una interfaz entre la red de datos (generalmente un canal de fibra) y la red de usuario (por lo general Ethernet).

Desventajas:

Por otra parte, una SAN es mucho más costosa que una NAS ya que la primera es una arquitectura completa que utiliza una tecnología que todavía es muy cara. Normalmente, cuando una compañía estima el TCO (coste total de propiedad) con respecto al coste por byte, el coste se puede justificar con más facilidad.

Protocolos:

Existen protocolos básicos usados en una red de área de almacenamiento:

·         FC-AL

·         FC-SW

·         SCSI

·         FCoE

FC-AL:

Protocolo Fibre Channel Arbitrated Loop, usado en hubs, en el SAN hub este protocolo es el que se usa por excelencia, el protocolo controla quién puede comunicarse, sólo uno a la vez.

FC-SW:

Protocolo Fibre Channel Switched, usado en switches, en este caso varias comunicaciones pueden ocurrir simultáneamente. El protocolo se encarga de conectar las comunicaciones entre dispositivos y evitar colisiones.

SCSI:

Usado por las aplicaciones, es un protocolo usado para que una aplicación de un equipo se comunique con el dispositivo de almacenamiento.

En la SAN, el SCSI se encapsula sobre FC-AL o FC-SW.

SCSI trabaja diferente en una SAN que dentro de un servidor, SCSI fue originalmente diseñado para comunicarse dentro de un mismo servidor con los discos, usando cables de cobre.

Dentro de un servidor, los datos SCSI viajan en paralelo y en la SAN viajan serializados.

FCoE:

Es una tecnología de red de computadoras que encapsula las tramas de canal de fibra a través de redes Ethernet. Esto permite al canal de fibra utilizar 10 redes Gigabit Ethernet (o velocidades más altas), preservando el protocolo Fibre Channel. La especificación fue parte del Comité Internacional de Estándares de Tecnologías de Información T11 FC-BB-5 estándar publicado en 2009.

Seguridad:

Una parte esencial de la seguridad de las redes de área de almacenamiento es la ubicación física de todos y cada uno de los componentes de la red. La construcción de undata center es sólo la mitad del desafío, es el hecho de decidir dónde pondremos los componentes de la red (tanto software como hardware) la otra mitad y la más difícil. Los componentes críticos de la red, como pueden ser los switches, matrices de almacenamiento o hosts los cuales deben estar en el mismo data center. Al implementar seguridad física, sólo los usuarios autorizados pueden tener la capacidad de realizar cambios tanto físicos como lógicos en la topología, cambios como pueden ser: cambio de puerto de los cables, acceso a reconfigurar algún equipo, agregar o quitar dispositivos, entre otros.

La planificación también debe tomar en cuenta las cuestiones del medio ambiente como puede ser la refrigeración, la distribución de energía y los requisitos para la recuperación de desastres. Al mismo tiempo se debe asegurar que las redes IP que se utilizan para gestionar los diversos componentes de la SAN son seguras y no son accesibles para toda la compañía. También tiene sentido cambiar las contraseñas por defecto que tienen los dispositivos de la red para así prevenir el uso no autorizado.