Qué son los protocolos de comunicación y cómo funcionan

En el mundo digital, los protocolos de comunicación crean muchas reglas. Por ejemplo, en Internet, la formación de estos protocolos puede confiarse a grupos como la asociación WWW (World Wide Web) o el W3C, y el IETF (Internet Engineering Task) ayuda a garantizar el funcionamiento mundial y a limitar los diferentes tipos de responsabilidades y vulnerabilidades de estas tecnologías. El protocolo de comunicación juega un papel fundamental cuando HTTP se convierte en HTTPS, si no el uso extensivo de SSL (Secure Sockets Layer) se convierte en el estándar. Otros tipos de protocolos utilizan paquetes de datos dentro de rutas de red globales y a veces se asemejan a la física de partículas. La tecnología avanza día a día, por lo que se utilizan diferentes protocolos de comunicación en las redes avanzadas. El Internet de las Cosas (IoT) garantiza el desarrollo de protocolos de comunicación de última generación para conectar una amplia gama de dispositivos a una red universal. Este artículo ofrece una visión general de los protocolos de comunicación en los sistemas empotrados.


Índice de Contenido
  1. ¿Qué son los protocolos de comunicación?
  2. Tipos de protocolos de comunicación
    1. Protocolo entre sistemas
    2. Diferencias entre los protocolos intersistemas
    3. Protocolo intra-sistema
    4. Diferencias entre los protocolos intrasistema
    5. Protocolos de comunicación en el IoT
    6. Protocolos de comunicación de datos
    7. Protocolos de comunicación del PLC

¿Qué son los protocolos de comunicación?

Las descripciones correctas de los formatos y reglas de los mensajes digitales son los llamados protocolos de comunicación. La función principal de estos protocolos es intercambiar mensajes de un sistema informático a otro. Son importantes en los sistemas de telecomunicaciones porque envían y reciben mensajes constantemente. Estos protocolos abarcan la detección y corrección de errores, la señalización y la autenticación. También pueden explicar la semántica, la sintaxis y fusionar las comunicaciones analógicas y digitales.

Protocolos de comunicación

La implementación de estos protocolos puede tener lugar tanto a nivel de hardware como de software. Los protocolos de comunicación son de miles de tipos y se utilizan en todo el mundo para las comunicaciones analógicas y digitales, por lo que las redes informáticas no pueden prescindir de estos protocolos.

Introducción

  • Protocoloel protocolo: Un conjunto de normas y reglas se llama protocolo.
  • Comunicación El intercambio de información de un sistema a otro por un medio de comunicación se llama comunicación.
  • Protocolo de comunicación Conjunto de reglas y normas que permiten que dos dispositivos electrónicos se conecten para intercambiar datos entre sí.

¿Por qué es importante el protocolo de comunicación?

Los protocolos de comunicación ayudan a que varios dispositivos de la red se comuniquen entre sí, transmitiendo señales analógicas, señales digitales, diferentes archivos y procesando datos de un dispositivo a otro. Este tipo de protocolos se aplican a las redes de telecomunicaciones y de ordenadores, donde se ejecutan las reglas adecuadas para transmitir la información desde el origen hasta el destino. Los protocolos más importantes para la creación de redes son el TCP (Protocolo de Control de Transmisión) y el Protocolo de Datagramas de Usuario (UDP).

Tipos de protocolos de comunicación

Hay dos tipos de protocolos de comunicación, que se clasifican a continuación:

  • Protocolo entre sistemas
  • Protocolo intra-sistema

Protocolo entre sistemas

El protocolo entre sistemas utilizado para comunicarse entre dos dispositivos diferentes. Como la comunicación entre ordenadores y kits de microcontroladores. La comunicación se realiza a través de un sistema interbus.

Protocolos del sistema interbus
Protocolos del sistema Interbus

Las diferentes categorías de protocolos intersistemas incluyen principalmente las siguientes.

  • Protocolo UART
  • Protocolo USART
  • Protocolo USB

Protocolo UART

UART significa transmisor y receptor asíncrono universal. El protocolo UART es una comunicación en serie con dos protocolos cableados. Las líneas de señal del cable de datos se denominan Rx y Tx. La comunicación en serie se utiliza habitualmente para transmitir y recibir señales. Los datos se transfieren y reciben en modo serie, bit a bit, sin pulsos de clase. La UART recibe bytes de datos y envía los bits individuales de forma secuencial.

La UART es un protocolo semidúplex. Semidúplex significa transferir y recibir datos, pero no simultáneamente. La mayoría de los controladores tienen una UART de hardware a bordo. Utiliza una sola línea de datos para transmitir y recibir datos. Tiene un bit de inicio, datos de 8 bits y un bit de parada: la señal de transferencia de datos de 8 bits es de alto a bajo.

