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José Manuel Tavares Vieira Cabral Uma Arquitectura para

1. te Loopclock ms Figura 6 16 Varia o do Atraso maximo em fun o do Loopclock para o servi o S1 6 Os resultados obtidos mostram que os requisitos de atraso s o satisfeitos para todos os servi os 163 Capitulo 6 7 O servi o S5 embora tenha um peso elevado 70 87 e seja do tipo EM multiplexado duma forma eficiente pelo escalonador contribuindo fortemente para uma boa taxa de ocupa o m dia de pacotes CPS O tamanho m dio dos pacotes obtido foi de 39 octetos o que corresponde a cerca de 7 7 de overhead O servi o S5 por ter a mais baixa prioridade apresenta valores do n vel do FIFO relacionados directamente com o valor do Loopclock como ilustra a Figura 6 17 5500 T T T T T ry I I I I I I I I 1 5000 ISS 555435 HSB SA55545 LSS545558 LS SSD El sSSSS Ss SA I I i I I I I I 1 I I I I 4500 PSSSess SSeS Sas SS Ses IIS Se SS 5 65 SSS Say I I I I I I I i I I 1 I I I 4000 C a E nn 1777 I I I I T I I 1 I I O M6600 AEE EEEE E ETETE MS tek e o pe te ee es Se PS ess 23 oh cs sal oD 3 I I I I I Ke I I I I I I I I I I 2 3000 jest Causo SS ss E SS Ss Fosessos IS a SA gt SS SS Se i I I l I 8 2500 Misc et SS In SS SS SS OS SE SES SS eS CT 17777 zZ I I l I I I I I e 200 LHS 545428 S562 5555 ASS Ss SS PSSA 5555 ps BSS Sal Wes Ses Ss SA I I I I I I I I I I I I I I I
2. 147 Configura o de refer ncia para determina o dos tempos de transmiss o do sistema 148 Cen rio b sico de um sistema de suporte integrado de tr s aplica es com diferentes requisitos tempor iS s22 Ses tastges in senire sda Sync sndsa ge hea eine A usadas aeS Saara Sea ee 150 Transformada de Fourier de sequ ncias de 8192 n meros aleat rios gerados por 2 algoritmos a Fun o rand do ANSI C b Minimal Standard Os valores do ganho e da frequ ncia t m unidades arbitr rias eeaarareraan anna 152 Histograma do resultado de um gerador de n meros aleat rios com m dia 100 com distribui o de Poisson Os dados foram agrupados em intervalos de 10 unidades 153 Algoritmo 1 Atraso M ximo e M dio em fun o do Loopclock i 156 Algoritmo 2 Atraso M ximo e M dio em fun o do Loopclock 156 Algoritmo 3 Atraso M ximo e M dio em fun o do Loopclock 156 Algoritmo 4 Atraso M ximo e M dio em fun o do Loopclock 157 Varia o do quociente entre o Atraso M ximo e M dio em fun o do Loopclock 158 Varia o do Overhead em fun o do valor do Loopclock para os 4 algoritmos 158 Diagrama funcional do mecanismo de escalonamento de tr fego do Adaptador de terminal em que usada a estrutura de multiplexagem dos pacotes CPS da camada AAL 2 160 Varia o do Atraso m ximo em fun o
3. s smtsciiieime resmas pirssonappsesbonpaicirasenac anta so sadeda nana dados EELA dia adinaas na 131 5 4 Aplica o de Controlo ss s esses nen oa aan ee eel 132 6 AN LISE DE DESEMPENHO DO SISTEMA csscceeeeseeeeeereeceeaaeeeceeeeeeesaeeeeeeaaeeeseneaeessaaaeeeeseaeeeseeeeeessneeeeseaaes 135 6 1 Caracteriza o do sistema de testes eee areraaaaaaree aaa ara araras 137 6 1 1 Sistema de testes para avalia o do Adaptador de terminal 137 6 1 2 Sistema de testes para avalia o do Concentrador 145 6 2 Configura o de refer ncia s iis siso Aree ie en ee eee dra a tA 147 6 3 Fontes geradoras de trate gow esse sus iss pes itanessanoen casinos beedendenessodens eyeced epeud ie Shen ep EE 149 6 3 1 Geradores de n meros aleat rios eeeeneeeeenneeeeeeeaeeeseneeeeeeeaeeeseeeaeeeenneeeeeed 151 6 3 2 Modeliza o das fontes de tr fego e eararareranenaaaaaanaraaaana 152 6 3 3 Crit rio de paragem da simula o eee eeeeenneeeeeeeaeeeenneeeeeeaeeeeeeeaeeeeneeeene 154 6 4 Avalia o dos Algoritmos de escalonamento do Adaptador de terminal 154 64 1 Algoritmos b sicos arii nia edie Ge sqa a aaia ia DESC aie aa nanisa as 155 6 4 2 Algoritmo orientado s classes de tr fego ereeeeeaearereaara 159 6 5 Avalia o dos Algoritmos de escalonamento do Concentrador 168 6 6 Avalia o global da
4. Intervalo m dio entre Pacotes CPS Distribui o Calcula de Instante Gerador Poisson Tempo Porta n de Calcula Gera Classe Pacote TLL numeros Trafego CPS aleat rios Distribui o Calcula de Tamanho Poisson CPS Tamanho m dio do Pacote CPS Figura 6 4 Diagrama funcional do mecanismo de gera o de pacotes CPS S o calculados aleatoriamente dois par metros seguindo a distribui o de Poisson o instante de gera o e o tamanho do pacote CPS Para atribuir a classe de tr fego gerado aleatoriamente com igual probabilidade um valor que pode ser 0 1 ou 2 Estes valores est o associados respectivamente s classes de tr fego AM D e EM O m dulo Gera Pacote CPS vai produzir um pacote CPS em que o instante de tempo o tamanho e a classe de tr fego s o indicados pelos m dulos a montante 6 2 Configura o de refer ncia Com o objectivo de se poder conhecer os valores parciais e totais dos atrasos de transmiss o da informa o ao longo da rede necess rio a defini o de uma configura o de refer ncia que possa servir de base para a an lise dos v rios m dulos do sistema Essa configura o baseada na estrutura apresentada na Figura 4 4 Para tal necess rio obter os valores m ximos para os atrasos de transmiss o nos diversos segmentos ao longo da rede A Figura 147 Capitulo 6 6 5 apresenta a configura o de refer ncia onde s o evidenciados os diversos atrasos ao longo do
5. Tese de Doutoramento Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 1995 Neves J J S E Modular Architecture for High Flexibility ATM Based Control System Asia Pacific Conference on Communications APCC 99 Beijing China Outubro de 1999 NF C46 FIP Bus for Exchange of Information Between Transmitters Actuators and Programmable Controllers Norma Francesa 1989 Nunes M S Casaca A Redes Digitais com Integra o de Servi os Editorial Presen a 1991 Omidyar C G Aldridge A Introduction to SDH SONET IEEE Communications Magazine Setembro de 1998 Orzessek M Sommer P ATM amp MPEG 2 Integrated Digital Video into Broadband Networks Hewlett Packard Company Prentice Hall Inc 1998 Owen F F E PCM and Digital Transmission Systems Texas Instruments Electronics Series McGraw Hill Book Company 1982 Palminha C Alves F Duarte L Rocha R Gerald J Redes de Comunica o ATM sem Fios sobre 802 11 EPCM 99 Encontro Portugu s de Computa o M vel Tomar PORTUGAL Novembro de 1999 Parekh A Gallager R A Generalized Processor Sharing Approach to Flow Control in Integrated Services Networks The Multiple Node Case IEEE ACM Transactions on Networking pp 137 150 Abril 1994 Pee V Berckmans D Quality of modeling plant responses for environment control purposes Information and communication technology applications in agric
6. 109 Capitulo 4 O primeiro segundo e o quarto problemas s o resolvidos directamente atrav s do uso da tecnologia ATM O problema fica resolvido uma vez que o endere amento dos diferentes terminais ou fontes de tr fego pode ser efectuado atrav s de um mecanismo baseado nos identificadores de caminho e de canal virtual VPI VCI da camada ATM bem como pelos identificadores dos canais eventualmente multiplexados pela camada AAL A resolu o do segundo problema consegue se atrav s da escolha do protocolo AAL mais adequado estrutura de multiplexagem pretendida Existem j in meras normas definidas para o suporte de v rias aplica es e servi os sobre ATM principalmente para a adapta o de tr fego de d bito constante como por exemplo emula o de circuitos Cab95 em que se utiliza o AAL 1 ITU96b e para emula o de outras redes e protocolos de transfer ncia de dados em que se utiliza sobretudo o AAL 5 ITU96d No entanto ainda est o por definir formas de interligar eficientemente alguns sistemas de transfer ncia de dados que foram pensados para operarem isolados e simultaneamente adaptar os respectivos servi os de muito baixo d bito e com requisitos temporais exigentes tais como o tr fego gerado em sistemas de controlo distribu do ou por sistemas de aquisi o de dados onde poder o ser usados protocolos do tipo AAL 2 ITU97b ou AAL 3 4 ITU96c A adapta o ineficiente de servi os de muito baixo
7. Smart Distributed System Application Layer Protocol Version 2 0 GS 052 Issue 4 USA 1999 IEC 61158 2 Fieldbus Standard for use in industrial control systems Part 2 Physical Layer Specification and Service definition 1993 IEEE P1451 2 D2 01 IEEE Draft Standard for A Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet TEDS Formats Institute of Electrical and Electronics Engineers Agosto 1996 IEEE Std 802 11 Standard for Information Technology Telecommunications and information exchange between systems Local and Metropolitan Area Networks Specific requirements Part 11 Wireless LAN Medium Access Control MAC and Physical Layer PHY Specifications Janeiro de 1999 IEEE04 ISO93 ISO95 ITU91a ITU91b ITU92 ITU93a ITU93b ITU93c ITU93d ITU93e ITU94 ITU96 ITU96a ITU96b Bibliografia IEEE IEEE 802 LAN MAN Standards Committee http www ieee802 org Setembro de 2004 ISO 11898 Road Vehicles Interchange of Digital Information Controller Area Network CAN for High Speed Communication Novembro de1993 ISO 11898 Road Vehicles Interchange of Digital Information Controller Area Network CAN for High Speed Communication Amendement 1 Abril de1995 ITU T Rec G 703 Physical electrical characteristics of
8. 19 Capitulo 2 Tabela 2 4 Grupos de trabalho do IEEE para a rede de area local Descri o Higher Layer LAN Protocols Working Group GPRP Multiple Spanning Trees 802 1D 802 10 VLAN Classification by Protocol and Port Rapid Reconfiguration of Spanning Tree activo Port Based Network Access Control MAC bridges Remote MAC bridging Virtual LANs Logical Link Control Working Group inactivo Ethernet Working Group 10Gbit s Ethernet Trunking 802 3 Higher Speed Study Group Gigabit Ethernet 1000BASE T VLAN TAG Link Aggregation CSMA CD 10BASE T MAC E MAU Repeater 1BASE5 10BASE5 Full Duplex 100BASE T 100BASE T2 Gigabit activo Ethernet Token Bus Working Group terminado Token Ring Working Group inactivo Metropolitan Area Network Working Group terminado Broadband TAG terminado Fiber Optic TAG terminado Isochronous LAN Working Group terminado Security Working Group terminado Wireless LAN Working Group activo Demand Priority Working Group inactivo N o usado Cable Modem Working Group terminado Wireless Personal Area Network WPAN Working Group activo Broadband Wireless Access Working Group activo Resilient Packet Ring Working Group activo Radio Regulatory TAG activo Coexistence TAG activo Mobile Broadband Wireless Access MBWA Working Group activo Media Independent Handoff Working Group activo Wireless Regional Area Netw
9. 902 a 928MHz 2400 a 2483 5MHz e 5725 a 5850MHz Em 1990 a comiss o modificou a regulamenta o de forma a ser poss vel o suporte de maiores larguras de banda para permitir a utiliza o de t cnicas de saltos em frequ ncia Frequency Hopping No caso espec fico das redes locais de computadores as normas mais utilizadas nas aplica es comerciais actualmente existentes i e IEEE 802 11 preconizam a transmiss o usando t cnicas de espectro espalhado Estas normas suportam dois m todos diferentes de controlo de acesso ao meio MAC Medium Access Control o m todo DCF DCF Distributed Coordination Function e o m todo PCF PCF Point Coordination Function O primeiro caracterizado por um algoritmo de acesso aleat rio CSMA Carrier Sense Multiple Access com uma filosofia de funcionamento semelhante das tradicionais redes locais de computadores com fios LANs e que suporta os tradicionais servi os ass ncronos seguindo uma pol tica de melhor esfor o na entrega dos dados O segundo usa um algoritmo centralizado de controlo de acesso por interroga o ponto a ponto polling que permite suportar tr fego com requisitos espec ficos Em ingl s best effort 29 Capitulo 2 2 5 4 Bluetooth O Bluetooth diferente das redes WLAN foi criado com o objectivo de eliminar os cabos numa rea limitada formando uma PAN PAN Personal Area Network O nome Bluetooth Dente Azul foi escolhido em homenagem ao rei
10. O m dulo de recep o do Adaptador de terminal bastante mais simples uma vez que o escalonamento temporal dos diversos fluxos de entrada efectuado em sentido inverso Deste modo a desmultiplexagem efectuada directamente medida que as c lulas ATM v o sendo recebidas No entanto necess rio implementar um mecanismo que evite que um pacote ATM SDU com erro n o seja descartado completamente Com efeito necess rio efectuar primeiro a desmultiplexagem e analisar os pacotes CPS individualmente no sentido de verificar quais s o os que verificam o campo HEC A Figura 5 6 apresenta o diagrama funcional do m dulo de recep o do Adaptador de terminal Configura o Interface Sensores Actuadores N Sa das activas eco Detec o de erros e Desmultiplexagem Fila de Pacotes CPS Extrac o de Pacotes CPS Extrac o de ATM SDUs Adaptador Rel gios Figura 5 6 Estrutura Funcional do Adaptador de terminal M dulo de Recep o 125 Capitulo 5 e Extrac o de ATM_SDUs Extrac o de pacotes CPS Basicamente este bloco retira o campo de informa o de uma c lula ATM armazenando o num registo para ser processado pelo m dulo acima Para a detec o de erros usado o cabe alho do ATM SDU ilustrado na Figura 5 7 Start Field OSF Offset Field 6 bits SN Sequnce Number 1 bit P Parity 1 bit Figura 5 7 Estrutura do cabe alho de um ATM SDU STF St
11. Portas de Interface E SE jato RE TU lt q o O Figura 4 4 Diagrama de blocos do sistema de adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo O sistema proposto consiste numa estrutura modular suportada numa rede por dois blocos fundamentais e Adaptador de terminal e Concentrador O Adaptador de terminal o m dulo que permite a interliga o dos dispositivos de baixo d bito com a rede efectuando a multiplexagem e desmultiplexagem das v rias fontes de tr fego tendo em conta os requisitos de atraso QoS de cada uma O Concentrador permite n o s agregar o tr fego proveniente dos v rios Adaptadores de terminal como tamb m efectuar uma re multiplexagem de todo o tr fego O seu objectivo principal o de aumentar a taxa de preenchimento das c lulas ATM e assim aumentar a efici ncia de transmiss o da rede De referir que este m dulo n o necess rio numa estrutura com apenas um Adaptador de terminal Neste caso a Aplica o de controlo e o Adaptador de terminal t m apenas a rede como elemento de interliga o A Aplica o de controlo o m dulo que permite efectuar a gest o de todos os processos relacionados com o fen meno a controlar implementada numa esta o de trabalho onde um conjunto de programas efectuam um conjunto de tarefas espec ficas destinadas ao controlo da liga o ao processamento de dados relacionados com a aplica o em causa e ao int
12. d bito variavel 80kbit s Aos servi os de d bito constante foram atribu das classes do tipo AM uma vez que estes fluxos necessitam que o atraso extremo a extremo seja controlado de forma a respeitar a QoS pretendida para o servi o No caso do fluxo de dados optou se por se atribuir a classe D uma vez que esta foi especialmente definida para o suporte deste tipo de tr fego Finalmente foi atribu da ao servi o de V deo de d bito vari vel a classe EM uma vez que foi definido para este servi o que a perda ocasional de informa o n o seria prejudicial para o desempenho da aplica o e g vigil ncia A ltima coluna da Tabela 6 5 especifica o atraso m ximo que um dado fluxo de informa o poder ter ao atravessar o Adaptador de terminal Este valor corresponde parcela designada por T1 no modelo de refer ncia da Figura 6 5 Como foi definido s os servi os da classe AM 161 Capitulo 6 que t m associado este par metro Para as outras classes como n o existem limita es no atraso o escalonador n o imp e nenhum tipo de prioridade relacionado com este par metro Os valores atribu dos para o Atraso M ximo aos servi os S1 S2 e S4 tiveram por base as caracter sticas apresentadas na sec o 4 1 2 considerando que uma parcela do atraso total seria devida ao Adaptador de terminal Deste modo os valores apresentados na Tabela 6 5 representam a parte do atraso total que imposto
