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En esta investigación se habló todo lo relacionado con el tema de las redes industriales, manejándolo por subtemas fáciles de digerir y hablando principalmente de las más conocidas, su estructura y como se puede trabajar con ellas.
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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¡No te pierdas las partes importantes!
1. INTRODUCCION
Las redes industriales son muy importantes hoy en día para la comunicación dentro de una empresa, y no cualquier tipo de comunicación sino una comunicación digital, donde todo está interconectado para el buen funcionamiento de la planta.
En esta investigación se abordaran todos los temas correspondientes con la comunicación digital y con las redes industriales, mostrara de manera intermedia toda la información recopilada con respecto al tema, y al decir intermedia se hace referencia a que la información no es muy general pero tampoco es muy profundizada en términos o conceptos tan específicos y especializados pues se busca simplemente abarcar los temas delimitados en un inicio.
Lo primero que se aborda en esta investigación es son conceptos básicos y más que nada de hardware se utilizaran para la explicación más delante de algún protocolo, o algún tipo de red en específico.
Poco a poco se van abordando los temas con respecto a las redes industriales, como parte también de la investigación y relacionado con el subtema anterior se plantean los componentes físicos o el hardware que se puede aplicar para las redes industriales y como es que se desarrollan estos dispositivos en un ambiente a industrial.
En el siguiente subtema se entra de lleno a lo que compete de la comunicación digital y las redes industriales, explicando de una manera clara y completa la definición como lo es tal las redes industriales. Después se habla sobre unos conceptos de conexión como lo son la topología de redes industriales, saber cómo es su conexión como es su conexionado, y que ventajas me puede traer un tipo de conexión sobre otro.
Se va adentrando cada más y más la investigación en lo que es un entorno industrial, conociendo un poco más conceptos en software como en hardware se va adentrando el tema a las comunicaciones en entornos más rudos, cuales son los famosos buses de campo y como es que se va obteniendo la información desde lecturas de sensores y actuadores a como se administra la información en las partes más altas de los procesos de automatizado.
Por último se hace mención de todos los protocolos de comunicación industrial que se utilizan actualmente, se habla de características y funciones de cada uno de esos protocolos con el fin de mostrar la gran variedad de sistemas de comunicaciones que existen en un entorno industrial, y cuál podría ser mejor implementar en la empresa o industria que se requiera de acuerdo a las necesidades que se tienen, ya que algunos tienen sus ventajas y otros sus desventajas todo depende de cómo se vean para la necesidad.
2. OBJETIVOS
Que el lector se pueda adentrar de manera un poco más específica en todos los conceptos planteados correspondientes a las redes digitales.
Conocer en su mayoría todos los equipos Hardware que se utilizan con estas redes pues es necesario saber cómo es que trabajan cada una de ellos y cuál es su función específica.
Conocer la estructura de algunos tipos de redes y configuraciones para agregar una herramienta más al momento de hacer una selección adecuada de una red para un proceso o para la aplicación en planta.
Saber cómo es que operan las comunicaciones digitales en la planta, como es que se organizan y como es que se pueden administrar para tener siempre un control adecuado de la información.
Conocer cómo es que funciona la tecnología de buses de campo y como es que se implementa en la industria y en planta para tener una mayor visión de lo que es un proceso de comunicación industrial, de acuerdo a algunos modelos, estándares o incluso normativas aceptadas en el mundo.
Conocer todos los protocolos que se mencionan en gran mayoría en esta investigación, saber cuáles son los puntos favorables de cada uno y cuáles son las características con las que cuenta cada uno para así poder tomar un criterio de selección o tener una herramienta más al momento de establecer un criterio de selección de una red para cualquier proceso adecuado.
-Estructura del hilo de cobre trenzado.
Por lo general, la estructura de todos los hilos de cables de par trenzados no difiere significativamente, aunque es cierto que cada fabricante introduce algunas tecnologías adicionales mientras que los estándares de fabricación se los permita.
El cable está compuesto por un conductor interno que es el de alambre electrolítico recocido, el tipo circular, aislado por una capa de polietileno coloreado. Debajo de la aislación coloreada existe otra capa de aislación también de polietileno, que contiene en su composición una sustancia antioxidante para evitar la corrosión del cable. El conducto solo tiene un diámetro de aproximadamente medio milímetro y más la aislación el diámetro puede superar el milímetro.