Por ejemplo: correo electrónico, SMS, walkie-talkie.

Protocolo USART

USART significa transmisor y receptor universal síncrono y asíncrono. Es una comunicación en serie con un protocolo de dos hilos. Las líneas de señal del cable de datos se denominan Rx y TX. Este protocolo se utiliza para transmitir y recibir datos byte a byte junto con pulsos de reloj. Es un protocolo full-duplex que implica la transmisión y recepción simultánea de datos a diferentes velocidades. Varios dispositivos se comunican con el microcontrolador mediante este protocolo.

Ej.: Telecomunicaciones.

Protocolo USB

USB significa bus serie universal. De nuevo, se trata de una comunicación en serie con un protocolo de dos hilos. Las líneas de señal del cable de datos están etiquetadas como D+ y D-. Este protocolo se utiliza para comunicarse con los periféricos del sistema. El protocolo USB se utiliza para enviar y recibir datos en modo serie al host y a los periféricos. La comunicación USB requiere un software de controlador que se basa en la funcionalidad del sistema. Los dispositivos USB pueden transferir datos en el bus sin que el ordenador central lo solicite.

Hoy en día, la mayoría de los aparatos utilizan esta técnica para comunicarse mediante el protocolo USB. Por ejemplo, un ordenador se comunica con un controlador ARM mediante USB. El USB transfiere datos en diferentes modos: el primero es el de baja velocidad, de 10kbps a 100 kbps; el segundo es el de máxima velocidad, de 500kbps a 10mbps; y el de alta velocidad, de 25mbps a 400 Mbps.

Por ejemplo: ratón, teclado, hub, interruptor, pen drive.

Diferencias entre los protocolos intersistemas

Los protocolos entre sistemas incluyen principalmente UART, USART y USB

UARTUSART

USB

El término UART significa Transmisor y Receptor Asíncrono UniversalEl término USART significa Transmisor y Receptor Universal de Datos Síncronos y AsíncronosEl término USB significa Bus Serie Universal
La UART se compone principalmente de dos protocolos alámbricos, como transmisor y receptorEl USART es un protocolo de dos hilos como transmisor y receptorEl USB es un protocolo de dos hilos como D+ y D-
Transmite y recibe sacos de datos byte a byte sin pulsos de claseTransmite y recibe un bloque de datos mediante pulsos de claseTransmite y recibe datos mediante pulsos de reloj
La UART es una comunicación semidúplexLa USART es una comunicación full-duplexEl USB también es una comunicación full-duplex
La UART es lenta comparada con la USARTEl USART es lento comparado con el USBEs rápido comparado con el USART y el UART

Protocolo intra-sistema

El protocolo intrasistema se utiliza para que los dos dispositivos del circuito se comuniquen. El uso de estos protocolos intrasistema, sin pasar a los protocolos intrasistema, ampliará los periféricos del microcontrolador. La complejidad del circuito y el consumo de energía aumentarán al utilizar el protocolo intrasistema. Al utilizar protocolos intrasistema, la complejidad de los circuitos y el consumo de energía disminuyen, el coste disminuye y el acceso a los datos es muy seguro.

Protocolos intra-sistema
Protocolos intra-sistema

Las diferentes categorías de protocolos intrasistema incluyen principalmente las siguientes.

  • Protocolo I2C
  • Protocolo SPI
  • Protocolo CAN

Protocolo I2C

I2C significa circuito interintegrado y sólo requiere dos cables para conectar todos los periféricos al microcontrolador. I2C requiere dos cables SDA (línea de datos en serie) y SCL (línea de reloj en serie) para transportar la información entre dispositivos. Es un protocolo de comunicación maestro-esclavo. Cada esclavo tiene una dirección única. El dispositivo maestro envía la dirección del dispositivo esclavo de destino y lee/escribe la bandera. La dirección corresponde a cualquier dispositivo esclavo que esté activo, mientras que los demás dispositivos esclavos están en modo desactivado.

Una vez que la dirección coincide, la comunicación entre el maestro y el dispositivo esclavo procede a la transmisión y recepción de datos. El emisor envía datos de 8 bits, el receptor responde con un bit de acuse de recibo. Al final de la comunicación, el maestro emite la condición de parada. El bus I2C fue desarrollado por Philips Semiconductors. Su propósito original era proporcionar una forma fácil de conectar la CPU a los chips periféricos.

Los periféricos de los sistemas integrados suelen estar conectados al microcontrolador como dispositivos de memoria. I2C sólo requiere dos cables para conectar todos los periféricos al microcontrolador. Estos cables activos, llamados SDA y SCL, son ambos bidireccionales. La línea SDA es una línea de datos en serie y la línea SCA es una línea de reloj en serie.

Resistencias de pull-up I2C

Por qué se indicaron resistencias de pull-up en las líneas SCL y SDA de I2C.