13. es s o multiplexadas temporalmente numa nica liga o f sica atrav s da associa o de v rios time slots numa trama que se repetir igualmente a uma dada frequ ncia Uma liga o i e um circuito usar sempre o mesmo time slot da trama durante a dura o completa da chamada A comuta o de circuitos pode ser efectuada internamente na central de comuta o atrav s de comuta o espacial comuta o temporal ou uma combina o das duas A comuta o de um circuito de uma linha de entrada para uma linha de sa da controlada por uma tabela de convers o que cont m a rela o da linha de entrada e do n mero do time slot com a linha de sa da e do time slot associado A Figura 2 1 ilustra um pequeno exemplo desta t cnica A conex o D da trama de entrada 1 ocupa o time slot 4 e ser sempre transferida comutada para a trama de sa da 3 no time slot 1 S quando a conex o termina o time slot 4 da trama 1 pode ser comutado para outro time slot de uma outra liga o Esta rela o mantida inalterada durante a dura o completa da chamada isto esta rela o determina o circuito Na figura est o tamb m ilustrados exemplos de comuta o espacial temporal e mista Tramas de Entrada Tramas de Sa da 5 43 2 1 5 4 3 2 1 elo clefa elrlcJeja jt ayer sp ate k po n mt jo N t m o Fa Slot de Alinhamento CS ERG de Trama Entrada Sa da Comuta o Temporal 3 2 gt 3 3
14. ltima modificada de modo a aceder directamente camada de Liga o de dados Embora sejam definidas apenas estas tr s camadas n o significa que as funcionalidades associadas s camadas suprimidas n o sejam implementadas A interoperacionalidade entre equipamento heterog neo s conseguido atrav s de alguma funcionalidade na camada de Apresenta o O controlo extremo a extremo assim como a segmenta o e reuni o de 50 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo mensagens s o fun es da camada de Transporte e o uso de routers para interligar diversos Barramentos de Campo necessitam de funcionalidades ao n vel da camada de Rede Estas funcionalidades existem em muitos Barramentos de Campo mas est o todas implementadas na camada de Aplica o A rea das redes industriais encontrava se inicialmente dominada por solu es propriet rias as quais estavam frequentemente orientadas para reas de aplica o espec ficas Mais recentemente redes industriais normalizadas come aram a ser utilizadas com maior frequ ncia Uma particular relev ncia deve ser dada norma Europeia EN 50170 EN96 que congrega tr s redes industriais largamente utilizadas P NET DS90 PROFIBUS DIN91 e WorldFIP NF89 No entanto devido s suas caracter sticas o protocolo CAN CAN Controller Area Network 5093 combinado com um protocolo de alto n vel tal como o DeviceNet Roc98 tamb m adequado ao suporte de
15. qualquer para ser transmitido a um ou mais n s 37 Capitulo 3 e Detecta colis es originadas em transmiss es simult neas de dois ou mais n s Quando isso acontece o n central envia um sinal de colis o a todas as outras esta es ou memoriza um dos sinais A topologia em estrela t pica de redes telef nicas em que a central concentra milhares de pares de fios num s local Nas redes locais a topologia em estrela est j bastante difundida possuindo as seguintes vantagens e Uma interrup o no cabo que liga a esta o ao concentrador central n o provoca a falha da rede apenas afecta a esta o cujo cabo est em falha e Permite a gest o centralizada da rede e Permite a utiliza o de qualquer meio f sico No entanto o componente central da estrela bastante cr tico e na falha deste toda a rede falha Em alguns casos mantido um equipamento igual de reserva para garantir a rapidez na manuten o da rede em caso de falha Topologia em anel A topologia em anel consiste num conjunto de liga es ponto a ponto entre repetidores em que o ltimo est ligado ao primeiro formando um anel fechado A informa o circula de uma forma unidireccional no interior do anel conforme mostra a Figura 3 2 Cada esta o est ligada rede atrav s de um repetidor Existem redes onde a transmiss o bidireccional com um canal f sico espec fico para cada transmiss o como por exemplo a norm
16. que inclui uma descri o sum ria do sistema proposto baseada em Adaptadores de terminal e um Concentrador que incorporam fun es de escalonamento de tr fego 4 1 Caracteriza o do problema Normalmente uma rede de sensores formada por um grande n mero de pequenos dispositivos cujo principal objectivo detectar e transmitir alguma caracter stica f sica do ambiente Per03 Estes componentes ou n s podem ser utilizados de forma eficiente mesmo Capitulo 4 que sejam milhares para atingir um objectivo comum Uma outra vis o que se pode ter deste tipo de redes a de um conjunto de n s individuais que operam isolados mas que podem formar uma rede com o objectivo de coleccionar as informa es individuais de cada sensor para monitorar algum fen meno Por vezes estes n s movem se juntamente com o fen meno observado e g sensores colocados em animais para observar o seu comportamento As redes de sensores possuem como caracter sticas principais o sensor o observador e o fen meno O sensor o dispositivo que implementa a monitora o f sica de um fen meno produzindo uma resposta mensur vel a mudan as em condi es f sicas tais como temperatura campo magn tico e luz Meg02 Muitos modelos de complexidade variada podem ser constru dos baseados na necessidade da aplica o e caracter sticas dos dispositivos Uma rede de sensores uma ferramenta para medir e passar informa o sobre o fen men
17. 1500 S5s554 PSSSsss Sp GES di Rs o SS EE aA ea I I I I I I I I I I l e I I 1000 es TOE or E Doo CCC A I I I I 0 l I l I 500 e L L I i f 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Loopclock ms Figura 6 17 Varia o do nivel do FIFO em fun o do Loopclock para o servi o S5 164 Conclus es Este cen rio de simula o permite concluir que o escalonador consegue ter um bom desempenho Consegue satisfazer os requisitos de atraso dos servi os de classe AM assim como garantir uma boa efici ncia na multiplexagem de servi os com caracter sticas diferentes em termos de d bito e requisitos temporais No caso em que uma das fontes geradoras de tr fego de classe AM imponha ao sistema um valor para o seu atraso m ximo duma ordem de grandeza pr xima do valor indicativo da equa o 6 3 e g S1 ver Figura 6 16 haver uma degrada o da efici ncia de multiplexagem uma vez que o valor da frequ ncia do Loopclock ter de ser mais elevada para conseguir cumprir esse requisito An lise de desempenho do sistema 3 A desvantagem apontada no par grafo anterior ser minimizada quando o sistema suporta um n mero elevado de fontes e em que o valor indicativo da equa o 6 3 sempre de ordem de grandeza bastante inferior ao do atraso m ximo de qualquer uma das fontes de entrada Avalia o do comportamento do algoritmo com o cen rio 2 Como foi referido na sec o 6 1 1 este cen rio de simula o destina se
18. Ao aumentar o valor do Atraso Maximo para as fontes do tipo Sensor verificou se um ligeiro aumento da efici ncia de multiplexagem uma vez que o escalonador consegue reter octetos do tipo AM nos FIFOs durante mais tempo e assim conseguir criar pacotes com tamanhos maiores tamb m poss vel prever que se os d bitos das fontes do tipo Sensor forem da mesma ordem de grandeza das do tipo Dados a efici ncia tamb m iria aumentar pelas mesmas raz es apontadas no par grafo anterior e Conclus es 1 Este cen rio de simula o permite concluir que o escalonador consegue ter um bom desempenho em termos de cumprimento do atraso dos servi os de classe AM A efici ncia de multiplexagem sempre dependente das caracter sticas de tr fego das fontes que se apresentam entrada do Adaptador de terminal Quanto menor for a quantidade de fontes do tipo AM e menos apertados forem os requisitos de atraso destas melhor ser o desempenho do algoritmo em termos de efici ncia de multiplexagem Em qualquer dos cen rios verificou se que o algoritmo proposto para o escalonador consegue cumprir os requisitos de atraso impostos entrada pelas fontes de classe AM 167 Capitulo 6 6 5 Avalia o dos Algoritmos de escalonamento do Concentrador Nesta sec o s o apresentados os resultados do estudo efectuado para a especifica o e avalia o de desempenho dos algoritmos de escalonamento do Concentrador Este bloco
19. Neste algoritmo um pacote ao qual atribu do um prazo mais pr ximo do instante de chegada sofre um atraso menor na fila de espera do que outro ao qual tenha sido atribu do um prazo mais distante Dependendo da carga pode n o ser poss vel servir todos os pacotes antes de se atingir os respectivos prazos que lhe foram atribu dos Algoritmos de escalonamento Como foi referido anteriormente ser necess rio implementar mecanismos de escalonamento de tr fego de modo a permitir garantir que os fluxos associados a servi os que imponham requisitos de atraso na liga o possam ser suportados pelo sistema com a QoS pretendida Os algoritmos desenvolvidos para o Adaptador de terminal e para o Concentrador ser o objecto de estudo detalhado no cap tulo 6 onde ser o especificados detalhadamente e efectuada a sua an lise de desempenho Nesta sec o apenas ser o abordados os aspectos mais gerais enquadrados nas classes de tr fego e outros conceitos apresentados anteriormente 113 Capitulo 4 e Algoritmo de escalonamento do Adaptador de terminal O algoritmo desenvolvido para o Adaptador de terminal caracteriza se por implementar um mecanismo de prioridade hibrido baseado no algoritmo do tipo EDF e no crit rio de dar prioridade fila que num dado instante tiver o tamanho maior Cada fluxo de informa o introduzido numa mem ria do tipo FIFO onde lhe atribu da uma classe de tr fego em fun o dos requisitos de
20. Outra fun o importante implementada por este campo o AAU AAU ATM User to User Indication usada pela camada AAL 5 para indicar a ltima c lula de um pacote da camada de utilizador 71 Capitulo 3 O campo HEC HEC Header Error Control um campo para controlo de erros no cabe alho Devido ao mecanismo de controlo de erros ser tamb m usado para determinar a delimita o de c lulas remete se a sua descri o para a sec o 3 3 1 4 3 3 1 3 A Camada de Adapta o A camada ATM fornece um servi o que independente da estrutura da unidade de informa o e do d bito dos servi os suportados na camada AAL que as caracter sticas particulares de cada servi o s o adaptadas no sentido de satisfazer a QoS requerida Embora as fun es que a camada AAL efectua est o dependentes do servi o espec fico a transportar podemos destacar as seguintes e mapeamento dos formatos de informa o da camada acima da AAL nos campos de informa o das c lulas ATM e recupera o da frequ ncia do rel gio e compensa o da varia o do atraso das c lulas correspondente ao servi o suportado quando requerido pelas caracter sticas do servi o e detec o da ocorr ncia de c lulas perdidas e o desencadear das medidas necess rias para diminuir o impacto desta situa o na QoS e detec o da ocorr ncia de c lulas mal inseridas e sua correspondente elimina o Para cada tipo de AAL as fun es b
21. bastante superior s do primeiro Para efectuar a an lise de desempenho ser necess rio quantificar o atraso da informa o no Adaptador de terminal e no Concentrador T4 e Ts uma vez que todas as outras componentes s o determinadas partida pelo comprimento das liga es pela negocia o dos par metros 148 An lise de desempenho do sistema de tr fego e pelo tempo de processamento da Aplica o de controlo Deste modo para melhor analisar o atraso global este decomposto por tr s parcelas T T T3 T garantido 6 5 Em que o valor de Toarantido a soma de todas as componentes excep o de T4 e Ts Deste modo para avaliar o desempenho do Adaptador de terminal e do Concentrador em termos de atraso introduzido bastar verificar se o atraso m ximo que imposto a cada um cumprido Assim na simula o dos v rios algoritmos de escalonamento a avaliar em ambos os m dulos verificado apenas o cumprimento do atraso parcial e n o do atraso global No projecto de um sistema real ser necess rio quantificar o atraso correspondente componente T garantido para se poder atribuir limites a T4 e Ts 6 3 Fontes geradoras de tr fego A especifica o completa do sistema a desenvolver necessita de uma caracteriza o das v rias fontes geradoras de tr fego n o s em termos de d bito mas tamb m em fun o da QoS atraso requerida por cada servi o Em fun o destes par metros o sistem
22. foram criados modelos de simula o para gera o de tr fego de forma a poder criar as situa es mais favor veis ao melhor conhecimento do sistema e assim se poder efectuar o seu dimensionamento duma forma mais exacta Para todos os algoritmos geradores de tr fego foi usada a interrup o do rel gio de tempo real do sistema operativo que teoricamente pode ser programada para funcionar em m ltiplos inteiros de ius Set93 e Voz Gerador de tr fego de d bito constante de 16kbit s Este gerador coloca na fila de entrada 100 octetos a cada interrup o de 50ms em 50ms e Sensor Gerador de tr fego de d bito constante a 800bit s Para tal s o colocados na fila respectiva 10 octetos a cada interrup o de 100ms em 100ms 152 An lise de desempenho do sistema e Dados Gerador de tr fego aleat rio com m dia de 16kbit s Para implementar este gerador de tr fego o n mero de octetos gerado fixo e igual a 20 e o instante de tempo aleat rio seguindo a distribui o de Poisson com m dia igual a 10ms Algumas simula es n o apresentadas mostraram que o resultado seria id ntico se fosse usado um intervalo de tempo fixo de 100ms e um n mero de octetos gerado a cada interrup o aleat rio seguindo a distribui o de Poisson com m dia igual a 20 octetos e Interruptores Gerador de trafego aleat rio com m dia igual a 80bit s Tal como o anterior o n mero de octetos gerado fixo e igual a 10
23. menores custos de transmiss o No segundo caso a agrega o de tr fego ao n vel da aquisi o permitir essencialmente resolver situa es em que existem dispositivos que geram tr fego de muito baixo d bito e g sensores de estado alarmes e de forma ocasional o que introduz a necessidade de juntar em unidades de dados elementares a informa o gerada por v rios dispositivos e assim aumentar a efici ncia de transmiss o 98 Adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo O tr fego gerado pelos diversos dispositivos requer ao n vel do transporte da informa o diversos n veis de QoS tais como o atraso de transmiss o e a taxa de perdas de informa o Deste modo neste tipo de aplica es ser necess rio definir mecanismos que permitam identificar diferentes tipos de requisitos em fun o dos objectivos a atingir Classes de tr fego Importa agora caracterizar duma forma clara a forma como os diferentes fluxos associados ao tr fego gerado pelos diferentes dispositivos e sistemas apresentados v o ser tratados pelo sistema de agrega o de tr fego Neste sentido s o definidas tr s classes de tr fego associadas a diferentes n veis de desempenho suportado pelo sistema de controlo e Atraso M ximo AM Os fluxos associados a esta classe necessitam da garantia de um atraso m ximo bem definido entre o dispositivo e a Aplica o de controlo Esta classe vocacionada para s
24. o dos diferentes fluxos numa mesma estrutura de mem ria do tipo FIFO FIFO First In First Out pela ordem de chegada sendo servidos pela mesma ordem Este algoritmo denominado por FCFS FCFS First Come First Served embora simples de implementar n o garante equidade no escalonamento protec o entre os diversos fluxos de informa o e garantia de Qos De modo a superar as limita es do algoritmo anterior foram propostos na literatura Kes97 e usados outro tipo de algoritmos para efectuar o escalonamento de tr fego ass ncrono baseados na sua maioria no algoritmo ideal denominado por GPS GPS Generalized Processor Sharing tamb m conhecido pela designa o FFQ FFQ Fluid Fair Queuing Em termos l gicos este algoritmo atribui uma fila de espera a cada fluxo de informa o visitando cada uma sequencialmente e servindo uma quantidade infinitesimal de informa o de cada fila Deste modo num intervalo de tempo finito cada fila visitada pelo menos uma vez A cada fluxo pode ser associado um peso diferente permitindo que a quantidade de dados servida de um dado fluxo seja proporcional ao respectivo peso 112 Adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo Este algoritmo pode ser implementado duma forma simples atrav s de uma mecanismo de rota o round robin em que as diversas filas de espera s o servidas sequencialmente e da mesma forma que no GPS No entanto este mecanismo serve um pac
