Author(s):
Carreiro, Francisco Borges 
Date: 2008
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/2214
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Engenharia electrotécnica; Ethernet; Sistemas em tempo real; Redes locais; Barramentos de campo
Description
Os Sistemas Computacionais de Controlo Distribuído (SCCD) estão muito
disseminados em aplicações que vão desde o controlo de processos e
manufactura a automóveis, aviões e robôs. Muitas aplicações são de
natureza tempo-real, ou seja, impõem fortes restrições às propriedades
subjacentes aos sistemas de controlo, gerando a necessidade de fornecer um
comportamento temporal previsível durante períodos alargados de tempo. Em
particular, dependendo da aplicação, uma falha em garantir as restrições
pode causar importantes perdas económicas ou mesmo pôr vidas humanas
em risco.
Actualmente, a quantidade e funcionalidade dos modernos SCCD têm
crescido firmemente. Esta evolução é motivada por uma nova classe de
aplicações que requer maior demanda de recursos tais como aplicações de
multimedia (por exemplo visão), bem como pela tendência em usar grande
número de processadres simples e interconectados, em vez de poucos e
poderosos processadores, encapsulando cada funcionalidade num único
processador. Consequentemente, a quantidade de informação que deve ser
trocada entre os nós da rede também cresceu drasticamente nos últimos
anos e está agora atingindo os limites que podem ser obtidos por tradicionais
barramentos de campo, como por exempo CAN, WorldFIP, PROFIBUS.
Outras alternativas são pois requeridas para suportar a necessidade de
largura de banda e a manutenção de exigências dos sistemas de
comunicação tempo-real: previsibilidade, pontualidade, atraso e variação de
período limitados.
Uma das linhas de trabalho tem apostado na Ethernet, tirando vantagem dos
baixos custos dos circuitos, da elevada largura de banda, da fácil integração
com a Internet, e da simplicidade em promover expansões e compatibilidade
com redes usadas na estrutura administrativa das empresas industriais.
Porém, o mecanismo padronizado de acesso ao meio da Ethernet
(CSMA/CD) é destrutivo e não determinístico, o que impede seu uso directo
ao nível de campo ou pelo menos em aplicações de comunicação tempo-real.
Apesar disso, muitas abordagens diferentes têm sido propostas e usadas
para obter comportamento tempo-real em Ethernet.
As abordagens actuais para dotar de comportamento tempo-real Ethernet
partilhada apresentam desvantagens tais como: exigência de hardware
especializado, fornecimento de garantias temporais estatísticas, ineficiência
na utilização da largura de banda ou na reposta tempo-real. São ainda por
vezes inflexíveis com respeito às propriedades de tráfego bem como com as
políticas de escalonamento. Podem exigir processadores com elevado poder
de cálculo. Finalmente não permitem que estações tempo-real possam
coexistir com estações Ethernet standard no mesmo segmento. Uma
proposta recente, o algoritmo hBEB, permite a coexistência de estações
tempo-real e standard no mesmo segmento. Contudo, apenas uma estação
tempo-real pode estar activa, o que é inaceitável para aplicações de
automação e controlo.
Esta tese discute uma nova solução para promover tempo-real em Ethernet
partilhada, baseando-se na passagem implícita de testemunho de forma
similar à usada pelo protocolo P-NET. Esta técnica é um mecanismo de
acesso ao meio físico pouco exigente em termos de processamento, sendo
portanto adequada para implementar uma rede de dispositivos baseados em
processadores de baixo poder de cálculo e controladores Ethernet standard.
Esta tese apresenta ainda uma proposta de implementação do VTPE em IP
core para superar algumas dificuldades derivadas de funcionalidades que
não são suportadas por controladores standard, nomeadamente a
arbitragem do meio físico durante a transmissão de uma trama. Esta nova
proposta pode aumentar muito a eficiência do VTPE no uso da largura de
banda.