Sin embargo es importante aclarar que habitualmente este tipo de cable no se maneja por unidades, sino por pares y grupos de pares, paquete conocido como cable multipar. Todos los cables del multipar están trenzados entre sí con el objeto de mejorar la resistencia de todo el grupo hacia diferentes tipos de interferencia electromagnética externa. Por esta razón surge la necesidad de poder definir colores para los mismos que permitan al final de cada grupo de cables conocer que cable va con cual otro. Los colores aislantes están normalizados a fin de su manipulación por grandes cantidades.
-Categorías del cable par trenzado.
Categoría 1: Este tipo de cable especialmente diseñado para redes telefónicas y alcanzan como máximo velocidades de hasta 4 Mbps.
Categoría 2: de características idénticas al cable de categoría 1.
Categoría 3: es utilizado en redes de ordenadores de hasta 16 Mbps. De velocidad y con un ancho de banda de hasta 16 Mhz.
Categoría 4: está definido para redes de ordenadores tipo anillo como token ring con un ancho de banda de hasta 20 MHz y con una velocidad de 20 Mbps. En la actualidad existen redes que trabajan bajo esta arquitectura. En sí, este es un cable muy difícil de manipular por sus características físicas, y de un alto costo económico. Por sus características de aislamiento representa una opción viable para ambientes industriales.
Categoría 5: es un estándar dentro de las comunicaciones en redes LAN. Es capaz de soportar comunicaciones de hasta 100 Mbps. Con un ancho de banda de hasta 100 MHz. Debe tener el NEXT de 32 dB/304. Mts. Y una gama de atenuación de 67 dB/ 304.8 mts. Este tipo de cable es de ocho hilos, es decir, cuatro pares trenzados. Hasta hace poco no existía un cable de línea del UTP capaz de trabajar con alto rendimiento en ambientes industriales, tal y como si lo podía hacer el Token Ring tipo 1 (STP), a menos que el mismo UTP se colocara dentro de tuberías metálicas. En respuesta a esta necesidad surge el ScTP, que posee las mismas características de protección contra el ruido que el STP (malla metálica y forro de aluminio), al igual que sus conectores y módulos debidamente blindados. Este tipo de cable es de un costo económico bastante bajo en comparación con el STP.
Categoría 5e: es una categoría 5 mejorada. Minimiza la atenuación y las interferencias. Esta categoría no tiene estandarizadas las normas aunque si esta diferenciada por los diferentes organismos. La velocidad de transmisión es de 1000 MHz.
Categoría 6: no está estandarizada aunque ya se está utilizando. Se definirán sus características para un ancho de banda de 250 MHz.
Categoría 7: no está definida y mucho menos estandarizada. Se definirá para un ancho de banda de 600 MHz. El gran inconveniente de esta categoría es el tipo de conector seleccionado, que es un RJ-45 de 1 pin.
-Ventajas del par trenzado:
Bajo costo en su contratación. Alto número de estaciones de trabajo por segmento. Facilidad para el rendimiento y la solución de problemas. Puede estar previamente cableado en un lugar o en cualquier parte.
-Desventajas del par trenzado:
Altas tasas de error a altas velocidades. Ancho de banda limitado. Baja inmunidad al ruido. Baja inmunidad al efecto crosstalk. Alto coste de los equipos. Distancia limitada (100 metros por segmento).
-Variantes menores del cable par trenzado.
Par trenzado cargado: es un par trenzado al cual se le añade intencionalmente inductancia, muy común en las líneas de telecomunicaciones, excepto para algunas frecuencias. Los inductores añadidos son conocidos como bobinas de carga y reducen la distorsión.
Par trenzado sin carga: los pares trenzados son título individual en régimen de esclavo para aumentar la robustez del cable.
Cable trenzado de cinta: es una variante del estándar de cable de cinta donde los conductores adyacentes están en modo esclavo y trenzados. Los pares trenzados son ligeramente esclavos uno de los otros en formato de cinta. Periódicamente a lo largo de
Los elementos necesarios para la conexión del cable coaxial pertenecen a la familia denominada BNC. Los principales son:
Conector BNC, en forma de T, conecta la tarjeta de red del ordenador con el cable de red.