25. s a recep o do token iniciada a medi o do tempo da sua rota o que termina com a recep o do token seguinte Este valor definido por Tan Token Rotation Time O valor Tra Target Token Rotation Time um par metro atribu do comum a todas as esta es mestres que define a capacidade de resposta da rede Quanto mais baixo for Tra menos tempo as esta es mestre est o na posse do token Quando uma esta o mestre recebe o token calculado o valor Try Token Holding Time dado por T Trr Tan Existem duas categorias de mensagens alta prioridade e baixa prioridade Estes dois tipos de mensagens usam duas filas de espera de sa da independentes Se o token est atrasado isto Tar maior que Trp uma esta o mestre pode executar no maximo um ciclo de mensagem de alta prioridade Caso contr rio a esta o mestre pode executar ciclos de mensagem de alta prioridade enquanto Tr gt O O valor de Try sempre testado no in cio da execu o de cada ciclo de mensagem Os ciclos de mensagem de baixa prioridade s o executados se n o houver mensagens de alta prioridade pendentes e enquanto 77 gt 0 A Figura 3 10 ilustra este mecanismo Al m da diferencia o entre mensagens de alta prioridade e baixa prioridade s o definidos tr s subtipos de ciclos de mensagens de baixa prioridade e poll list Destinadas a efectuarem o varrimento polling dos sensores e ou actuadores baseados numa lista po
26. sicas s o efectuadas numa subcamada de AAL chamada de subcamada de Segmenta o e Reuni o SAR Segmenting And Reassembly sublayer A subcamada acima desta na AAL chamada subcamada de Converg ncia CS Convergence Sublayer e implementa fun es requeridas para um servi o espec fico dessa classe ITU93c Actualmente os servi os podem recorrer a quatro especifica es tipo da camada AAL e AAL 1 Suporta servi os CBR sendo as principais aplica es a emula o de circuitos e o transporte de aplica es de udio e v deo de alta qualidade ITU96b e AAL 2 Suporta tr fego VBR VBR Variable Bit Rate permitindo reduzir o atraso no preenchimento das c lulas assim como optimizar a efici ncia na utiliza o da largura de banda ITU97b e AAL 3 4 Suporta servi os de dados orientados liga o e sem liga o em 2 modos de transfer ncia de informa o o modo mensagem e o modo fluxo ITU96c 72 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo e AAL 5 Fornece fun es semelhantes ao AAL 3 4 mas com uma efici ncia superior satisfazendo os requisitos de efici ncia e simplicidade na transfer ncia de informa o de dados e sinaliza o devido a ter menos campos de controlo no cabe alho das c lulas ITU96d Os par grafos seguintes descrevem com algum detalhe os v rios tipos de AALs j normalizados AAL Tipo 1 Sendo a futura RDIS de Banda Larga uma rede capaz de suportar qualquer tip
27. A Aplica o de controlo o m dulo que permite gerir o processo de comunica o entre todos os elementos integrantes do sistema de aquisi o de dados e controlo Consiste numa esta o de trabalho ligada rede de comunica o em que v rios programas efectuam um conjunto de tarefas espec ficas Toda a informa o proveniente dos dispositivos interligados recolhida e processada Em fun o da especificidade da aplica o poder ser necess rio enviar informa o em sentido inverso para outros dispositivos igualmente ligados a Adaptadores de terminal Embora exista um n mero elevado de situa es poss veis para cen rios deste tipo de aplica es o que importa neste momento assegurar a capacidade da solu o proposta garantir a adequada transfer ncia de informa o n o apenas entre os elementos integrantes do sistema de aquisi o de dados e controlo mas tamb m a de outros tipos de servi os suportados numa rede de forma integrada e com garantia de QoS 5 2 Adaptador de Terminal No contexto da RDIS RDIS Rede Digital com Integra o de Servi os um Adaptador de terminal um dispositivo que permite que equipamentos n o RDIS possam operar nestas redes Nos modelos propostos a especifica o do Adaptador de terminal pode ser simplificada tendo em considera o apenas as fun es necess rias para adaptar os fluxos de baixo d bito s caracter sticas da rede de comunica o maximizando a efici ncia da
28. ATM_SDU Cria ATM_SDU o D D 2 o Q o 7 solbojay ap Jsopeidepy E g 2 o e soibojoy ap Jsopeidepy IN OUT 1 OUT n eee Figura 5 11 Estrutura funcional do Concentrador m dulo de expans o A semelhan a do m dulo anterior deve tamb m salientar se que os m dulos desenvolvidos s o id nticos aos do Adaptador de terminal sendo praticamente aproveitados na ntegra A informa o relativa ao endere o do Adaptador de terminal de destino veiculada no campo UUI da mesma forma que efectuada no sentido inverso e descrita na sec o 5 2 1 131 Capitulo 5 5 4 Aplica o de Controlo Para controlar eficazmente a transfer ncia da informa o entre os v rios elementos integrantes do sistema de aquisi o de dados e controlo indispens vel desenvolver para cada implementa o espec fica uma aplica o que numa primeira abordagem e duma forma resumida proceda identifica o da fonte e ao encaminhamento da informa o para o seu destino A identifica o de cada elemento do sistema sensor actuador ou adaptador de terminal ser efectuada recorrendo quer aos identificadores de caminho e de canal virtual VPI VCl da camada ATM quer aos identificadores dos canais multiplexados na camada de Adapta o de acordo com as especifica es do protocolo AAL 2 Requisitos de funcionamento de aplica es de controlo Embora n o seja o objectivo deste trabalho especi
29. Bit Rate CCITT Comit Consultative International de T l phone et T l graphe CDMA Code Division Multiple Access CDV Cell Delay Variation CEPT Conference European Post and Telegraph CES Circuit Emulation Service CLP Cell Loss Priority CLR Cell Loss Ratio CN Core Network CNET Centre National d Etudes des Telecommunications COM Continuation Of Message CPCS Common Part Convergence Sublayer CRC Cyclic Redundancy Code CS Convergence Sublayer CSDN Circuit Switched Digital Network XV CSMA CA CSMA CD CT CTD DBR DCCS EDD EDF EOM ETSI FCC FCFS FDDI FEC FFQ FIFO FIP FPS GFC GGSN GPRS GPS GPS GSM HEC HLR HTML HTTP IEC IEEE IFG IMT 2000 ISM ISO IT ITU T IWF Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Controlled Transfer Cell Transfer Delay Deterministic Bit Rate Distributed Computer Controlled Systems Earliest Due Date Earliest Deadline First End Of Message European Telecommunications Standards Institute Federal Communications Commission First Come First Served Fiber Distributed Data Interface Forward Error Correction Fluid Fair Queuing First In First Out Factory Instrumentation Protocol Fast Packet Switching Generic Flow Control Gateway GPRS Support Node General Packet Radio Service Global Positioning System Generalized Processor Sharing Global System for Mobile Communications Header Error Control Home
30. IP orientado a datagramas sem liga o nem circuitos virtuais Deste modo o n vel de rede encaminha cada pacote da origem ao destino duma forma independente sem que os routers sejam obrigados a guardar informa o de estado dos pacotes transmitidos anteriormente Daqui resulta uma rede com f cil capacidade de adapta o a avarias em geral j que se ela existir numa liga o ou num router os restantes routers podem descobrir e utilizar percursos alternativos abrindo assim possibilidade de partilha de carga e reconfigura o din mica mais dif ceis de implementar numa rede baseada em circuitos virtuais Os pacotes IP podem ser encapsulados em tramas Ethernet ou Token Ring em sequ ncias de caracteres ASCII sobre liga es telef nicas ass ncronas em tramas de circuitos Frame Relay em pacotes X 25 em canais RDIS em c lulas ATM etc Na verdade n o se conhece nenhuma tecnologia de suporte de circuitos de dados que n o possa ser utilizada para o encaminhamento de pacotes IP esta caracter stica que retira todo o sentido apresenta o convencional e se indica abaixo do n vel IP o n vel f sico De facto abaixo do n vel IP pode estar qualquer outro n vel f sico rede ou de liga o de dados Da o facto de na Figura 2 4 se apresentar o n vel de encapsulamento e transmiss o de pacotes IP em vez dos n veis de liga o de dados e f sico 21 Capitulo 2 Em rela o ao n vel de transporte s o disponibil
31. QoS a suportar pelo sistema No caso da classe de tr fego ser do tipo AM tamb m introduzido atrav s do m dulo de configura o um par metro que especifica o atraso m ximo AM que a informa o dever sofrer no Adaptador de terminal Em fun o dos par metros anteriores calculado o instante de atendimento deadline de cada fila do tipo AM baseado no par metro AM Atraso M ximo Enquanto n o for atingida a deadline das filas AM o algoritmo opta por atender a maior das filas de classe AM ou D Caso n o exista informa o destas classes nas filas atende as filas de classe EF de forma sequencial da maior para a menor e Algoritmo de escalonamento do Concentrador O algoritmo de escalonamento do Concentrador bastante mais simples que o anterior uma vez que a informa o do par metro de atraso m ximo AM dos fluxos de classe AM s usada pelo Adaptador de terminal Neste caso n o necess rio calcular as deadlines associadas aos fluxos de classe AM Os pacotes que v o sendo recebidos entrada do Concentrador s o colocados em 3 filas espec ficas em fun o da classe de tr fego que lhes est associada O escalonador atende as filas pela seguinte ordem AM D e EM Enquanto houver pacotes numa dada fila n o s o atendidos os pacotes da fila menos priorit ria Devido ao efeito de concentra o poder ocorrer o fen meno de overflow no FIFO de pacotes da classe EM uma vez que estes pacot
32. UDP As mais conhecidas s o o correio electr nico ou e mail encaminhado entre gateways de mail por TCP o acesso a terminais remotos para sess es interactivas e a transfer ncia de ficheiros ambos utilizando TCP o HTTP HTTP Hipertext Transfer Protocol para acesso WWW WWW World Wide Web o NTTP NTTP Network News Transfer Protocol para acesso a f runs de discuss o News cuja transfer ncia e acesso tamb m se faz por TCP Outras aplica es emergentes como o transporte de udio e v deo usam todas o protocolo UDP que exigem caracter sticas especiais da rede nomeadamente tempos de chegada e banda passante garantidos Como sabido a Internet n o oferece garantias de banda passante e tem uma vari ncia significativa nos tempos de propaga o Assim uma das solu es usar o protocolo UDP que n o sujeito a controlo de fluxo O resultado do uso deste protocolo sobre canais pouco carregados bastante aceit vel mas quando aplicado sobre canais muito congestionados o efeito catastr fico Com efeito enquanto que o tr fego TCP vai tender a diminuir o d bito de transmiss o o tr fego UDP em que n o existe controlo de fluxo vai manter de forma abusiva o mesmo d bito As aplica es sobre TCP ter o o seu desempenho 3 Protocolo do n vel Aplica o do tipo cliente servidor implementado sobre liga es TCP 22 Redes de telecomunica es diminu do enquanto que as aplica es sobre UDP consumir o
33. Viking Harald Bluetooth que na Idade M dia unificou as v rias tribos n rdicas O objectivo desta tecnologia desenvolvida inicialmente pela Ericsson era oferecer um padr o para a comunica o sem fios que exigisse pouca mem ria CPU e que tivesse principalmente um consumo baixo de modo a poder ser implementada em qualquer tipo de dispositivo sem aumentar significativamente o seu pre o Esta tecnologia especialmente til para interligar computadores impressoras scanners telefones m veis PDAs PDA Personal Digital Assistants c maras digitais em casa no escrit rio ou no autom vel A especifica o b sica das redes Bluetooth Blu03 permite a opera o a um d bito em torno de 1Mbit s 723kbit s efectivos para dados e alcance de 10m O Bluetooth pode parecer extremamente limitado quando comparado com outras tecnologias de redes sem fios como o IEEE 802 11 mas possui uma taxa de transfer ncia de dados compar vel aos dispositivos USB USB Universal Serial Bus actuais e um alcance maior do que a maioria dos cabos que hoje est o ligados ao computador Especifica es alargadas desta norma permitem o aumento da velocidade de transmiss o para 10Mbit s com 100m de raio custa de maior consumo de energia e recorrendo a uma antena auxiliar O IEEE est a converter esta especifica o numa norma IEEE designada de IEEE 802 15 e Redes Ad Hoc Piconets As redes Bluetooth s o determin sticas para acomodar tr
34. amento de um elevado n mero de dispositivos e garantir a satisfa o da QoS associada a cada servi o e suportar aplica es em reas de grande dispers o geogr fica Introdu o Em primeiro lugar ser necess rio inventariar e caracterizar os dispositivos a interligar de modo a ser poss vel especificar as caracter sticas de tr fego e g d bito QoS Seguidamente ser necess rio definir uma estrutura de multiplexagem capaz de agregar o tr fego proveniente das v rias fontes de forma a ser transmitido na rede duma forma eficiente assim como permitir definir os requisitos de QoS associados ao transporte de cada fluxo de informa o Finalmente ser necess rio efectuar o estudo de algoritmos de escalonamento temporal de forma a ser poss vel multiplexar os v rios fluxos em fun o da QoS definida para cada um 1 2 Objectivos e contributos do trabalho desenvolvido O estudo da adapta o de tr fego de baixo d bito gerado pelas aplica es de controlo industrial permitiu por um lado identificar algumas limita es das capacidades de transmiss o endere amento rea de cobertura dos actuais sistemas de aquisi o de dados e controlo e de interliga o remota de diferentes redes industriais e por outro constatar que recorrendo s redes p blicas de telecomunica es designadamente s redes ATM ATM Asynchronous Transfer Mode poderia ser encontrada uma solu o para superar essas limita es Neste co
35. ao Adaptador de terminal de acordo com o que foi explicado na sec o 6 2 Al m disso estes valores s o apenas indicativos para efectuar o teste do algoritmo o que pode significar que na pr tica estes valores possam ser menos restritivos Os resultados dos testes efectuados com este cen rio de simula o s o apresentados na Tabela 6 6 Os valores representados na tabela correspondem aos atrasos m ximos de cada servi o assim como os valores m ximos dos n veis dos FIFOs associados a cada fluxo de informa o Como valor indicativo da efici ncia de multiplexagem indicado na ltima coluna o tamanho m dio dos pacotes CPS Tabela 6 6 Resultados da avalia o do algoritmo de escalonamento orientado s classes de tr fego usando o cen rio 1 Atraso m ximo Tamanho m ximo do FIFO ms n de octetos Loopclock ms D2 D3 D4 F1 F2 F3 F4 F5 0 2 0 2 1 6 0 2 10 10 0 6 i 0 6 5 4 0 6 10 10 1 0 1 0 9 0 1 0 10 10 1 4 1 4 1 4 10 10 1 8 1 8 1 8 10 10 2 2 2 2 2 2 10 10 2 4 i 2 4 2 4 10 10 3 0 3 0 3 0 10 10 Cada linha da tabela corresponde a uma simula o para um determinado valor do Loopclock Foram apenas apresentados os valores abaixo do valor indicativo da equa o 6 3 i e 3 19ms Acima deste os valores obtidos do atraso e tamanho dos FIFOs n o satisfazem os objectivos pretendidos e An lise dos resultados Atrav s da an lise da ta
36. ao descrito para os servi os do tipo 2 O campo SN tem funcionalidade id ntica descrita para a PDU da classe A O campo MID permite multiplexar ao n vel da SAR PDUs pertencentes a diferentes mensagens da subcamada CS Os dois ltimos octetos da PDU cauda t m os campos LI LI Length Indicator e CRC CRC Cyclic Redundancy Code O campo LI indica no caso do ltimo segmento ou segmento nico quantos octetos no campo de informa o da subcamada CS correspondem mensagem que foi segmentada O campo CRC baseado num polin mio gerador G x x x x x x 1 e protege contra erros todo o campo de informa o da c lula SAR PDU O formato do CPCS PDU ilustrado na Figura 3 25 constitu do por um cabe alho e uma cauda de 4 octetos O campo CPI usado para interpretar os restantes campos do cabe alho e da cauda Os campos Btag e Etag servem para delimitar a unidade de dados o campo BASize indica entidade semelhante do lado do receptor os requisitos de mem ria necess rios para receber o CPCS PDU e o campo PAD garante que o tamanho do payload do CPCS PDU seja m ltiplo de 4 octetos e n o transporta informa o til De forma id ntica o campo AL permite um alinhamento de 32 bits da cauda do CPCS PDU Finalmente o campo Length usado para definir o comprimento do payload do CPCS PDU e permite ao receptor detectar a perda ou ma inser o de dados 4 CPCS PDU byte 1 byte 2 pres Abyte 1 byte 2by