  • Tanto la línea SDA como la SCL son conductores de drenaje abierto.
  • Puede conducir la salida a bajo nivel y no a alto nivel.
  • Para que las líneas puedan pasar a nivel alto, hay que poner resistencias de pull-up

Protocolo SPI

SPI significa interfaz periférica en serie. Es uno de los protocolos de comunicación en serie desarrollados por Motorola. El protocolo SPI a veces se llama también protocolo de 4 hilos. Requiere cuatro cables MOSI, MISO, SS y SCLK. El protocolo SPI se utiliza para la comunicación entre dispositivos maestros y esclavos. El maestro configura primero el reloj mediante una frecuencia.

A continuación, el maestro selecciona un dispositivo esclavo concreto para la comunicación tirando del botón de selección del chip. Se selecciona ese dispositivo concreto y se inicia la comunicación entre el maestro y ese esclavo concreto. El maestro sólo selecciona un esclavo a la vez. Es un protocolo de comunicación full-duplex. No se limita a palabras de 8 bits en el caso de la transferencia de bits.

Protocolo CAN

CAN significa Red de Área de Controladores. Es un protocolo de comunicación en serie. Requiere dos cables CAN alto (H+) y CAN bajo (H-). Fue desarrollado por Robert Bosh en 1985 para las redes de a bordo. Se basa en un protocolo de transmisión orientado a mensajes.

Diferencias entre los protocolos intrasistema

Los protocolos intra-sistema incluyen principalmente I2C, SPI y CAN

I2CSPI

CAN

I2C es un circuito interintegradoSPI significa interfaz periférica en serieCAN significa Red de Área de Controladores
Está implementado por PhilipsEl SPI está desarrollado por MotorolaCAN está desarrollado por Bosch
I2C es un protocolo semidúplexSPI es un protocolo full-duplexCAN es un protocolo full-duplex
SincronizaciónSincronizaciónSincronización
Es un protocolo de dos hilos, como SCL y SDLEs un protocolo de cuatro hilos como SCL, MISO, MOSI y SSEs un protocolo de dos hilos como CANH+ y CAN H-
Es un protocolo multimasterEs un protocolo monomásterEs un protocolo multimaster
Se utiliza en los circuitos impresosSe utiliza en los circuitos impresosSe utiliza en dos circuitos impresos

Protocolos de comunicación en el IoT

Los dispositivos basados en el IoT son más susceptibles a las amenazas. Por esta razón, los agujeros de seguridad pueden reducirse utilizando los protocolos correctos. Los protocolos de comunicación en el IoT son tipos de comunicación que garantizan la máxima seguridad de los datos intercambiados entre los dispositivos conectados al IoT.

La conexión de estos dispositivos puede ser a través de una red IP o una red no IP, pero la potencia, el alcance y la memoria utilizados son diferentes. La conexión a través de redes IP es difícil y requiere una gran cantidad de memoria y energía de estos dispositivos, mientras que el alcance no es un problema. Como alternativa, el Bluetooth, conocido como red no IP, requiere poca energía y memoria, pero tiene una limitación en el alcance.

Las principales ventajas de los protocolos de comunicación del IoT son la alta calidad, la credibilidad, la interoperabilidad, la flexibilidad de la innovación y la escalabilidad global. Los protocolos IoT son de dos tipos: protocolos de red IoT y protocolos de datos IoT.

La lista de los 10 principales protocolos de comunicación del IoT incluye los siguientes.

  • WiFi
  • SigFox
  • Bluetooth
  • LoRaWAN
  • NFC (comunicación de campo cercano)
  • Onda Z
  • Zigbee
  • OPC- UA
  • Teléfono móvil
  • MQTT

Protocolos de comunicación de datos

Los protocolos de comunicación de datos son muy importantes para la comunicación, ya que se utilizan para entender las redes, los ordenadores o los dispositivos entre sí.

Estos tipos de protocolos utilizan reglas y métodos típicos como lenguaje común para interactuar con ordenadores o redes. Por ejemplo, si un usuario quiere enviar un correo electrónico a otro, este último crea el correo en su ordenador personal, incluyendo los detalles del mensaje y los archivos adjuntos.
Una vez que el usuario envía el correo electrónico, se pueden realizar varias acciones inmediatamente para que el destinatario reciba el correo. El mensaje se mueve por la red y llega al destinatario. Estos protocolos proporcionan información sobre cómo se adjuntará la nota para que pueda circular por el sistema, cómo el ordenador del destinatario puede comprobar si hay errores, etc

Protocolos de comunicación del PLC

Los siguientes protocolos principales de comunicación se utilizan para el PLC y otras conexiones de red soportadas por varios productos de software del PLC. Estos protocolos dependen principalmente de tres elementos básicos, como la velocidad de transmisión, la longitud de la red y el número de nodos. La lista de protocolos de comunicación del PLC incluye los siguientes.