O VTPE, assim como P-NET ou protocolos similares, permite a uma estação
apenas comunicar uma vez por cada circulação do testemunho. Esta
imposição pode causar bloqueios de comunicação por períodos inaceitáveis
em aplicações com tráfego isócrono, por exemplo multimedia. Uma solução
proposta permite que uma estação possa aceder ao meio físico mais de uma
vez por cada circulação do token. Os resultados experimentais a as análises
desenvolvidas mostram que o bloqueio pode ser drasticamente reduzido.
Por último esta tese discute uma variante do protocolo VTPE, o VTPE/h-
BEB, que permite que mais de uma estação hBEB possa coexistir com
diversas estações Ethernet standard num mesmo segmento partilhado. Um
demonstrador para prova de conceito bem como uma aplicação foram
também implementados.
ABSTRACT: Distributed Computer-Control Systems (DCCS) are widely disseminated in
applications ranging from automation and control to automotive, avionics and
robotics. Many of these applications are real-time, posing stringent constraints
to the properties of underlying control systems, which arise from the need to
provide predictable behaviour during extended time periods. Depending on
the particular type of application, a failure to meet these constraints can cause
important economic losses or can even put human life in risk.
Currently the number and functionality of modern DCCSs have been
increasing steadily. This evolution has been motivated for a new class of
applications of more resource demanding applications, such as multimedia
(e.g. machine vision), as well as by the trend to use large numbers of simple
interconnected processors, instead of a few powerful ones, encapsulating
each functionality in one single processor. Consequently, the amount of
information that must be exchanged among the network nodes has also
increased dramatically and is now reaching the limits achievable by traditional
fieldbuses.
Therefore, other alternatives are required to support higher bandwidth
demands while keeping the main requirements of a real-time communication
system: predictability, timeliness, bounded delays and jitter.
Efforts have been made with Ethernet to take advantage of the low cost of the
silicon, high bandwidth, easy integration with the Internet, easy expansion and
compatibility with the networks used at higher layers in the factory structure.
However its standardized media access control (CSMA/CD) is destructive and
not deterministic, impairing its direct use at field level at least for real-time
communication.
Despite this, many solutions have been proposed to achieve real-time
behavior in Ethernet. However they present several disadvantages: requiring
specialized hardware, providing statistical timeliness guarantees only, being
bandwidth or response-time inefficient, being inflexible concerning traffic
properties and/or scheduling policy, or finally not allowing real-time stations to
coexist with standard Ethernet stations in the same segment. A recent
proposal, the hBEB algorithm, allows the coexistence of real-time and
standard Ethernet stations in the same shared segment. However hBEB limits
at most one real-time station per segment which is unacceptable for
applications in industrial automation and process control.
This thesis discusses a new real-time shared Ethernet solution based on the
virtual token passing technique similarly to the one used by the P-NET
protocol. This technique is a medium access control mechanism that requires
small processing power, being suitable to implement devices based on
processors with small processing power. The solution is called Virtual Token
Passing Ethernet or VTPE. This proposal discusses the modifications required
in the Ethernet frame format, the temporal analysis to guarantee real-time
communication and the implementation of two demonstrators based on
microcontrollers and standard Ethernet controllers.
This thesis also presents a proposal to implement VTPE in an IP Core to
overcome some difficulties derived from limitations of standard Ethernet
controllers, namely to allow medium access control during a frame transmission.
This proposal can increase the bandwidth efficiency of VTPE.
VTPE, as well as P-NET or any other protocol based on circular token rotation
technique, only allows a station to communicate once for each token round. This
design imposition can cause unacceptable communication blocking in
applications with isochronous traffic such as multimedia. An improvement in the
VTPE proposal enables a station to access the medium more than once per
token round. The experimental results as well as the temporal analysis show
that the blocking can be drastically reduced. This improvement can also be used
in the P-NET protocol.
Finally this thesis proposes a variant of VTPE, named VTPE/hBEB, to be
implemented in Ethernet controllers that are able to support the hBEB algorithm.
The VTPE/hBEB allows more than one hBEB station to coexist with several
standard Ethernet stations in the same shared Ethernet segment. A
demonstrator for the VTPE/hBEB validation, as well as an application, are also
presented and discussed. Doutoramento em Engenharia Electrotécnica