37. cap tulo 5 Para a avalia o do Concentrador utilizou se um cen rio em que s o gerados pacotes CPS de tamanho vari vel em cada porta de entrada S o medidos os atrasos m ximos dos fluxos das diversas classes de tr fego assim como os tamanhos das filas correspondentes Em termos de complexidade este algoritmo bastante mais simples que o desenvolvido para o Adaptador de terminal uma vez que n o usa o par metro Atraso M ximo associado aos fluxos de classe AM Deste modo os testes efectuados basearam se em avaliar a varia o dos atrasos dos fluxos das diferentes classes em fun o da percentagem de pacotes da classe AM gerados entrada do Concentrador Os resultados obtidos permitem comprovar o que j se esperava ou seja a melhoria da efici ncia global de multiplexagem Em rela o ao atraso verificou se que depende do valor do d bito de sa da do Concentrador desde que as fontes de tr fego n o sejam maioritariamente de classe AM Deste modo o atraso introduzido pelo Concentrador a fluxos de classe AM com o cen rio descrito bastante reduzido 0 4ms face ao Atraso M ximo especificado 200ms para um d bito de sa da inferior a 1Mbit s i e 8 X 113kbit s Perante os resultados obtidos poss vel concluir que a introdu o de um Concentrador numa arquitectura de controlo com v rios Adaptadores de terminal bastante vantajosa uma vez que permite agregar ainda mais o tr fego proveni
38. comuta o de pacotes que o MSC VLR para o servi o de comuta o de circuitos A Figura 2 5 mostra o Modelo de Refer ncia do sistema GPRS Sha00 PLMN Interface de Sinaliza o e de Transfer ncia de Dados Interface de Sinaliza o Figura 2 5 Modelo de Refer ncia do Sistema GPRS 25 Capitulo 2 Com a introdu o do GPRS foram definidos 3 tipos de terminais m veis e Classe A Suportam simultaneamente o tr fego de comuta o de circuitos e de comuta o de pacotes e Classe B Id ntico ao da Classe A mas n o suporta os dois em simult neo e Classe C Terminal que suporta apenas um dos modos de comuta o 2 5 2 UMTS O sistema UMTS UMTS Universal Mobile Telecommunications System corresponde vers o europeia da terceira gera o 3G dos sistemas de comunica es m veis projectado com o intuito de continuar com o sucesso alcan ado pelo sistema GSM de segunda gera o 2G O ITU T iniciou o processo de normaliza o inicialmente referido como IMT 2000 IMT 2000 International Mobile Telecommunications 2000 Na Europa a entidade respons vel pela normaliza o do UMTS o ETSI Em 1998 foi criado o 3GPP 3GPP Third Generation Partnership Project para continuar os trabalhos de especifica o t cnica A rede UMTS composta por tr s entidades fundamentais e CN Core Network e UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network e UE User Equipment e CN Core Net
39. constitu das por caracteres com d bitos muito baixos at 300 bit s Os caracteres s o codificados baseados num c digo de 5 bits c digo de Baudot e Rede telef nica p blica Esta rede tamb m conhecida como rede p blica de comuta o de circuitos telef nicos PSTN Public Switched Telephone Network oferece aos utilizadores o sistema cl ssico de transmiss o de voz bidireccional Capitulo 2 e Redes publicas de dados A informa o transportada atrav s de uma rede de comuta o de pacotes PSDN Packet Switched Data Network baseada nos protocolos X 25 ou em alguns paises atrav s de uma rede digital de comuta o de circuitos CSDN Circuit Switched Digital Network baseada nos protocolos X 21 e Redes de TV Os sinais de televis o podem ser transportados de tr s maneiras difundidos atrav s de ondas radio usando antenas terrestres por uma rede de transmiss o por cabo em rvore CATV Community Antenna TV e via sat lite por meio do sistema conhecido como DBS DBS Direct Broadcast System Cada uma destas redes foi especialmente concebida para transportar um servi o espec fico e geralmente n o pode ser aplicada no transporte de um outro servi o diferente No entanto existe um n mero limitado de casos em que uma rede destinada a transportar determinado tipo de servi o consegue transportar um outro diferente o caso por exemplo da rede telef nica que consegue transportar dados de
40. d bito em redes ATM relaciona se com o atraso no preenchimento dos pacotes ATM c lulas ATM que pode degradar substancialmente a Qualidade de Servi o atraso A resolu o deste problema passa pela cria o de uma estrutura modular que permita multiplexar v rios servi os de muito baixo d bito em c lulas ATM reduzindo o atraso de empacotamento e aumentando a efici ncia da rede Finalmente para resolver o terceiro problema necess rio estudar algoritmos de escalonamento temporal de forma a cumprir os requisitos por vezes exigentes de alguns tipos de aplica es industriais 4 3 1 Sistema proposto A Figura 4 4 apresenta o diagrama de blocos para o sistema de adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo Sem perda de generalidade a topologia l gica do sistema de concentra o do tipo N para 1 uma vez que suposto que uma Aplica o de controlo destinada a recolher informa o de v rios pontos esteja situada num nico local f sico No entanto os m dulos de adapta o e de concentra o poder o ter mais do que uma porta de sa da para interliga o a outros m dulos constituintes do sistema por liga es de n vel f sico que asseguram o transporte bidireccional de c lulas ATM 110 Adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo 1 Aplica o 2 de a Controlo Adaptador de Terminal 1 Portas de Interface Concentrador
41. d bito limitado quando usa Modems Modem modulator demodulator em ambos os extremos da linha Uma consequ ncia imediata desta especializa o em fun o do servi o a exist ncia de um elevado n mero de redes independentes cada uma requerendo a sua fase de projecto implementa o e manuten o Al m disso o dimensionamento de cada rede feito individualmente para cada servi o espec fico o que impossibilita o uso dos recursos dispon veis de uma rede por um outro servi o para a qual a rede n o foi projectada neste contexto que sendo vi vel tecnologicamente se torna atraente a cria o de uma rede universal capaz de integrar todo o tipo de servi os IBCN Integrated Broadband Communications Network O primeiro passo neste sentido foi dado com a introdu o da RDIS RDIS Rede Digital com Integra o de Servi os Esta rede embora capaz de integrar servi os de voz e dados num nico meio de transmiss o n o permite o transporte de sinais TV devido s suas capacidades limitadas em termos de largura de banda Por outro lado e embora exista uma interface de 1 ou ISDN Integrated Services Digital Network Redes de telecomunica es acesso normalizada entre o utilizador e a rede coexistem internamente e de uma forma temporaria duas redes especializadas em voz e dados Uma outra desvantagem da RDIS a incapacidade desta poder beneficiar com a evolu o dos algoritmos de codifica o de voz
42. da rede NNI Network Node Interface A diferen a consiste somente na exist ncia do campo para controlo de fluxo GFC Generic Flow Control que utilizado na interface UNI no caso de existirem configura es com m ltiplos utilizadores para controlar o acesso destes rede Como o campo GFC desnecess rio nas interfaces internas da rede aproveitado nas interfaces entre os n s para aumentar o comprimento do campo VPI A identifica o de um canal l gico ATM est dividida em duas entidades hier rquicas caminho virtual VP Virtual Path e canal virtual VC Virtual Channel Estas entidades s o identificadas no cabe alho da c lula pelo identificador de caminho virtual VPI Virtual Path Identifier e pelo indentificador de canal virtual VCI Virtual Channel Identifier Assim num dado Caminho Virtual ser poss vel transportar 65 536 21 Canais Virtuais Numa dada interface um canal de comunica o identificado pelo campo VPI VCI completo A rela o hier rquica entre caminhos e canais virtuais est ilustrada na Figura 3 14 Figura 3 14 Rela o entre Canais Virtuais e Caminhos Virtuais 70 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo A exist ncia de caminhos virtuais permite que a rede suporte liga es semi permanentes entre utilizadores comutando caminhos virtuais tratando de um modo global todos os canais virtuais pertencentes a um caminho virtual Por outro lado as liga es
43. de AAL reflecte o seu estado de desenvolvimento Assim no in cio foram definidos o AAL 3 e AAL 4 para as classes C e D respectivamente Posteriormente estes dois tipos de AAL foram aglutinados num nico AAL 3 4 suportando ambas as classes C e D Han94 Para tal a subcamada CS dividida em duas partes Figura 3 21 e CPCS CPCS Common Part Convergence Sublayer e SSCS SSCS Service Specific Convergence Sublayer SAP SSCS n O l CPCS lt SAP Service Access Point SSCS Service Specific Convergence Sublayer o CPCS Common Part Convergence Sublayer SAR 3 CS Convergence Sublayer SAR Segmentation and Reassembly sublayer SAP Figura 3 21 Subcamadas do protocolo AAL 3 4 A subcamada de converg ncia subdividida em CPCS e SSCS As fun es implementadas na subcamada SSCS s o dependentes da aplica o e podem nem existir Este tipo de AAL suporta dois modos de transfer ncia de informa o e Modo mensagem e Modo fluxo No modo mensagem uma nica unidade de dados do servi o AAL SDU AAL SDU AAL Service Data Unit segmentada em uma ou mais unidades do protocolo da subcamada de 78 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo converg ncia CS PDU enquanto que no modo de fluxo uma ou mais unidades de tamanho fixo s o transportadas numa nica unidade de dados do protocolo CS PDU Na Figura 3 22 est ilustrado o modo de mensagem e na Figura 3 23 o modo de fluxo AAL
44. de uma ou varias PLMNs O BSS composto pela esta o de base o controlador da esta o de base BSC Base Station Controller e o equipamento de transcodifica o TCE Transcoding Equipment A BTS serve de interface a rea para a esta o m vel Do lado oposto est ligada ao BCE BCE Base Communication Equipment atrav s do equipamento de transcodifica o Este ltimo efectua basicamente uma convers o da taxa de transmiss o de 16 para 64kbit s e vice versa 24 Redes de telecomunica es Com a introdu o da tecnologia GPRS GPRS General Packet Radio Service poss vel s operadoras do servi o GSM a oferta do acesso a redes de comuta o de pacotes e g Internet com d bitos at 115kbit s O suporte da tecnologia GPRS efectuado atrav s da introdu o de dois novos elementos na rede GSM e SGSN Serving GPRS Support Node e GGSN Gateway GPRS Support Node Estes elementos interagem com o HLR o MSC VLR e o BSS da rede GSM O GGSM o ponto de interliga o com as redes de dados ligado ao SGSN atrav s de um backbone IP Por exemplo a informa o de um utilizador de um terminal GPRS para a Internet enviada encapsulada atrav s do backbone IP O SGSN est ligado ao BSS e reside ao mesmo n vel hier rquico que o MSC VLR As suas fun es principais s o o seguimento do utilizador GPRS seguran a e controlo de acesso ou seja de uma forma global representa o mesmo papel para o servi o de
45. descentralizar as tarefas de controlo e gest o assim como possibilita a introdu o de novas tecnologias neste tipo de aplica es Paralelamente ao desenvolvimento das LANs em que o objectivo principal era a interliga o de dispositivos inform ticos tas como computadores e seus perif ricos associados foram desenvolvidas outro tipo de redes dedicadas interliga o de sensores actuadores e controladores Este tipo de redes s o vulgarmente designadas de barramentos de campo Em regra estes sistemas que actualmente est o sujeitos a normaliza o internacional evolu ram a partir de solu es propriet rias orientadas para aplica es espec ficas pelo que apresentam algumas limita es impeditivas da sua utiliza o em ambientes abertos para interliga o de um grande n mero de terminais de diferentes tipos e geograficamente dispersos A introdu o da tecnologia ATM ATM Asynchronous Transfer Mode como suporte das redes p blicas de telecomunica es designadamente da RDIS BL RDIS BL Rede Digital com Integra o de Servi os de Banda Larga poder ser candidata a suportar este tipo de aplica es com a vantagem de alargar a rea geogr fica de cobertura e permitir o suporte de Capitulo 3 um maior numero de dispositivos e sistemas garantindo a Qualidade de Servi o QoS Quality of Service de todas as aplica es 3 1 Redes de rea Local As sec es seguintes fazem uma breve descri o dos
46. detec o de colis o CSMA CD O problema principal das redes locais tem a ver com a comunica o entre v rias esta es que partilham um mesmo meio f sico canal broadcast em que as mensagens enviadas por uma esta o devem chegar esta o de destino sem interferir nas aplica es das outras esta es O protocolo denominado CSMA CD que largamente utilizado em redes locais e g Ethernet um protocolo simples e que pode ser descrito resumidamente na sequ ncia abaixo 1 Todas as esta es est o continuamente a ouvir o barramento com o objectivo de detectar se alguma mensagem lhes foi enviada 2 Caso exista a necessidade duma esta o transmitir primeiro verifica se o barramento est livre sem transmiss o de dados Caso isso se verifique a esta o transmite a mensagem caso contr rio espera at que o barramento fique livre 3 Se duas esta es come arem a transmitir praticamente no mesmo instante ambas admitiram que o barramento estava livre ocorre uma colis o entre as tramas das duas esta es e os dados tornam se inv lidos Nesse momento a esta o que detectou a colis o p ra de transmitir a mensagem e aguarda um tempo aleat rio Quando esse tempo se esgotar repete o processo verificando se o barramento est livre e assim sucessivamente A esta o detecta a colis o comparando os dados que enviou com os dados que circulam no barramento Caso sejam diferentes significa
47. dio Peso Voz 16kbit s constante Sensor 800bit s constante Dados 16kbit s vari vel Interruptores 80bit s aleat rio V deo 80kbit s variavel Total 112 880bit s As fontes do tipo Voz Sensor e Interruptores sera atribuida a classe do tipo AM a fonte do tipo Dados a classe D e a fonte de V deo atribu da a classe EF Cada servi o da classe do tipo AM ter um atraso m ximo associado em fun o dos requisitos definidos para cada servi o Neste cen rio o servi o que imp e mais restri es em termos de atraso ser o servi o de Voz Em termos de d bito o servi o de V deo aquele que carrega o sistema com a maior quantidade de informa o 143 Capitulo 6 A ltima coluna da Tabela 6 1 indica os pesos de cada servi o em fun o do d bito m dio total Este valor d uma ideia da percentagem de informa o m dia que cada servi o produz relativamente m dia total Como foi referido na sec o 6 1 1 em cada intervalo de tempo dado pelo Loopclock o escalonador tentar ler o maior n mero de octetos do FIFO escolhido pelo algoritmo de escalonamento Com este cen rio o valor m ximo do per odo do Loopclock ser 45x8 Loopclockmax i2880 3 19ms 6 3 O valor indicado na equa o 6 3 corresponde situa o em que o escalonador consegue encher pacotes CPS com 45 octetos e supondo que todos os fluxos de entrada t m d bito constante o que na pr tica n
48. do Loopclock para o servi o S1 163 Varia o do nivel do FIFO em fun o do Loopclock para o servi o S5 164 Diagrama funcional do mecanismo de escalonamento de tr fego do Concentrador em que usada a estrutura de multiplexagem dos pacotes CPS da camada AAL 2 169 XIII Lista de Tabelas Tabela 2 1 Tabela 2 2 Tabela 2 3 Tabela 2 4 Tabela 3 1 Tabela 3 2 Tabela 3 3 Tabela 3 4 Tabela 3 5 Tabela 3 6 Tabela 3 7 Tabela 4 1 Tabela 4 2 Tabela 4 3 Tabela 6 1 Tabela 6 2 Tabela 6 3 Tabela 6 4 Tabela 6 5 Tabela 6 6 Tabela 6 7 Tabela 6 8 Tabela 6 9 Tabela 6 10 Tabela 6 11 XIV Caracter sticas das hierarquias PCM 00 cccecceceeeeeeeeeeeeae cece ee eeeeeaeeeeeeeseteceaeeeeeeeeeeeeeeaes 14 N veis de multiplexagem e velocidades de transmiss o da Hierarquia Digital Sincron SDM PNE A E E A a vei osuean dy Gobi pre cee adaeen Pagu eb agia is eh loose iia sadio 16 Hierarquias Digitais S ncronas SDH e SONET N veis de multiplexagem e velocidades de transmiss o ass ssestue es sais ede Pee sensata ass cae eee Dias UNS E Sal la SU ee ud 17 Grupos de trabalho do IEEE para a rede de rea local 20 Extens es norma 802 3 do IEEE reter Eea au aiaia 36 Tempos de espera na interface de rede Ethernet a 10Mbit s no caso de colis o 42 Compara o dos v rios pad
49. endere amento serem id nticas no caso das redes IEEE 802 3 o endere amento feito atrav s do endere o MAC Address da respectiva carta de rede Este endere o sendo nico tem significado f sico e universal Pelo contr rio no caso das redes ATM o endere amento feito atrav s de um mecanismo baseado em caminhos e canais virtuais VPI VCl que n o tendo significado f sico e tendo validade apenas a n vel local podem ser reutilizados o que conduz a uma muito maior flexibilidade na gest o dessa capacidade de endere amento Ao contr rio das LANs e dos Barramentos de Campo que podem apresentar tempos de transmiss o reduzidos os atrasos extremo a extremo esperados nas redes p blicas de telecomunica es variam em fun o da dist ncia entre os terminais interligados No entanto esta aparente vantagem relativamente ao ATM resultante da rea de cobertura suportada por aquelas tecnologias ser limitada pode ser irrelevante para a grande maioria das aplica es 4 2 3 Escolha da tecnologia de rede Como foi referido anteriormente o tr fego produzido pelos dispositivos e g sensores actuadores de muito baixo d bito o que pode conduzir a situa es de baixa efici ncia de transmiss o na rede de comunica o Por outro lado alguns destes dispositivos requerem a entrega da informa o com atrasos controlados o que exige da rede a capacidade de garantir a transmiss o da informa o com uma determinada QoS defi