Terminador, se trata de una resistencia de 50 ohmios que cierra el extremo del cable. Su finalidad es absorber las señales perdidas, y asi evitar que reboten indefinidamente.
Conector acoplador, denominado barrel, utilizado para unir dos cables y asi alargar su longitud.
Los principales componentes del cable coaxial son:
Conductor interior. Juega un papel fundamental en la atenuación del cable, cuanto más grande es su diámetro menor es la atenuación. Por otro lado, contribuye decisivamente a las propiedades de resistencia a la tracción del cable. Los conductores interiores están fabricados en dos tipos de materiales: cobre (Cu) y acero cobreado (CCS). Cu (cobre), baja resistencia eléctrica y una excelente respuesta tanto en bajas como en altas frecuencias. CCS (acero cobreado), es mejor comportamiento mecánico, a costa de empeorar las características de resistencia eléctrica y atenuación. La buena calidad del conductor central, junto con un apropiado dieléctrico, garantiza velocidades de propagación mayor del 80%, haciendo que estos cables sean totalmente compatibles con las transmisiones digitales. La baja resistencia eléctrica en DC es un importante parámetro a tener en cuenta, por ejemplo cuando el cable se utiliza para alimentar dispositivos, como los conmutadores DiSEqc o los LNBs donde la tensión permite seleccionar la polaridad H o V; amplificadores que han de ser alimentados a través del cable coaxial; multiswitches, etc. En relación con el conductor central, la clasificación de mejor a peor respuesta es:
Dieléctrico. Los cables de Televes incorporan dieléctrico expanso físico, de polietileno expandido mediante la inyección de gas en su interior Test de durabilidad del cable coaxial, durante 21 días a 40°C y una humedad del 93%, han demostrado que la atenuación del cable se incrementó solamente un 5 %. Otros cables en los que el polietileno se expandió por procedimientos químicos sufrieron incrementos de la atenuación de casi un 70%.
3.1.2.3.- Fibra Óptica. La fibra óptica es un medio de transmisión, empleado habitualmente en redes de datos, consistente en un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser laser o un led.
Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio y superiores a las de cable convencional. Son el medio de transmisión por excelencia, al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, y también se utilizan para redes locales donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica por sobre otros medios de transmisión.
Características de los repetidores. Los repetidores son equipos que trabajan a nivel 1 de la pila OSI, es decir, repiten todas las señales de un segmento a otro nivel eléctrico.
Estos equipos solo aíslan entre los segmentos los problemas eléctricos que pudieran existir en algunos de ellos.
El número máximo de repetidores en cascada es de cuatro, pero con la condición de que los segmentos 2 y 4 sean IRL, es decir, que no tengan ningún equipo conectado que no sean los repetidores. En caso contrario, el número máximo es de 2, interconectando 3 segmentos de red.
El repetidor tiene dos puertas que conectan dos segmentos Ethernet por medio de transceivers (instalando diferentes transceivers es posible interconectar dos segmentos de diferentes medios físicos) y cables drop.
El repetidor tiene como mínimo una salida Ethernet para el cable amarillo y otra para teléfono. Con un repetidor modular se puede centralizar y estructurar todo el cableado de un edificio, con diferentes medios, adecuados según el entorno, y las conexiones al exterior.
3.2.2. Enrutadores. Es un switch “enrutador” de paquetes de comunicación entre diferentes segmentos de red que definen la ruta.
Otra forma de definirlo es: un enrutador es un dispositivo físico de red que facilita y establece una conexión entre una red local e internet pasando información a y desde las redes de conmutación de paquetes. Realiza esta función a través del análisis de la cabecera de un paquete de datos que contiene la dirección IP de destino del paquete. Basado en el paquete de datos, el enrutador determina la ruta más eficiente hacia la dirección de destino. En pocas palabras, un enrutador enruta información entre redes conectadas.
Características y funcionalidad.