  • Profibus
  • Interbus
  • ControlNet
  • ProfiNet
  • CompoNet
  • DirectNet
  • Modbus
  • MelsecNet
  • EtherCAT
  • Protocolo DF-1
  • Optomux
  • Protocolo de enlace de host
  • RAPIENet
  • therNet/IP
  • Mechatrolink
  • PPI-Punto a Punto
  • Ethernet Powerlink
  • Interfaz multipunto (MPI)
  • Autopista de datos (DH)
  • Interfaz del sensor del actuador (ASI)
  • DeviceNet
  • Protocolo de Transductor Remoto Direccionable en Carretera (HART)
  • Datos globales de Ethernet (EGD)
  • Protocolo de Servicio de Red de Interfaz de Fábrica (FINS)
  • Protocolo abierto para redes inteligentes (OSGP)
  • Protocolos estándar recomendados (RS-232, RS- 422 y RS-485)
  • Protocolo asíncrono estándar de Bristol (BSAP)
  • Protocolo de red distribuida (DNP3)
  • Protocolo de Transporte de Solicitudes de Servicio (SRTP)
  • Protocolo de Sistema Distribuido Inteligente (SDS)
  • Protocolo de intercambio de imágenes de proceso (PIEP)

Características de los protocolos de comunicación del PLC

Los protocolos estándar se utilizan una vez que los módulos del PLC están conectados en red. Los diferentes tipos de protocolos admiten principalmente la velocidad, la distancia y el número de dispositivos conectados.

  • El protocolo Ethernet tiene una velocidad en baudios de 100 Mb/s, una longitud de unos pocos kilómetros y 255 nodos.
  • La velocidad de transmisión de RS-485 es de 10 Kb/s, la longitud es de 1,2 km y 32 nodos
  • El protocolo Profibus tiene una velocidad en baudios de 5-12 Mb/s, una longitud de 15 km y 127 nodos.
  • La velocidad de transmisión RS-232 es de 19,2 Kb/s, la longitud es de 10 m y 1 nodo
  • La velocidad de transmisión del protocolo MPI es de 19,2 - 38,4 Kb/s, la longitud es de 50 m y 32 nodos.
  • La velocidad de transmisión del adaptador para PC es de 9600 Kb/s, la longitud es de 15 m y 1 nodo
  • La velocidad de transmisión del protocolo PPI es de 187,5 Kb/s, la longitud es de 500 m y 1 nodo.
  • La velocidad de transmisión del adaptador USB es de 57,6 Kb/s, la longitud es de 10 m y 1 segundo
  • La velocidad de transmisión del protocolo DH es de 230,4 Kb/s, la longitud es de 3,048 km y los nodos son de 64
  • El protocolo Device Net tiene una velocidad de transmisión de 500 Kb/s, una longitud de 0,487 km y 64 nodos
  • El protocolo Control Net tiene una velocidad de transmisión de 5 Mb/s y una longitud de 30 km

Protocolos de comunicación en la computación en nube

La nube admite dos protocolos de comunicación y conexión, como MQTT y HTTP. La comunicación de estos dispositivos puede tener lugar a través de Cloud IoT Core mediante un puente HTTP o MQTT. Estos puentes son componentes centrales del Núcleo del IoT en la Nube. Una vez creado el registro de dispositivos, puedes elegir los protocolos para activar HTTP, MQTT, etc. El protocolo estándar como MQTT se utiliza con frecuencia y es compatible con los dispositivos integrados. Este protocolo es habitual en las interacciones entre máquinas.

HTTP es un protocolo sin conexión, por lo que los dispositivos no mantienen una conexión con el núcleo de la nube del IoT. En cambio, envían solicitudes y reciben respuestas. Los protocolos de computación en nube son un conjunto de reglas que permiten que dos elementos electrónicos se unan e intercambien datos. Se utilizan principalmente para la comunicación, el almacenamiento, el cifrado, las redes, el descifrado, la seguridad, la gestión del acceso de los usuarios, etc. Algunos protocolos de computación en nube son

  • Protocolo de cotilleo
  • MTP (Protocolo de Transferencia de Medios)
  • CLNP (Protocolo de red sin conexión)
  • CEE (Protocolo Ethernet de cobertura mejorada)
  • SRP (Protocolo de Enrutamiento de Estado)
  • SSHP (Protocolo Shell Seguro)
  • IGMP (Protocolo de Gestión de Grupos de Internet)

Por lo tanto, es una visión general de los protocolos de comunicacióntipos, las diferencias entre los protocolos intersistema e intrasistema. Aquí tienes una pregunta: ¿cuáles son los protocolos de comunicación de Arduino?

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