50. fego multim dia e aut nomas sem necessidade de configura o pr via Dois ou mais dispositivos Bluetooth descobrem se automaticamente assim que entram no raio de alcance das suas antenas Por isso diz se que as redes Bluetooth s o um tipo de rede Adhoc ou plug and play N o h necessidade de configura o pr via de endere os IP da configura o de um servidor de nomes ou um finder de dispositivos Bluetooth Durante o processo de descoberta de n s Bluetooth qualquer um pode assumir o papel de master da chamada piconet Este n o respons vel por indicar a largura de banda dispon vel para cada um dos restantes que assumem o papel de slaves A comunica o efectuada de um master para um slave e depois do slave para o master Um slave n o pode comunicar directamente com outro slave e um slave s pode transmitir em resposta a um pacote recebido do n master Assim sendo qualquer pacote transmitido de um 30 Redes de telecomunica es slave para outro envolve tr s transmiss es do master para o primeiro slave do primeiro slave para o master e do master para o segundo slave A rede Bluetooth divide o tempo em 79 partes slots de tamanho fixo Os slots mpares s o sempre para transmiss es do master para um slave e os slots pares s o reservados para transmiss o dos slaves para o master Desta forma o master decide qual o slave que ter direito a utilizar o pr ximo slot par Caso o slave n o tenha da
51. hierarchical digital interfaces Genebra Abril 1991 ITU T Rec 1 321 B ISDN Protocol Reference Model and its Application Genebra Abril de 1991 ITU T Rec G 728 Coding of Speech at 16 kbit s using Low Delay Code Exited Linear Prediction Setembro de 1992 ITU T Rec 1 320 ISDN Protocol Reference Model Genebra Novembro de 1993 ITU T Rec 1 327 B ISDN Network Functional Architecture Rev 1 Genebra 1993 ITU T Rec 1 362 BISDN ATM Adaptation Layer AAL Functional Description Rev 1 Genebra 1993 ITU T Rec 1 363 BISDN ATM Adaptation Layer AAL Specification Hels nquia Mar o de 1998 ITU T Rec 1 411 ISDN User Network Interfaces Reference Configurations Rev 1 Genebra 1993 ITU T Rec Q 2110 B ISDN ATM Adaptation Layer Service Specific Connection Oriented Protocol SSCOP Julho de 1994 ITU T Rec 6 131 Control of talker echo Agosto 1996 ITU T Rec G 729 Coding of Speech at 8kbit s using Conjugate Structure Algebraic Coded Excited Linear Prediction CS ACELP Mar o de 1996 ITU T Rec 1 363 1 B ISDN ATM Adaptation Layer Specification Type 1 AAL Agosto de 1996 185 Bibliografia ITU96c ITU96d ITU96e ITU96f ITU97a ITU97b ITU98 ITUOO lye97 Jam04 Jia04 Ker88 Kes97 Lap95 186 ITU T Rec 1 363 3 B ISDN ATM Adaptatio
52. maior tamanho podem ser filas de classes AM ou D 159 Capitulo 6 3 Quando atingida a deadline de uma das filas de classe AM atende a fila correspondente 4 Se n o houver informa o nas filas de classe AM ou D transmite os pacotes das filas das classes EF de forma sequencial da maior para a menor Deste modo e de acordo com os resultados obtidos na simula o com os algoritmos b sicos enquanto n o s o atingidos os instantes de envio dos pacotes da classe AM o crit rio de prioridade baseado na selec o da fila que possuir num determinado instante o maior n mero de octetos As filas de classe EM s ganham prioridade quando num dado instante n o existir informa o nas filas das restantes classes A Figura 6 15 ilustra o mecanismo de escalonamento de tr fego em que usada a estrutura de multiplexagem dos pacotes CPS da camada AAL 2 Pacotes CPS Adaptador de Rel gios Cria o CPS SDU Netclock CPS SDU Figura 6 15 Diagrama funcional do mecanismo de escalonamento de tr fego do Adaptador de terminal em que usada a estrutura de multiplexagem dos pacotes CPS da camada AAL 2 Em cada instante sincronizado pelo Loopclock o escalonador vai tentar ler do FIFO seleccionado pelo algoritmo de escalonamento o maior n mero de octetos poss vel 45 de modo a preencher um pacote CPS com o n mero m ximo de octetos e assim conseguir a 160 An lise de desempenho do si
53. melhor que na Fast Ethernet 47 Capitulo 3 Outra mudan a foi a introdu o de frame bursts processo atrav s do qual uma esta o pode transmitir varios pacotes para o meio fisico sem perder o controlo de acesso ao meio A transmiss o em rajada feita atrav s do preenchimento do espa o entre as tramas com bits de informa o de maneira a que o meio f sico n o fique livre para as outras esta es transmitirem Com este m todo consegue se um aumento substancial na efici ncia de transmiss o e Transmiss o em Full Duplex O funcionamento do Gigabit Ethernet em modo full duplex permite aumentar a banda de 1Gbit s para 2Gbit s aumentar a dist ncia e eliminar as colis es O controlo de acesso ao meio j n o efectuado pelo CSMA CD mas sim por um mecanismo de controlo de fluxo Esse mecanismo deve ser utilizado em liga es ponto a ponto Quando a esta o receptora fica congestionada envia uma trama denominada pause frame que indica que seja interrompido o envio de dados durante um intervalo de tempo espec fico A esta o que estava a transmitir aguarda o tempo indicado e reinicia a transmiss o ou a esta o receptora envia um outro pacote com time to wait igual a zero e instru es para recome ar o envio de informa o e Tipos de Cabos e Topologias Os cabos que podem ser utilizados s o e Coaxial fino e Par entrangado sem blindagem e Fibra ptica monomodo e multimodo As topologias sup
54. mesmo d bito o d bito m ximo de sa da ter de ser fs nxf No entanto como se trata de um concentrador o d bito de sa da ser bastante mais reduzido uma vez que a taxa de ocupa o de c lulas proveniente dos Adaptadores de terminal ser previsivelmente inferior a 100 Quanto menor for o d bito de sa da maior ser a efici ncia ou o ganho na multiplexagem Por outro lado quanto maior for o d bito de sa da menor ser o 129 Capitulo 5 atraso temporal introduzido pelo Concentrador E atrav s destes pressupostos que sera dimensionado o Algoritmo de escalonamento do Concentrador A escolha da capacidade de transmiss o ser um dos recursos a negociar com a rede juntamente com outros par metros de QoS e g Categoria de Servi o e par metros de tr fego Deste modo a efici ncia de transmiss o tamb m dependente da capacidade de transmiss o atribu da liga o 5 3 1 M dulo de concentra o o m dulo de concentra o que efectua as fun es mais importantes aumentar a efici ncia de multiplexagem minimizando o atraso dos servi os que possuam requisitos temporais apertados Para tal necess rio recuperar a estrutura dos pacotes CPS a partir das c lulas ATM Deste modo a t cnica de multiplexagem usada id ntica efectuada no Adaptador de terminal assim como grande parte das funcionalidades conseguindo se economizar no desenvolvimento da maioria dos m dulos A estrutu
55. na rede s o estabelecidas atrav s de comutadores ATM que comutar o caminhos e canais virtuais individualmente A Figura 3 15 ilustra o mecanismo de comuta o de canais e caminhos virtuais Comutador VC VCI1 VCI2 VPI 4 VCI1 i VCI2 Comutador VP Figura 3 15 Comuta o de Caminhos Virtuais VP e Canais Virtuais VC O bit CLP CLP Cell Loss Priority indica a prioridade de perda de c lula e manipulado quer pelo n de origem da c lula quer por um n interm dio de comuta o Permite atribuir dois n veis de QoS associados c lula normal CLP 0 e baixa prioridade CLP 1 No caso de congestionamento da rede nos n s de comuta o as c lulas de prioridade mais baixa ser o as primeiras a ser eliminadas Este mecanismo foi inicialmente proposto como solu o parcial para efectuar o controlo de fluxo numa dada liga o as c lulas que violassem uma dada fun o de policiamento teriam o bit CLP 1 tornando as descart veis se num dos n s de comuta o seguintes existisse congestionamento provocado pelo restante tr fego Os tr s bits PT PT Payload Type veiculam informa o entre entidades existentes ao n vel da camada ATM e indicam o tipo de informa o contida na c lula A c lula pode conter informa o do utilizador informa o para gest o e manuten o da rede ou pode veicular informa o acerca do congestionamento da rede observado pela c lula
56. o atraso total ser composto por duas parcelas r t a 4 1 em que r representa o atraso introduzido pela rede e 6d o atraso introduzido pelo sistema de agrega o de tr fego O valor da primeira parcela poder ser garantido atrav s da negocia o dos valores dos par metros de tr fego e de QoS das liga es a estabelecer com a rede enquanto que a segunda depender de aspectos relacionados com o grau de multiplexagem estat stica das fontes e o algoritmo de escalonamento dos fluxos No caso em que h interactividade ou seja em que a informa o processada pela Aplica o de controlo desencadeia uma ac o em sentido inverso necess rio adicionar o atraso da informa o no sentido da Aplica o de controlo para o dispositivo final Neste caso o atraso ser dado por 6 2 r 5 Op 4 2 O valor 5p corresponde ao atraso na desmultiplexagem dos canais no sistema de agrega o de tr fego e praticamente desprez vel face s outras parcelas Nos casos em que o atraso na rede n o igual nos dois sentidos a parcela 2 6p ter de ser corrigida Na sec o 4 2 1 ser apresentado um estudo acerca dos atrasos de transmiss o de algumas tecnologias de redes p blicas e privadas Na sec o 4 2 2 s o apresentados alguns par metros relacionados com as tecnologias apresentadas no cap tulo 3 tais como largura de banda rea de cobertura capacidade de endere amento d bitos e atrasos suportados Fina
57. o de tr fego de baixo d bito foram implementados com as convenientes simplifica es os m dulos do Adaptador de terminal e do Concentrador apresentados no cap tulo anterior bem como modelos de simula o das fontes geradoras de tr fego De forma a poder optimizar o trabalho de especifica o simula o e desenvolvimento optou se por usar como suporte um PC PC Personal Computer baseado numa arquitectura com processador Pentium A especifica o dos diversos m dulos do sistema de testes foi efectuada em linguagem C sobre o sistema operativo Linux Cab05 Em rela o ao protocolo AAL 2 toda a programa o foi efectuada respeitando o mais poss vel o algoritmo real ou seja o que apresentado na recomenda o 1 363 2 do ITU T ITU97b seguindo de perto os diagramas SDL SDL Specification and Description Language da pr pria recomenda o Os m dulos desenvolvidos para o sistema de testes poder o ser reutilizados na fase de implementa o sem necessidade de efectuar grandes modifica es Seguidamente feita a descri o dos sistemas de testes para avalia o do Adaptador de terminal e do Concentrador 6 1 1 Sistema de testes para avalia o do Adaptador de terminal Como foi referido anteriormente o Adaptador de terminal destina se a efectuar o interface entre os dispositivos envolvidos numa Aplica o de controlo e a rede de suporte Para avaliar o seu desempenho especificou se um sistema simplificado d
58. o deve gerar um token livre para a rede de modo a que as outras esta es possam transmitir Para diminuir o tempo que uma esta o tem de esperar por um token livre existe uma alternativa designada por Early Token Release que permite a uma esta o libertar o token logo ap s ter terminado a sua transmiss o sem esperar o retorno do pacote anterior Existem redes que permitem a exist ncia de mais do que um token a circular na rede em simult neo e g redes FDDI 42 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo 3 1 4 IEEE 802 3 e Ethernet Nesta sec o apresentado com mais detalhe o protocolo IEEE 802 3 e as suas extens es u e z que correspondem respectivamente s redes Fast Ethernet e Gigabit Ethernet Ethernet e Caracter sticas Gerais A rede Ethernet consiste num conjunto de recomenda es que especificam as camadas f sica e de liga o de dados para um d bito de 10Mbit s com tramas que possuem um tamanho compreendido entre 64 e 1518 octetos O endere amento efectuado atrav s de uma numera o que nica para cada esta o e composta por seis octetos sendo os primeiros tr s para a identifica o do fabricante e os tr s seguintes para o n mero sequencial da esta o Esta numera o conhecida como endere o MAC MAC Medium Access Control A subcamada MAC pertencente camada 2 da estrutura de protocolos do modelo OSI controla a transmiss o a recep o e es
59. o se verifica Deste modo o valor dado pela equa o 6 3 permite indicar um valor m ximo abaixo do qual se deve procurar o valor adequado que satisfa a os objectivos pretendidos Quanto mais baixo for o per odo do Loopclock mais baixa ser a efici ncia de multiplexagem o que conduz procura de um valor do Loopclock o mais pr ximo poss vel do indicado na equa o 6 3 Cen rio 2 Com este cen rio de simula o pretende se avaliar a capacidade de suporte de um grande n mero de fontes de baixo d bito assim como maximizar a efici ncia de multiplexagem de forma a conseguir economizar a largura de banda de transmiss o Deste modo este cen rio de simula o serve para analisar o comportamento do escalonador medida que se v o introduzindo cada vez mais fontes na entrada Neste cen rio de simula o ser o usadas apenas fontes do tipo sensor e dados uma vez que se prev que sejam estas as que existam com maior predomin ncia neste tipo de aplica es Na Tabela 6 2 est o indicadas as caracter sticas das fontes usadas no cen rio 2 Tabela 6 2 Caracteriza o das fontes do cen rio 2 Sensor 800bit s constante Dados 16kbit s vari vel O comportamento do algoritmo ser analisado em duas variantes A primeira consiste em partir de um n mero fixo de fontes do tipo Sensor e ir acrescentando fontes do tipo Dados enquanto 144 An lise de desempenho do sistema que na segunda ser feito o inve
60. oceano vizinhan as de actividades vulc nicas territ rios inimigos reas de desastres e campos de actividade nuclear Estes podem tamb m ser usados em tarefas interactivas como encontrar e detonar explosivos ou procurar sobreviventes de desastres naturais Sistemas sensoriais e periciais Os sistemas sensoriais e de actua o Cun04 t m vindo a ser aplicados com sucesso em robots para fins agr colas Actualmente existem v rias aplica es destes sistemas podendo referir se como exemplo a aplica o de tratamentos e a administra o de adubos foliares em estufas e os tractores de campo para aplica o controlada de qu micos Um exemplo deste tipo de equipamentos o de um tractor de aplica o de pesticidas que possui 8 sensores de ultra sons instalados num bra o para controlo individual da altura dos injectores ao solo com vista a aumentar a efici ncia do emprego dos tratamentos Ant00 A utiliza o de tecnologias que permitam obter informa o sobre os processos fisiol gicos e qu micos que ocorrem nas plantas tais como informa o relativa fotoss ntese potenciais h dricos fluxos de gua e de nutrientes nos caules e distribui o na mat ria assimilada apesar do seu grande interesse est actualmente condicionada por raz es de ndole pr tica pela grande quantidade de sensores que necess rio interligar para assegurar a representatividade do estado da cultura e de ordem t cnica devido a limita e
61. outras fun es a adapta o ao meio f sico de transmiss o a delimita o das c lulas correc o de erros do cabe alho e adapta o do fluxo de c lulas ao sistema de transmiss o Em geral qualquer sistema de transmiss o com baixa taxa de erros e largura de banda adequada candidato ao transporte de c lulas ATM No entanto os sistemas de transmiss o baseados nas hierarquias digitais s ncronas e plesi cronas s o os que est o implementados em maior n mero Por esta raz o foi ilustrada a forma como efectuado o transporte de c lulas ATM na Rede SDH sendo caracterizadas as interfaces de acesso e apresentada a configura o de refer ncia para a interface utilizador rede 89 Adaptacao de trafego de baixo d bito em aplica es de controlo Uma vez apresentadas as principais tecnologias de suporte da infra estrutura de comunica o para a adapta o do tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo agora altura de discutir este problema em termos de cen rios de aplica o tipos de dispositivos a interligar referenciais de Qualidade de Servi o QoS Quality of Service suportados bem como a arquitectura de refer ncia Neste cap tulo tamb m se caracteriza funcionalmente o desempenho daquelas tecnologias de rede em fun o dos atrasos e das capacidades de transmiss o igualmente apresentada uma solu o concreta para a adapta o do tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo
62. pacotes da classe EM uma vez que estes t m prioridade m nima de atendimento Nestas situa es o algoritmo limita se apenas a rejeitar os pacotes que excedam a capacidade do FIFO De referir que esta classe de servi o foi definida sec o 4 1 3 para servi os que podem sofrer perdas ocasionais de informa o Avalia o do algoritmo do Concentrador Para efectuar a avalia o de desempenho do algoritmo proposto anteriormente efectuou se a simula o baseada no sistema de testes descrito na sec o 6 1 2 Para cada gerador de pacotes ser necess rio definir as seguintes entradas e Intervalo m dio entre pacotes CPS e Tamanho m dio do pacote CPS A partir destes valores poss vel relacionar o d bito m dio produzido por cada fonte ou seja por cada Adaptador de terminal Tamanho m dio de pacote CPS D bitoM dio 6 6 Usando para o Tamanho m dio de pacote CPS o valor de 39 obtido a partir dos resultados da simula o com o cen rio 1 de avalia o do Adaptador de terminal Tabela 6 6 efectuaram se simula es caracterizadas por se considerar entrada de cada porta do Concentrador um d bito m dio aproximadamente igual ao produzido pelas fontes descritas no mesmo cen rio ou seja 113kbit s 170 An lise de desempenho do sistema O valor do Loopclock calculado a partir da equa o 6 4 Como existem 8 portas ent o o valor do Loopclock ser de Loopclock See 0 345ms 6 7 8
63. ponto de vista hier rquico esta norma possui as caracter sticas t picas de um Barramento de Campo A camada F sica deste protocolo permite o suporte de transmiss o sobre par entran ado blindado assim como cabos de fibra ptica O n mero de n s por controlador sem uso de repetidores de 60 com um comprimento m ximo de cabo de 1km e com um d bito m ximo de 2 5Mbit s O modo de transmiss o sincrono em que usado o c digo de linha Manchester O m todo de acesso ao meio MAC centralizado A camada de Liga o de dados especifica os servi os de transmiss o S o atribu dos identificadores m ltiplos assim como filas de espera a mensagens com requisitos temporais diferentes peri dicas e a pedido As mensagens a pedido a serem enviadas ou recebidas s o colocadas em filas de espera nas camadas de Liga o de dados dos n s de emiss o e de recep o As mensagens em fila de espera s o ent o escalonadas como as mensagens peri dicas e emitidas atrav s da rede A camada de Aplica o fornece servi os locais e remotos de leitura e escrita para lidar com mensagens peri dicas e a pedido respectivamente Estes servi os s o agrupados nas seguintes classes sensor e actuador e concentrador I O e controlador da linguagem programa o e operador e consolas de programa o As caracter sticas principais do protocolo FIP s o a garantia dos tempos de resposta e quantidade de mensagens transmit
64. por pontos de refer ncia e grupos funcionais Se Te B TE1 B NT2 B NT1 Rede R Sp TE1ou B TE2 B TA Grupo funcional Ponto de refer ncia Figura 3 30 Configura o de refer ncia para a interface utilizador rede A interface utilizador rede definida no ponto de refer ncia Tg Nesta configura o de refer ncia existem cinco grupos funcionais B NT1 B NT2 B TE1 B TE2 e B TA O grupo funcional Termina o de Rede 1 B NT1 Broadband Network Termination 1 esta localizado nas instala es do utilizador mas na Europa pertence ao operador de telecomunica es o elemento final na linha de transmiss o para a rede englobando os componentes necess rios para garantir o funcionamento correcto da liga o na instala o do utilizador no ponto Te O B NT1 s inclui fun es da camada f sica nomeadamente a termina o da linha de transmiss o interface de transmiss o e fun es de opera o e manuten o OAM Operation and Maintenence ITU93b O grupo funcional Termina o de Rede 2 B NT2 Broadband Network Termination 2 o n cleo da rede na instala o do utilizador O B NT2 pode desempenhar as fun es de concentrador multiplexer demultiplexer ou de comutador privado podendo neste ltimo caso 86 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo ter uma implementa o concentrada ou distribu da O B NT2 engloba n o s fun es da camada f sica mas tamb m das camadas super
65. principais conceitos relacionados com as redes de rea local abordando principalmente os aspectos de normaliza o topologias e m todos de acesso ao meio f sico de transmiss o Finalmente apresentada com maior detalhe a norma Ethernet por ser o protocolo mais difundido e utilizado neste tipo de redes 3 1 1 Normas IEEE 802 O IEEE normalizou na s rie 802 3 as recomenda es que s o utilizadas nas LANs actuais Estas normas est o em constante evolu o de forma a permitir o funcionamento sobre um novo meio f sico de transmiss o ou de possibilitar a introdu o de uma nova funcionalidade de comunica o As novas extens es recebem uma letra para identifica o e quando o processo de normaliza o est completo tornam se parte da norma b sica n o sendo mais publicadas como um suplemento separado A Tabela 3 1 apresenta algumas extens es do IEEE 802 3 Tabela 3 1 Extens es norma 802 3 do IEEE Descri o 802 3a Ethernet 10BASE2 cabo coaxial fino 802 3c Especifica es de repetidores a 10Mbit s 802 3d Link de fibra FOIRL FOIRL Fiber Optic Inter Repeater Link 802 3i Par entran ado 10BASE T 802 3 Fibra ptica 1OBASE F 802 3u Fast Ethernet 100BASE T 802 3x Norma Ethernet Full Duplex 802 3z Gigabit Ethernet 1000BASE X 802 3ab Gigabit Ethernet par entran ado 1000BASE T 802 3ac TAG para VLAN e extens o do tamanho para 1 522 octetos 802 3ad Agrega
66. rede 87 Capitulo 3 No caso a s o implementadas fisicamente as interfaces nos pontos Sg e Tg No caso seguinte b apenas a interface em Sz est fisicamente presente Aqui B NT1 e B NT2 s o agrupadas numa entidade nica Na caso c apenas a interface em Tg implementada fisicamente resultando uma entidade que agrupa B TE e B NT2 Em d os pontos Sg e Tg s o coincidentes e por isso id nticos Neste caso n o existe B NT2 nas instala es do utilizador No caso e as interfaces f sicas entre terminais e B NT2 s o Sp e S para RDIS baseadas num agrupamento centralizado de B NT2 Como j foi referido B NT2 pode ser igualmente distribu do Uma configura o poss vel representada na Figura 3 31 f O MA MA Medium Adaptor implementa um mecanismo de acesso ao meio de modo a que todos os terminais possam aceder rede Estes MA s s o totalmente dependentes da topologia utilizada e as suas fun es n o ser o objecto de normaliza o Neste exemplo a interface W poder ser igualmente dependente da topologia e tamb m n o ser normalizada No entanto poder o existir solu es em que W id ntica a Se S ntese Este cap tulo faz a descri o de algumas tecnologias de suporte da infra estrutura de comunica o para sistemas de aquisi o de dados e controlo Em primeiro lugar foram abordadas as tecnologias de redes de rea local LANs onde se descrevem duma forma sum ria as principais topolog
67. rede e garantindo a QoS atraso requerida pelo servi o No entanto ter o igualmente de ser referidas as restantes funcionalidades de gest o e sinaliza o necess rias ao interfuncionamento com equipamentos normalizados 119 Capitulo 5 O Adaptador de terminal pode ser considerado como um conjunto de maquinas de estado de emiss o e recep o que funcionam duma forma independente Na emiss o necess rio multiplexar o tr fego proveniente de v rias fontes e g sensores com diversos requisitos temporais num nico fluxo garantindo por um lado a QoS exigida por cada terminal e por outro maximizando a efici ncia de transmiss o Na recep o necess rio efectuar a desmultiplexagem dos canais suportados pelo fluxo de informa o destinado aos actuadores integrantes do sistema a controlar A solu o proposta para o Adaptador de terminal sendo baseada na tecnologia ATM para al m de estabelecer a interface de rede com os sensores actuadores permite resolver os problemas de identifica o destes dispositivos pela aplica o de controlo atrav s da identifica o dos circuitos e dos trajectos virtuais VCI VPI utilizados nessa interface bem como com a estrutura de multiplexagem da camada de adapta o CID AAL2 A Figura 5 1 ilustra a estrutura funcional em camadas do Adaptador de terminal Configura o Interface Sensores Actuadores N Entradas e sa das activas D bito M dio de entrada Atra
68. redes industriais vulgarmente designadas por Barramentos de Campo s o redes locais simplificadas do ponto de vista da dimens o formato de tramas de dados e capacidade de transmiss o Por outro lado possuem outras caracter sticas e mecanismos de modo a suportarem a comunica o em tempo real entre dispositivos tais como PLCs PLCs Programmable Logic Controllers Sensores e Actuadores Os Barramentos de Campo s o largamente utilizados para o suporte de sistemas controlados por computador distribu dos DCCS Distributed Computer Controlled Systems em aplica es que v o desde o controlo de processos at automa o industrial Tov99 Habitualmente os 49 Capitulo 3 DCCS imp em requisitos de tempo real rede de comunica o segundo os quais as mensagens devem ser enviadas e recebidas num tempo inferior a um determinado limite caso contr rio diz se que ocorreu uma falha temporal Este facto tem motivado a utiliza o de redes de comunica o para as quais o protocolo de controlo de acesso ao meio capaz de escalonar as mensagens de acordo com os seus requisitos de tempo real Quando comparados com outras redes os Barramentos de Campo devem satisfazer v rios requisitos Segundo Pim90 os requisitos impostos por aplica es suportadas nestas redes sao e capacidade de suporte de transmiss o de mensagens curtas de forma eficiente Adicionar 60 octetos de overhead a cada 2 de informa o clarame
69. rio Por exemplo para um comprimento do barramento de 40m o d bito m ximo de transmiss o de 1Mbit s para um comprimento de 1000m o d bito m ximo de 50kbit s A camada de Liga o de Dados implementa um mecanismo de dissemina o dos chamados Objectos de Comunica o Ruf97 A informa o a ser transmitida encapsulada em pacotes de informa o e atribu do um identificador nico a cada um destes objectos Este identificador n o especifica o destino dos pacotes mas sim a especificidade de informa o que transportam e g temperatura press o humidade Cada receptor decide se a informa o transportada no barramento relevante ou n o aceitando a ou ignorando a Deste modo evita se o uso de endere amento O CAN implementa um mecanismo de acesso ao meio MAC Medium Access Control do tipo CSMA CA CSMA CA Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance em que para cada esta o poder aceder ao meio barramento basta que este esteja livre No entanto ao contr rio das redes Ethernet o mecanismo de resolu o de colis es do tipo n o destrutivo ou seja uma das mensagens transmitida sempre bem sucedida Ao n vel da subcamada MAC existem 4 tipos de tramas e Data frame transportam a informa o do emissor para o receptor e Remote frame usadas para solicitar a transmiss o de uma Data frame espec fica e Error frame s o transmitidas por qualquer n que detecte um erro no barramen
70. servi o transportado Foram desenvolvidos diversos protocolos para as diferentes camadas do Modelo OSI tendo surgido v rias redes de dados com destaque para as Redes de rea Local LAN Local Area 2 Este mecanismo vulgarmente conhecido por store and forward 18 Redes de telecomunica es Network as Redes Metropolitanas MAN Metropolitan Area Network e as Redes Publicas de Comuta o de Pacotes X 25 2 4 1 Normaliza o IEEE No final da d cada de 60 entrou em funcionamento uma rede sem fios chamada ALOHA que utilizava o primeiro algoritmo que permitia a comunica o entre esta es utilizando um canal nico Esse algoritmo ficou conhecido como protocolo de acesso m ltiplo e permitia que esta es de trabalho existentes nas ilhas do Hawai comunicassem entre si atrav s de um sistema de comunica o por sat lite instalado sobre o Pac fico Nessa rede qualquer esta o transmitia quando tinha dados a transmitir e esperava por uma confirma o que indicava se a informa o tinha chegado ao destino Caso essa confirma o n o chegasse significava que tinha ocorrido uma colis o ou seja outra esta o tinha transmitido simultaneamente Nesse caso a esta o esperava um tempo aleat rio e tentava novamente Esse sistema conhecido por ALOHA puro tinha uma efici ncia baixa aproximadamente 18 Posteriormente foi introduzida uma melhoria nesse sistema Slotted ALOHA em que a transmiss o de pa
71. solu o proposta ear arenaaaeareeaaaaaraaaaaranaaa 173 SCONCEUSOES ss estes sete deionised airea o Pas abas Pl cada did dao asa aa aeaaaee odeti nignigi 177 GA Trabalho f Oi iire e de edetie deck ciara caval eect hated Maa ALEGADA de adits eee Sima ea ree 179 BIBLIOGRAFIA pieier tee ced eon cook tr nl ee ee eed retin te ae een en eel Tee reed 181 XI Lista de Figuras Figura 2 1 Figura 2 2 Figura 2 3 Figura 2 4 Figura 2 5 Figura 3 1 Figura 3 2 Figura 3 3 Figura 3 4 Figura 3 5 Figura 3 6 Figura 3 7 Figura 3 8 Figura 3 9 Figura 3 10 Figura 3 11 Figura 3 12 Figura 3 13 Figura 3 14 Figura 3 15 Figura 3 16 Figura 3 17 Figura 3 18 Figura 3 19 Figura 3 20 Figura 3 21 Figura 3 22 Figura 3 23 Figura 3 24 Figura 3 25 Figura 3 26 Figura 3 27 Figura 3 28 Figura 3 29 Figura 3 30 Figura 3 31 XII Com ta o de Circuitos sssr inaa a a a a a a a iaa 11 Estrutura de multiplexagem dos canais plesi cronos na hierarquia digital s ncrona 15 Estrutura da trama STM 1 na hierarquia digital s ncrona 16 Estrutura da fam lia de protocolos TCP IP eee 21 Modelo de Refer ncia do Sistema GPRS reeeaneneareeenaa 25 Topol gia emestrela merries oinean do dnsa no a Nisa aaa peewee aeaaaee iana eiid 37 Topologia em anels 2 2 2 20720 452722025 t5s fetal io Mactan he a ata hae Eee eel eee 38 Topologia em barramento c sssaisesmpasessosspa
72. terminal e implementar um mecanismo de identifica o da classe de tr fego associada ao fluxo transportado pelo pacote CPS de acordo com o especificado na sec o 4 1 3 A Figura 5 4 ilustra este mecanismo Endere o AT Classe 3 bits 2 bits Figura 5 4 Estrutura do campo UUI dos pacotes CPS Os primeiros 3 bits permitem endere ar 8 Adaptadores de terminal enquanto que os dois ltimos identificam a classe de tr fego associada ao fluxo transportado pelo pacote CPS No caso da aplica o necessitar de uma estrutura com mais Adaptadores de terminal e menos fontes de entrada sa da podem ser usados bits do campo CID para aumentar a capacidade de endere amento e assim suportar uma arquitectura com mais Adaptadores de terminal O campo HEC destina se a proteger contra erros a totalidade dos campos de controlo do pacote CPS ou seja os campos CID LI UUI e o pr prio HEC usado o c digo c clico cujo polin mio gerador p p 1 Este campo calculado atrav s da divis o m dulo 2 pelo polin mio gerador do produto de p pelo polin mio constru do atrav s dos coeficientes dos primeiros 19 bits do cabe alho do pacote CPS Os coeficientes do resto da divis o s o inseridos no campo HEC em que o coeficiente do termo p do bit mais significativo Os pacotes CPS medida que v o sendo criados s o colocados num FIFO interm dio Neste FIFO j foi feito o escalonamento dos fluxos de informa o de entrada Este
73. termo da equa o anterior o valor do numerador fixo 3 octetos A Figura 6 2 apresenta um gr fico da varia o do overhead em fun o do tamanho do pacote O valor m ximo do overhead de 75 correspondente a pacotes com 1 octeto de informa o til Os valores m nimos s o de 6 25 e 4 69 respectivamente para pacotes de tamanho 48 e 64 octetos A recomenda o 1 363 2 do ITU T ITU97b especifica um valor por omiss o m ximo de 45 octetos Apesar da recomenda o suportar o uso de pacotes com tamanho m ximo de 64 octetos este valor n o foi usado na avalia o dos algoritmos uma vez que valores entre 45 e 64 n o s o permitidos e desse modo ser dif cil uma an lise uniforme de desempenho em fun o do tamanho do pacote CPS 141 Capitulo 6 Overhead no preenchimento dos pacotes CPS 80 T i i i el l I l I l I l I I l I l I l I l l dO e cap ELEAN TA Te que pop E E O S ee a I l I l I l I l I l I l I l I l I l 5 ELE E E E E EEE E i ee ee E E A I l l l I l I l l l I l I l I l I l I l I l I l I l l OO a eae o las eg E T E i eg a T OR aT l I l I l I l I l E ee ar E ses Bad Sie ese Epil Do IR TTS oS DO E a E Il o l I l I l I l I l I ei l I l I l I DO uy real ve ye ea EAD TTT TAPE a Tao Su Tao o De Su Te Tas hee dp ae l e l I l I l I l I 1 Pe l I l I l ap J L Seg 1 1 1 l 4 l I 1 e l I l I I to I l I e l I l I l I l I coc