Físicamente, un router está conectado al modem y a otros dispositivos. El enrutador establece una red privada al recibir los datos del internet del modem, el cual es provisto con una conexión vía cable, DSL, u otras conexiones alámbricas de un proveedor de servicios de internet. Los enrutadores tienen varios puertos desde los cuales se pueden hacer conexiones hacia dispositivos para distribuir la conexión a Internet. Al mediar la conexión entre los módems y los dispositivos de una red local, el router facilita la comunicación con Internet y dentro de la red. El router proporciona conexiones a nivel de red de un sistema y, por tanto, funciona en la tercera capa del modelo OSI.
Este dispositivo también actúa como un protocolo de configuración dinámica de host (DHCP) mediante la distribución de direcciones IP privadas a los dispositivos conectados dentro de la red. Los enrutadores de casa u oficina tienen una dirección privada o local que se toma un rango
reservado de direcciones IP. Los dispositivos dentro de la red pueden tener una dirección IP privada idéntica a la de los dispositivos de la casa de un vecino. Esto no presenta ningún problema ya que los dispositivos están conectados por separado a distintos enrutadores con una dirección IP pública específica. Por lo tanto, una dirección IP privada solo funciona para que un enrutador pueda identificar un dispositivo.
Los enrutadores se basan en una tabla de enrutamiento para identificar a donde debe enviarse un paquete de datos. Las tablas de enrutamiento contienen información sobre el destino, el siguiente salto, el interfaz, las métricas y las rutas, que pueden utilizarse para guiar el paquete de datos a través de las líneas de comunicación y hacia su destino.
1. Destino- Los paquetes de datos contienen un encabezado que contiene la dirección IP de su destino final. Esta información es vital ya que indica donde debe entregarse un paquete. 2. Siguiente salto- Basado en la dirección IP de destino en el cabezado del paquete de datos, el siguiente salto se refiere a donde reenviarse los datos para llegar a su destino. 3. Interfaz- Se refiere al tipo de interfaz de red que debe implementarse para enviar el paquete de datos su próximo destino. 4. Métrico- Se refiere a la eficiencia de las posibles rutas para el paquete de datos. Esto se calcula para asignar el paquete de datos a la línea más eficiente y rentable. 5. Rutas- Se refiere a las líneas por las que los datos pueden viajar para llegar a la dirección de destino.
Hay dos métodos por los cuales las tablas de enrutamiento son mantenidas y mantenidas en orden. Esto se puede hacer de forma dinámica o estática. El método estático implica la actualización manual de las tablas de enrutamiento. Por otro lado, los routers dinámicos intercambian automáticamente información con los dispositivos a través de diferentes protocolos de enrutamiento. Basándose en esa información, las tablas de enrutamiento se actualizan automáticamente. La hoja de ruta dinámica también se denomina hoja de ruta adaptable. Los diferentes protocolos de enrutamiento se aplican en los enrutadores dinámicos incluyen los siguientes:
Border Gateway Protocol (BGP)- este protocolo se basa en routers de borde. La información de enrutamiento se intercambia entre enrutadores de borde entre redes para actualizar la rentabilidad de las rutas disponibles para los paquetes de datos. Al dirigir los datos hacia sistemas autónomos, cada enrutador es capaz de actualizar su tabla de enrutamiento.
Enhance Interior Gateway Routing Protocol (EIGRP) - esta es una variante mejorada del IGRP. Básicamente se basa en la comunicación constante entre enrutadores vecinos ya que cada enrutador tiene una copia de las tablas de enrutamiento vecinas.
Protocolo de puerta de enlace exterior (EGP)- Se refiere a un conjunto de normas y directrices para el intercambio de datos entre enrutadores vecinos dentro de redes autónomas. A menudo, los enrutadores de internet lo aplican para actualizar las tablas de enrutamiento.
Tipos de enrutadores.
Todos los routers realizan la función básica de recibir y enviar datos entre Internet y los dispositivos locales conectados a una red. Sin embargo, existen diferentes tipos de routers en función de cómo se conectan a los dispositivos o cómo funcionan dentro de una red. Específicamente, los tipos de enrutadores comúnmente disponibles incluyen:
Brouter: un enrutador B también se conoce como enrutador de puente. Es un dispositivo de red que funciona como puente y como enrutador. Tanto un puente como un enrutador conectan redes, sin embargo, el puenteado de redes implica la conexión de dos redes separadas para permitir que funcionen como una sola red cohesiva. Mientras que un enrutador proporciona una conexión que mantiene ambas redes como redes privadas individuales.
Fresadora de núcleo: un router central establece una conexión de red que facilita la transmisión de datos dentro de la red privada. Los routers de núcleo funcionan dentro del núcleo o dentro de la red y no pueden enviar i recibir datos fuera. La distribución de datos se limita a la red, ya que este tipo de router no puede llevar a cabo intercambio de información con otros sistemas.
Fresadora de cantos: un enrutador de borde es responsable de las transferencias de datos de conducción entre las múltiples redes. A diferencia del enrutador central, el enrutador periférico no facilita el intercambio de paquetes de datos dentro de una red privada, sino que gestiona la transmisión de datos a otros sistemas de red independientes.
Enrutador virtual: generalmente, un enrutador virtual consiste en software que permite que un dispositivo funcione como un enrutador físico estándar. Es capaz de funcionar con el uso de un protocolo de redundancia de Router Virtual (VRRP).
Enrutador inalámbrico. Un enrutador inalámbrico aún conserva una conexión alámbrica al modem donde recibe señales de datos de internet. Sin embargo, no es necesaria una conexión por cable desde el router a los dispositivos conectados a la red. Un enrutador inalámbrico utiliza antenas que envían ondas de radio o infrarrojas que transportan los paquetes de datos. El ejemplo más común de un enrutador inalámbrico son los enrutadores wifi domésticos que se utilizan ampliamente en oficinas y hogares residenciales.
Enrutador con cable. Los enrutadores con cable tienen mínimo 2 conexiones con cable. En primer lugar, la conexión desde el modem al propio router. Aquí es donde el enrutador recibe o envía paquetes de datos hacia y desde el modem, que a su vez también está conectado a un ISP. Otra conexión es a los dispositivos que están conectados dentro de la red. Múltiples dispositivos pueden conectarse a un router, dependiendo del número de puertos disponibles.
3.2.3. Bridge (Puente de red). Con un puente la conexión entre dos diferentes secciones de red, puede tener diferentes características eléctricas y protocolos; además puede enlazar dos redes diferentes.
En definitiva, un bridge conecta segmentos de red formando una sola subred (permite conexión entre equipos sin necesidad de routers). Funciona a través de una tabla de direcciones MAC detectadas en cada segmento al que está conectado. Cuando detecta que un nodo que no de los segmentos está intentando transmitir datos a un nodo del otro, el bridge copia la trama para el otro segmento de red, teniendo la capacidad de desechar la trama (filtrado) en caso de no tener dicho segmento de red como destino. Para conocer por donde enviar cada trama que le llega (encaminamiento) incluye un mecanismo de aprendizaje automático (autoaprendizaje) por lo que no necesitan configuración manual.
-Clasificación de los Puentes de Red.
Se pueden clasificar los puentes de red, atendiendo dos aspectos: según el tipo de interfaz y según la localización geográfica de las redes de área local (LAN) que se van a interconectar.
Según interfaz.
Puentes homogéneos: interconecta LAN con el mismo protocolo MAC (nivel físico (capa 1 OSI) pueden diferir), es decir, no hay conversión de protocolos a nivel 2, simplemente almacenamiento y reenvió de tramas. Un ejemplo de dispositivo homogéneo es un switch Ethernet.
Puentes heterogéneos: El puente dispone de una entidad superior encargada de la transformación de cabeceras entre distintos tipos de interfaces. Recibe tramas por una interfaz (por ejemplo: Wi-FI) para enviarlas por otra de otro tipo (por ejemplo: Ethernet). Un ejemplo de dispositivo, con las interfaces de ejemplos anteriores, es un punto de acceso en una red Wi-Fi.
3.2.4. Gateway. Un gateway es similar a unpuente ya que suministra interoperabilidad entre buses y diferentes tipos de protocolos y, ademas, las aplicaciones pueden comunicarse a traves de el.