74. transfer ncia do bloco de c lulas O tamanho do bloco de c lulas um dos par metros especificado no in cio da transfer ncia No caso da variante ABT DT a fonte aguarda confirma o da rede antes de transmitir o bloco de c lulas enquanto que na variante ABT IT a fonte transmite o bloco de c lulas imediatamente o que pode provocar atrasos ou perdas se o pedido n o for garantido Esta ltima adequada para fontes que adaptem o seu ritmo de transmiss o em instantes determinados pela fonte e n o pela rede O ITU T SG 13 elaborou estas ATCs nas recomenda es ITU96e ITU97a Os requisitos de novas aplica es e as novas formas de utiliza o da rede poder o vir a necessitar da defini o de novas ATCs tais como CT CT Controlled Transfer ou UBR UBR Unspecified Bit Rate Embora este aumento de ATCs introduza a desvantagem da selec o ser feita atrav s da escolha entre um maior numero de ATCs desej vel pois poder permitir o suporte de novos servi os ou o suporte de um servi o de uma forma mais eficiente quer para a rede quer para a aplica o O objectivo sera definir ATCs em numero suficiente de forma a poder suportar todas as necessidades de transporte actuais e futuras Na Tabela 3 6 est especificada a classifica o das diferentes Classes de Servi os Os par metros atrav s dos quais feito o agrupamento s o e Rela o temporal entre fonte e destino V rios servi os requerem que seja prese
75. x113000 No caso do Concentrador um valor baixo do Loopclock n o conduz perda de efici ncia uma vez que o tamanho dos pacotes CPS n o alterado ao contr rio do Adaptador de terminal em que a escolha do valor do Loopclock baseada numa solu o de compromisso entre a minimiza o do atraso e a optimiza o da efici ncia de multiplexagem Quanto mais baixo o valor do Loopclock menor ser o atraso global sofrido por cada pacote uma vez que a velocidade de processamento aumenta Por outro lado quanto menor for a quantidade de pacotes AM que entram no Concentrador relativamente aos pacotes das outras classes menor ser o seu tempo de espera no escalonador Assim interessa avaliar o comportamento em fun o da percentagem total de pacotes AM que entram no Concentrador A Tabela 6 11 apresenta os resultados obtidos na simula o do Algoritmo de escalonamento do Concentrador para diferentes valores da percentagem de pacotes AM relativamente s outras duas classes Tabela 6 11 Resultados da avalia o do Algoritmo de escalonamento do Concentrador Fontes AM Atrasoam Atraso Atrasoem FIFOam FIFOp FIFOem ms ms ms octetos octetos octetos 20 0 34 0 69 1 95 48 48 135 40 0 34 0 71 2 30 48 48 131 60 0 34 1 17 3 35 48 48 90 80 0 46 3 04 9 36 93 48 129 100 27 7 0 0 351 0 0 As simula es efectuadas usaram um Loopclock cujo valor aproximadamente igual
76. 12 octetos Esta medida serve para libertar o meio f sico e permitir que outras esta es tamb m possam enviar seus pacotes 41 Capitulo 3 Tabela 3 2 Tempos de espera na interface de rede Ethernet a 10Mbit s no caso de colis o N mero de Colis es N meros aleat rios Tempo aleat rio 1 0 1 0 51 2 us 2 0 2 0 153 6 us 3 0 7 0 358 4 us 4 0 15 0 768 us 5 0 31 0 1 59 ms 6 0 63 0 3 23 ms 7 0 127 0 6 50 ms 8 0 255 0 13 1 ms 9 0 511 0 26 2 ms 10 15 0 1023 0 52 4 ms 16 N A Descarta trama 3 1 3 2 Sem Colis o utiliza o de token Al m dos protocolos que permitem a exist ncia de colis es existem outros em que as mesmas n o ocorrem em que o objectivo aumentar o desempenho da rede principalmente em situa es de carga elevada Um desses m todos baseado na circula o de um token utilizado pelas redes Token Ring e Token Bus que possuem topologias em anel e barramento respectivamente Neste m todo existe uma entidade especial denominada token que circula entre as esta es da rede Somente a esta o que possui o token pode a transmitir e como existe apenas um token a circular na rede n o ocorrem colis es Quando uma esta o quer transmitir uma mensagem ela deve aguardar a chegada de um token livre Seguidamente deve retir lo de circula o e enviar a sua mensagem Ap s a transmiss o de uma mensagem a esta
77. 15 2 25 3 35 4 Loopclock ms Figura 6 14 Varia o do Overhead em fun o do valor do Loopclock para os 4 algoritmos e Conclus es Ap s a an lise atenta dos resultados obtidos poss vel retirar as seguintes conclus es 1 O algoritmo 1 tem um melhor desempenho em termos de efici ncia de multiplexagem e atraso Deste modo o algoritmo a dimensionar dever usar o valor do tamanho dos FIFOs como um dos par metros principais 2 A garantia do atraso para um dado servi o conseguida custa de um dado valor de Loopclock No entanto para valores baixos do Loopclock a efici ncia de multiplexagem diminui devido aos pacotes CPS terem um comprimento menor Deste modo o algoritmo a dimensionar dever permitir estimar o valor do Loopclock em fun o dos par metros de tr fego das fontes que garanta a satisfa o do atraso m ximo de cada fonte e maximize ao mesmo tempo a efici ncia de multiplexagem 158 An lise de desempenho do sistema A partir destas conclus es ser apresentado o algoritmo orientado s classes de tr fego descrito na sec o seguinte 6 4 2 Algoritmo orientado as classes de tr fego Na sec o anterior foram descritos os resultados das simula es de alguns algoritmos b sicos que permitiram obter algum conhecimento sobre o comportamento deste m dulo em termos de atraso e efici ncia de multiplexagem Atrav s dos resultados obtidos e dos conhecimentos adquiridos foi poss vel defini
78. 26 21573 IBEE 802 24 fie Coane tae tao ai T el ks Ma dN ech Ate A neha Mes td Aare Ate doh Sirol 28 2 5 4 Bluetooth a isc eee eed wine en ee ee i al ia en 30 2 6 Rede Digital com Integra o de ServiGOS eee eeeceeeceeeenneeeeeereeeeeneeeeeeenaeeeseeaeesenneeeeseneeeseeeaas 31 2 7 Rede Digital com Integra o de Servi os de Banda Larga rea 32 TECNOLOGIAS DE COMUNICA O PARA SISTEMAS DE CONTROLO ii iiereeeneaereaeeeeeseereareanenaa 35 3 1 Redes de Area Local tatas escalate Saque asia des e Le Ses e a eai 36 S01 Normas EEE 802 E E De DANI se EURO ROO GRITA LO La cg SE SRA a DR 36 3 1 2 Topologias deredes locals isis ccc chs ctievesscedeeiadie doce a a iaa de steed chides 37 3 1 3 M todos de acesso ao meio cee eeeeeeeeeeeeeaeeeeeneeeeeeeaeeeseeaeeesnneeeesenaeeeeeenaees 40 3 1 3 1 Com detec o de colis o CSMA CD rien 40 3 1 3 2 Sem Colis o utiliza o de token erica 42 3 1 4 1EEE 802 3 e ENEM ete euis ecseri trnu ra edhengsieeesiea umas Lean d dO L casa ad pl aneen 43 3 1 5 Compara o dos v rios padr es Ethernet ec eeeceeeeseeeeeenneeeseenaeeeseneeeenenaeeeeeeenaees 49 3 2 Barramentos de Campo t cceeesccceessegeeetedeeeressaneesusececesaucceseegecdecuersecesenssstsedecsenendnertasedscesnsconastices 49 3 2 1 CAN Controller Area Network ret eareeea aaa aa arena naarenaaaaaa 51 3 2 2 PROFIBUS Proces
79. 95 e SDS Smart Distributed System da Honeywell Hon99 e DeviceNet da Allen Bradley Roc98 A camada F sica respons vel pela transfer ncia de bits entre os diversos n s da rede definindo os requisitos de temporiza o codifica o e sincroniza o A Figura 3 6 ilustra a forma como s o ligados os v rios m dulos ao barramento CAN Consiste num par diferencial onde os diversos m dulos est o ligados em colector aberto com termina o R 1200 em ambos os extremos do barramento CAN M dulo 1 CAN M dulo 2 CAN M dulo n Figura 3 6 Interliga o el ctrica entre os diversos m dulos CAN O barramento a dois fios CAN He CAN L pode estar em um de dois estados activo estado dominante e passivo estado recessivo No estado recessivo Valor l gico 1 os n veis de tens o nas duas linhas s o aproximadamente iguais i e 2 5V No estado dominante Valor l gico 0 o n vel de tens o na linha CAN H de 3 5V enquanto o n vel de CAN L de 1 5V O receptor usa um m todo chamado Wired AND que permite a mudan a do valor l gico 1 recessivo por outro receptor para o valor l gico 0 dominante Esta caracter stica permite a confirma o das mensagens recebidas e o controlo de erros 52 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo Os bits s o codificados em NRZ NRZ Non Return to Zero e o comprimento do barramento depende do d bito bin
80. BUS Process FieldBus O protocolo PROFIBUS DIN91 uma norma Alem usada para comunica es digitais em Barramentos de Campo Esta norma foi desenvolvida pelo projecto Fieldbus parcialmente financiado pelo Minist rio Alem o de Investiga o e Tecnologia em que participaram empresas de automa o e institutos de ci ncia e tecnologia Este protocolo actualmente adoptado por centenas de fabricantes e usado em milhares de aplica es em todo o mundo Existe uma entidade PNO PROFIBUS Nutzerorganisation e V PRO94 respons vel por regular o desenvolvimento de novos produtos garantindo por um lado a abertura desta tecnologia a novos fabricantes e por outro mantendo a independente de solu es propriet rias Caracter sticas principais do protocolo PROFIBUS O protocolo PROFIBUS especifica as camadas 1 2 e 7 do modelo OSI As camadas 1 e 2 s o especificadas na norma DIN 19245 Partes 1 e 2 DIN91 A camada 2 tamb m referida como FDL FDL Fieldbus Data Link A camada 1 usa a norma de transmiss o RS 485 para interliga o com o meio f sico de transmiss o As principais caracter sticas especificadas pela camada 1 s o e Transmiss o s rie ass ncrona half duplex baseada na norma RS 485 em par entran ado twisted pair e Comprimento m ximo do barramento 1200m extens vel a 4800m dependendo do d bito de transmiss o e D bito 9 6kbit s 500kbit s e N mero m ximo de esta es ligadas
81. COMUNICA ES ss savcccciccvecssassvevececabiea sevaeedevnes vicevaceacoucbusdecssvuvesasuccecsties cuseudcevaceeeevdevueeucvbaa es 7 2 1 Rede Telef nica Anal gica e a E nana aaa E nana acanananenanaa 10 2 2 Modos de transfer ncia de informa o eee arara naarer eae anaarenaaa 10 2 2 1 Comuta o de Circuitos ira anrai i rioek ie teei idane iae 10 2 2 2 Comuta o de Pacotes nieten ii ia ia i iii a 12 2 3 Rede Telef nica Digital 5 ssi0s cossinciestoteerso A AA E ba oia a paes Sul a RSS D SER Da 13 2 3 1 Hierarquias plesi cronas 2 2 ss ssressastcergasoDasigia e Gebso dao devueecenedyeccndelecd eai Soldano Star songs indo 13 2 3 2 Hierarquia digital s ncrona cee eeeeeeceeeeeaeceeeeeeeeceaeaeeeeeeeesesenaeeeeeeeseeensaees 14 2 3 3 SONET rennarin a deves Dadas ee dines andre ean eee eee 16 2 4 Redes de Dados siaii heats DANA Aes Biden bev gas Jud AT th n dates cleanness 17 2 4 1 Normaliza o IEEE sieren deacon tyedeanetencebeagyeocneseysarbestuvereeesusoenadeaitphesuenenavhes 19 2 4 2 Protocolos TGR IP cscaz i e e Maa a Toon DO Mocca lteadssoevees Mea dia Ba nascar 20 2 5 Redes de comunica o SEM FIOS 0 0 0 eee cence ceeneeeeeeneeeeeeaeeeeeeeaeeeeneeeeeeeaeeeseeaeeesnneeeeeenaeeeeeeaas 23 Dh SN oie ESN SES E EE te ON 0 SRD ERR SAE e S E EE 23 2 5 2 UMTS ts tact ses mr Beneath nese Ate ate eb ett cals cd SD tk ot Danas ca a idee otc raheem ota
82. CS permitindo a possibilidade de serem definidos outros servi os de converg ncia espec ficos SSCS de acordo com as necessidades das aplica es O protocolo AAL 2 proporciona uma liga o ponto a ponto entre dois utilizadores e permite atrav s de seus pontos de acesso SAP a capacidade de seleccionar as QoS desejadas para o transporte das unidades de servi o CPS SDU pela liga o Os utilizadores da subcamada CPS s o as entidades SSCS ou a camada de gest o mas a opera o ponto a ponto e apesar das liga es AAL 2 serem multiplexadas e desmultiplexadas a integridade da sequ ncia dos CPS SDUs mantida para cada canal virtual As m ltiplas liga es AAL podem ser associadas a uma nica liga o da camada ATM Ao receber a primitiva da camada superior criado um pacote CPS com a informa o recebida e o identificador da entidade que o enviou O pacote CPS consiste em tr s octetos no cabe alho CPS PH seguido de um campo CPS PP O cabe alho dividido nas seguintes partes um octeto para o campo CID 6 bits para o campo LI 5 bits para o campo UUI e 5 bits para o campo HEC A Figura 3 18 ilustra a Unidade de dados do protocolo para a subcamada CPS O CID bidireccional e nico para cada liga o individual AAL 2 ou seja deve ser o mesmo nas duas extremidades O valor de LI espec fico do canal n o necessitando ser comum a todos os canais cada um pode ter o seu valor fixo por m o seu valor m xim
83. F cont m um campo de 6 bits de offset OSF ou seja localiza o inicio do pr ximo pacote CPS ou na aus ncia deste o in cio do campo PAD Al m disso o STF cont m um bit de paridade P e um n mero de sequ ncia SN que juntos formam um mecanismo b sico de controlo para detectar perdas de c lulas Como se pode observar cada pacote CPS pode ser suportado por uma ou duas c lulas ATM em que o ponto de parti o pode ocorrer em qualquer 76 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo local do pacote incluindo o cabe alho CPS PH como se pode observar no exemplo da Figura 3 20 Amo01 SSCS 25 Octetos 25 Octetos 15 Octetos 15 Octetos 25 Octetos l 48 Octetos fii 48 Octetos 48 Octetos e CPS SDU E icps Packet Header Istartrieio C Pad Field ATM SDU Cell Header Figura 3 20 Exemplo da multiplexagem de pacotes de comprimento variavel na camada AAL 2 Na Figura 3 20 observa se o uso de pacotes com tamanhos vari veis 25 e 15 octetos e como uma nica c lula pode conter mais do que um pacote Atrav s da figura fica tamb m claro que um pacote da camada superior ao ser segmentado pode prolongar se por tr s c lulas no caso de pacotes de 64 octetos Em aplica es de tempo real o controlo do tempo de atraso e sua varia o s o essenciais Este controlo efectuado atrav s da temporiza o do tempo de empacotamento garantido
84. Location Register Hypertext Markup Language Hypertext Transfer Protocol International Electrotechnical Commission Institute for Electrical and Electronics Engineers Inter Frame Gap International Mobile Telecommunications 2000 Industrial Scientific and Medical International Standards Institute Information Type International Telecommunication Unit Telecommunication Standardization Sector Interworking Function LAN LI LSB MA MAC MAN MAP TOP MCR MID MMS Modem MS MSB MSC NNI NNTP OAM OMC OSI PABX PAD PAN PC PCF PCM PCR PCS PDH PDU PDV PL PLC PLMN PM P NET POH PRM Local Area Network Length Indicator Least Significant Bit Medium Adapter Medium Access Control Metropolitan Area Network Manufacturing Automation Protocol Technical Office Protocol Minimum Cell Rate Message Identifier Manufacturing Message Specification Modulator Demodulator Mobile Station Most Significant Bit Mobile service Switching Center Network Node Interface Network News Transport Protocol Operation and Maintenance Operation and Maintenance Center Open Systems Interconnection Private Automatic Branch Exchange Padding Personal Area Network Personal Computer Point Coordination Function Pulse Coded Modulation Peak Cell Rate Personal Communications Service Plesiochronous Digital Hierarchy Protocol Data Unit Packet Delay Variation Physical Layer Programmable Logic Controller Public Land Mobile Network
85. M Forum desenvolveram esfor os durante o fim dos anos oitenta e o princ pio dos anos noventa no sentido de criar as recomenda es necess rias implementa o de uma rede universal e integradora de todos os servi os de telecomunica es definindo tamb m o modo de transfer ncia ass ncrono ATM ATM Asynchronous Transfer Mode As sec es seguintes descrevem as caracter sticas principais de redes de telecomunica es existentes A abordagem n o pretende ser muito exaustiva limitando se apenas a apresentar as caracter sticas mais importantes dando uma perspectiva hist rica por um lado e permitir Capitulo 2 por outro a compreens o e enquadramento do trabalho desenvolvido Al m disso algumas destas tecnologias poder o ser usadas no sistema apresentado em liga es ponto a ponto onde n o seja poss vel interligar os dispositivos atrav s dos meios de comunica o convencionais 2 1 Rede Telef nica Anal gica As primeiras redes p blicas de telecomunica es caracterizavam se pelo uso de tecnologia totalmente anal gica quer ao n vel da transmiss o quer ao n vel da comuta o Nesta fase de desenvolvimento o servi o essencial era o telef nico existindo paralelamente o servi o de telex e posteriormente a transmiss o de dados na pr pria rede telef nica recorrendo ao uso de Modems nos pontos de acesso rede Muito embora a evolu o tecnol gica aponte no sentido do uso das t cnicas dig