Entonces un Gateway es considerado como un dispositivo en red que actua como un punto de entrada de una red a otras redes. Es el enlace que conecta dos ordenadores a Internet. La pasarela actua como portal entre dos programas y como medio de comunicación entre los protocolos que les permite compartir datos en los mismos dispositivos informaticos o entre diferentes sistemas informaticos. Con la ayuda de la pasarela, los usuarios podran comunicarse y enviar datos de un lado a otro. Internet no servira de nada sin pasarelas. Una pasarela tambien se refiere a un nodo de una red informatica. Un nodo es solo un lugar fisico donde los datos se detienen para ser transportados, leidos o utilizados. Los nodos pueden serlo:
Una computadora que controla el tráfico que recibe el proveedor de servicios de internet o ISP. En internet, el nodo que es un punto de parada puede ser una pasarela o un nodo host.
Si toda la familia tiene acceso a la conexión de internet y tiene una red inalámbrica en la casa, entonces la pasarela es el modem que el ISP proporciona para conectarse a la red.
-Funcionalidad y características. El Gateway se crea en el límite de una red de modo que gestiones toda la comunicación de datos que se enruta o externamente desde la red. Un Gateway también posee información sobre las rutas internas de la red host y la red aprendida de diferentes redes remotas. Además, funciona como una ruta de acceso de otra red. Una pasarela es una característica obligatoria de todas las rutas, aunque otros dispositivos también pueden funcionar como pasarela o nodo.
Generalmente, una pasarela actúa como un resguardo para todas las redes locales y conecta las redes locales a las redes públicas. Proporciona seguridad, funcionando de forma similar a un cortafuego, mediante el uso de NAT (Network Adreess Translation). El Gateway obtiene paquetes de la red local y alterna su dirección IP exterior a una nueva dirección de puerto en los campos de recursos de las cabeceras IP (Internal Protocol) y UDP (User Data Protocol).
Las siguientes son las diferentes funciones de un Gateway:
Es la mejor opción para lograr comunicaciones multimedia entre redes diferentes porque cada red tiene diferentes protocolos y características.
Funciona como interfaz entre protocolos y características.
Funciona como interfaz entre protocolos locales y el área amplia como TCPAP en Internet.
Es un mecanismo dave de cualquier comunicación telefónica que ofrezca un puente entre la red telefónica e internet.
-Tipos de Gateway.
Las puertas de enlace pueden adoptar varias formas y realizar tareas, como las siguientes:
Puerta de enlace de almacenamiento en nube: este dispositivo de red toma forma tanto en software como en hardware, lo que proporciona servicios de conectividad y traducción de protocolos entre un proveedor de servicios de almacenamiento en nube y una aplicación de cliente local. Esta puerta de enlace también se conoce como controlador de almacenamiento en nube o dispositivo de almacenamiento en nube.
Puerta de enlace de seguridad del correo electrónico: este Gateway ayuda a proteger y prevenir la transmisión de correos electrónicos que rompen una política de la empresa, envían malware y transfieren datos con intenciones maliciosas. Esto evita la perdida de datos, realiza el cifrado del correo electrónico y protege el dispositivo contra malware conocido y desconocido.
Pasarela de medios: se trata de un dispositivo de traducción que se utiliza para convertir diferentes tipos de protocolos de medios digitales con el fin de tener una comunicación multimedia eficaz. Su función principal es convertir varias técnicas de codificación y transmisión que permitirán la comunicación entre las redes.
Cortafuegos de aplicaciones Web: este Gateway ayuda a proteger todas las aplicaciones web mediante el filtrado y la supervisión del trafico HTTP entre la aplicación web e internet. Normalmente, esto protege las aplicaciones web de diferentes ataques. Esto filtra e inspecciona el tráfico entrante que será considerado como una amenaza potencial y contiene actividades maliciosas.
Pasarela API de Amazon: esta forma de pasarela publica, crea, supervisa, asegura y mantiene las APIs de REST y de Web Socket a cualquier escala. Maneja todas las tareas que implican la aceptación y el procesamiento de cientos de miles de llamadas concurrentes a la API, la gestión del tráfico, la autorización y el control de acceso.
API, SOA o XML Gateway: gestiona el flujo de tráfico de entrada y salida, la arquitectura orientada a micro servicios o u servicio web basado en XML.