86. Mode o atraso pode ser provocado pelos seguintes factores e Tempo de Empacotamento ou tempo de constru o de uma c lula Tempo necess rio ao preenchimento completo de uma c lula antes de ser transmitida Por exemplo no caso de canais de voz de 64kbit s codificados em PCM PCM Pulse Code Modulation o tempo necess rio ao preenchimento do campo de informa o de uma c lula ATM 48 octetos de ms e Tempo de desempacotamento buffering delay Por vezes devido aos atrasos ao longo dos varios n s da rede algumas c lulas chegam ao destino para l de um tempo determinado deadline Quando isso acontece a subcamada SAR SAR Segmentation And Reassembling da camada AAL AAL ATM Adaptation Layer tem de lidar com a falta de informa o para processar o que resulta em falhas na conversa o no caso de servi os de voz Como forma de evitar este fen meno a subcamada SAR pode implementar um mecanismo que consiste em acumular informa o numa mem ria antes de iniciar o processo de reconstru o das amostras de voz Para evitar a ocorr ncia do esvaziamento dessa mem ria o seu tamanho poder ser tal que provoque um atraso superior ao adequado Neste caso o tamanho da mem ria tem implica es directas no atraso o que implica um controlo do par metro CDV CDV Cell Delay Variation numa rede ATM de forma a reduzir ao m ximo este factor 105 Capitulo 4 e Tempo de codifica o Tempo gasto no processamento
87. N A eis AV Universidade do Minho Escola de Engenharia Jos Manuel Tavares Vieira Cabral Uma Arquitectura para Adapta o de Tr fego de Baixo D bito em Aplica es de Controlo Tese submetida Universidade do Minho para a obten o do grau de Doutor em Engenharia Electr nica Industrial Trabalho efectuado sob a orienta o de Professor Doutor Joaquim Jos dos Santos E Neves Departamento de Electr nica Industrial da Escola de Engenharia da Universidade do Minho Professor Doutor Jos Ant nio Ruela Sim es Fernandes Departamento de Engenharia Electrot cnica e de Computadores da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Abril de 2005 Resumo Esta tese descreve o trabalho de investiga o efectuado sobre a adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo e inclui a proposta e an lise de uma arquitectura de um sistema que integra Adaptadores de terminal e um Concentrador interligados atrav s de uma rede de comunica o a uma Aplica o de controlo O tr fego gerado em redes de sensores e actuadores sistemas de controlo distribu do ou por sistemas de aquisi o de dados tem sido habitualmente suportado em redes espec ficas como os vulgarmente designados Barramentos de Campo de que s o exemplos o CAN e o PROFIBUS Estas tecnologias apresentam bastantes limita es principalmente em aspectos relacionados com a integra o de servi os e sistemas largura de banda e
88. PDU Deste modo o campo ST existente no AAL 3 4 n o usado Uma vez que o AAL 5 usa informa o veiculada no cabe alho da c lula ATM as opera es efectuadas contrariam em parte as directivas especificadas no PRM nos aspectos de independ ncia e modularidade das camadas No entanto esta t cnica foi adoptada devido sua simplicidade e efici ncia A subcamada de converg ncia subdividida em CPCS e SSCS As fun es implementadas na subcamada SSCS s o dependentes da aplica o e podem nem existir Uma poss vel aplica o a multiplexagem de diferentes conex es AAL de forma id ntica efectuada no AAL 3 4 usando o campo MID Na Figura 3 26 representa se a ltima unidade de dados do protocolo para a subcamada CPCS da camada de adapta o do AAL 5 A subcamada CPCS permite a transfer ncia de estruturas de dados de n vel superior de tamanho vari vel entre 1 e 65535 octetos especificado pelo campo Length O campo UU permite a transfer ncia transparente extremo a extremo de informa o entre entidades de n vel superior em cada CPCS PDU o campo CPI tem fun es id nticas s usadas no AAL 3 4 e o campo CRC usado para a detec o de erros O campo PAD usado para ajustar o comprimento do bloco de informa o ao valor de 48 octetos 3 Com a excep o da ltima CPCS PDU todas as anteriores apresentam um payload de 48 octetos de comprimento igual ao da respectiva SDU uma vez que n o adicionado qu
89. Physical Medium Process Network Path Overhead Protocol Reference Model XVII PROFIBUS Process FieldBus PSTN PT QoS RACE RDI RDIS RLP SAP SAR SBR SCR SDL SDH SDU SGSN SIM SMS SN SNP SOH SONET SPC ss SSCS SSS ST STF STM STM N STS N TC TCE TCP TDM TE2 UBR XVIII Public Switched Telephone Network Payload Type Quality of Service Research in Advanced Communications in Europe Rede Digital Integrada Rede Digital com Integra o de Servi os Received Loss Priority Service Access Point Segmentation and Reassembly Sublayer Statistical Bit Rate Sustainable Cell Rate Specification and Description Language Synchronous Digital Hierarchy Service Data Unit Serving GPRS Support Node Subscriber Identity Module Short Message Service Sequence Number Sequence Number Protection Section Overhead Synchronous Optical Network Stored Program Control Spread Spectrum Service Specific Convergence Sublayer Switching Subsystem Segment Type Start Field Synchronous Transfer Mode Synchronous Transport Module Level N Synchronous Transport Signal Level N Transmission Convergence Transcoding Equipment Transport Control Protocol Time Division Multiplexing Terminal Equipment 2 Unspecified Bit Rate UDP UE UMTS UNI USB UTRAN VBR VC VC 4 VCI VLR VP VPI WAP W CDMA WFQ WLAN WRR WWW User Datagram Protocol User Equipment Universal Mobile Telephony System User to Network Int
90. Redes de Telecomunica es existentes actualmente No cap tulo 3 ser o apresentadas e analisadas as v rias tecnologias de rede candidatas ao suporte de sistemas de controlo Em particular s o apresentadas as principais tecnologias usadas no suporte das redes industriais e identificadas as suas limita es Seguidamente apresentado o Modo de Transfer ncia Ass ncrono ATM que constitui a base tecnol gica de suporte da solu o proposta S o tamb m analisadas as tecnologias de rede de rea local nomeadamente a tecnologia Ethernet IEEE 802 3 No cap tulo 4 ser efectuado o estudo da adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo Atrav s da apresenta o de um modelo de refer ncia gen rico s o definidos crit rios de QoS para os diversos sistemas e dispositivos a suportar Seguidamente apresentado um estudo comparativo das capacidades de transmiss o e de outros par metros de QoS suportados pelas redes de telecomunica es bem como pelos principais Barramentos Introdu o de Campo para justificar a possibilidade de utiliza o das redes p blicas de telecomunica es e da tecnologia ATM como suporte do modelo proposto e sumariamente introduzido Finalmente apresentado um estudo gen rico sobre escalonamento de tr fego introduzindo os Algoritmos de escalonamento temporal especificados para a garantia da QoS na multiplexagem dos diversos fluxos de baixo d bito No cap tulo 5
91. SDUs cs PDU L Dados ND cabecatho do sar PDU Cabe alho do CS PDU ES Cauda do SAR PDU Cauda do CS PDU Ba N o usados L Octetos de Padding Figura 3 22 Modo de mensagem O modo de mensagem usado no transporte de grandes estruturas de dados enquanto que o modo de fluxo adequado transfer ncia de dados de baixo d bito com requisitos de atraso baixos HE Ad it Si L Dados NI Cabegaiho do SAR PDU Cabe alho do CS PDU ES Cauda do SAR PDU Cauda do CS PDU E N o usados L Octetos de Padding CS_PDU Figura 3 23 Modo de fluxo Para adapta o de servi os das classes C e D utilizado ao n vel da SAR a unidade de dados do protocolo indicada na Figura 3 24 Os dois primeiros octetos cabe alho do campo de informa o cont m os campos ST ST Segment Type SN SN Segment Number e MID MID Message Identifier 79 Capitulo 3 D SAR_PDU di E 2 bits 44 bytes 6 bits 4 bits 10bits 10 bits ST Segment Type i i SN Sequence Number i ie Cabe alho do _ MID Message Identifier Cauda do gt SAR_PDU LI Length Indicator SAR_PDU CRC Cyclic Redundancy Code Figura 3 24 Unidade de dados do protocolo para a subcamada SAR do AAL 3 4 O campo ST indica se a PDU que resulta da segmenta o de uma mensagem da subcamada superior CS o primeiro segmento um segmento de continua o o ltimo segmento ou um segmento nico Este mecanismo id ntico
92. Todos os recursos dispon veis na rede podem ser usados por todos os servi os o que possibilita uma ptima distribui o estat stica de recursos N o existe especializa o de recursos na rede ATM o que significa que qualquer recurso dispon vel pode ser usado por qualquer servi o 63 Capitulo 3 e Rede Universal de servi os Uma vez que s uma rede necessita de ser projectada controlada implementada e mantida os custos globais do sistema dever o ser reduzidos devido a economias de escala Estas vantagens beneficiar o todos os membros envolvidos no mundo das telecomunica es clientes operadores e fabricantes 3 3 1 Princ pios b sicos do ATM semelhan a do modelo OSI da ISO o modelo de refer ncia de protocolos PRM Protocol Reference Model descrito na Rec 1 321 do ITU T ITU91b satisfaz os princ pios da modularidade e independ ncia da tecnologia definindo os servi os e os protocolos por camadas e as respectivas primitivas de servi o O modelo de refer ncia de protocolos da RDIS BL est esquematizado na Figura 3 11 Plano de Plano de Utilizador Controlo Camadas Camadas Superiores Superiores souv d SOp 08 S91 Sepeules sep ogjsos Camada AAL 6 Camada ATM Figura 3 11 Modelo de Refer ncia de Protocolos Tal como no PRM da RDIS existem tr s planos o plano de utilizador onde efectuado o transporte da informa o a ele associado o plano de controlo que lida principalmen
93. a o em causa Por exemplo se a ac o de comando for ligar a ilumina o de uma sala o atraso n o necessita de ser baixo enquanto que se o comando for no sentido de interromper um processo de fabrico devido ocorr ncia de uma falha esse atraso dever ser o mais reduzido poss vel no sentido de reduzir os danos associados a essa falha e Dispositivos de Voz Esta aplica o consiste num servi o de voz de qualidade equivalente do servi o telef nico tradicional com d bitos de 16kbit s ou de 8kbit s de acordo respectivamente com as especifica es G 728 ITU92 ou G 729 ITU96 do ITU T Um exemplo de aplica o ser a exist ncia de um canal bidireccional de comunica o voz entre o local onde est situado o processo de controlo e o local onde se situa a aplica o de controlo Nesta aplica o o atraso 97 Capitulo 4 m ximo extremo a extremo da informa o n o dever exceder os 150ms lye97 No caso de transmiss o unidireccional o atraso poder ser bastante maior e ser fun o do tamanho dos buffers de recep o da aplica o em causa e Dispositivos de aquisi o de imagens e de v deo Existem v rios exemplos de aplica o de dispositivos de aquisi o de imagens em processos de controlo industrial Um exemplo de aplica o simples o de sistemas de capta o de imagens de baixa qualidade destinadas a aplica es de vigil ncia em que se consideram d bitos m dios na ordem dos 80
94. a 4 3 Capacidades de transmiss o e par metros de QoS suportados pelas Redes de rea Local Barramentos de Campo e pela rede p blica digital atrav s da tecnologia ATM D bito Capacidade de Tecnologias REA P Cobertura Bin rio endere amento 1500m Cabo Ethernet lt 10Mbit s lt 200us i 25km Fibra ptica PEE S02 sae lt 100Mbit s lt 120us 210m Cabo Ethernet 20km Fibra ptica i i 25m Cab Gigabit lt 1Gbit s lt 30us mi Gano Ethernet 5km Fibra ptica lt 1Mbit s 40m CAN lt 50kbit s 1km Barramentos World FIP 2 Transac es por segundo na pr tica corresponde a um valor de 76 8kbit s Tov99 3 N s por repetidor de Campo PROFIBUS lt 500kbit s co vari vel com a distancia Atrav s da observa o da Tabela 4 3 poss vel verificar a grande capacidade de transmiss o e de endere amento bem como a rea de cobertura propiciadas pela tecnologia ATM relativamente aos Barramentos de Campo 107 Capitulo 4 Estas caracter sticas permitir o superar as limita es dos Barramentos de Campo sobretudo nas aplica es de aquisi o de dados e de controlo remoto que n o exijam grandes restri es relativamente aos atrasos Em rela o as LANs o ATM tem a vantagem de permitir reas de cobertura superiores e maior flexibilidade no endere amento dos dispositivos associados s aplica es de controlo Com efeito apesar de na Tabela 4 3 as capacidades de
95. a FDDI FDDI Fiber Distributed Data Interface Figura 3 2 Topologia em anel Um exemplo duma rede local em anel a Token Ring onde a esta o que deseja transmitir deve esperar a sua vez e ent o enviar a mensagem ao anel na forma de um pacote que possui entre outras informa es o endere o fonte e destino da mensagem Quando o pacote chega ao destino os dados s o copiados para uma mem ria auxiliar local e o pacote 38 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo prossegue atrav s do anel at chegar novamente esta o de origem que respons vel por remov lo de circula o Em alguns casos cada n possui um repetidor regenerador de mensagens permitindo s redes que utilizam essa caracter stica obterem uma dist ncia superior entre cada n Em redes locais como cada n participa no processo de transmiss o de qualquer mensagem que circule na rede a fiabilidade do conjunto depende da fiabilidade de todos os n s sendo necess rio introduzir mecanismos de protec o para eliminar automaticamente do anel n s que possuam falhas de forma a que essa situa o n o afecte todo o sistema e g redes FDDI Na pr tica as redes em anel geralmente s o interligadas fisicamente na forma de uma estrela devido s melhores caracter sticas de seguran a desta topologia Topologia em barramento Numa topologia em barramento tudo que transmitido por uma esta o
96. a avaliar o comportamento dos algoritmos de escalonamento em fun o do n mero de fontes de tr fego Em aplica es de baixo d bito as fontes que existir o com mais predomin ncia s o as do tipo Sensor e Dados Deste modo ser conveniente analisar o comportamento dos algoritmos em fun o do n mero de fontes de cada um destes tipos Assim foram simuladas duas variantes deste cen rio em que a primeira se destina a avaliar o efeito do aumento do n mero de fontes do tipo Dados enquanto que a segunda avalia o efeito do aumento do n mero de fontes do tipo Sensor A Tabela 6 7 apresenta a caracteriza o das fontes de tr fego usadas no cen rio 2 Tabela 6 7 Caracter sticas de tr fego das fontes de acordo com o cen rio 2 Especifica o do atraso m ximo e classe de tr fego associada Servi o Caracter sticas D bito m dio Classe de tr fego Atraso M ximo ms Sensor d bito constante 800bit s As caracteristicas de trafego apresentadas na Tabela 6 7 mant m a coer ncia com os pressupostos apresentados na sec o 6 3 em que o par metro de Atraso Maximo associado a fonte do tipo Sensor o mesmo do usado no cen rio 1 e An lise de resultados A primeira variante deste cen rio pretende avaliar o comportamento do algoritmo medida que se v o introduzindo fontes do tipo Dados Assim partiu se de uma situa o com o mesmo n mero de fontes do tipo Sensor e Dados i e 5 de cada e posterior
97. a dever efectuar os procedimentos necess rios para garantir o suporte do servi o com o atraso pretendido Essa garantia ter de ser assegurada por duas entidades a rede e os m dulos do sistema onde efectuado escalonamento temporal No primeiro caso os par metros de QoS s o negociados e atribu dos quando estabelecida a liga o enquanto que no segundo a garantia da satisfa o do atraso assegurada pelo Adaptador de terminal e pelo Concentrador Deste modo para avaliar e dimensionar os algoritmos de escalonamento ser necess rio simular o comportamento destes tendo como entradas fontes geradoras de tr fego apropriadas Embora o objectivo deste estudo seja o de integrar o maior n mero poss vel de fontes de baixo d bito ser desej vel que o modelo proposto possa tamb m integrar outros tipos de tr fego caracter sticos de aplica es de controlo que possuem requisitos de d bito e atraso diferentes Neste sentido ser necess rio avaliar se o sistema apresenta uma boa resposta a servi os com requisitos de atraso temporal apertados suportados duma forma integrada com outros em que esses requisitos n o s o importantes mas que produzem um fluxo elevado de informa o Por exemplo consideremos o cen rio da Figura 6 6 em que se apresenta um exemplo simples onde s o suportados 3 tipos de aplica es 149 Capitulo 6 e sistema de aquisi o de imagens d bito vari vel e servi o de voz d bito const
98. a gap list foi activado Nesse caso a lista actualizada e o token enviado agora para a nova esta o inserida ou activada 59 Capitulo 3 3 2 3 Process Network P NET A P NET P NET Process Network foi projectada no inicio dos anos oitenta com o intuito de interligar PLCs e sensores actuadores inteligentes a PCs de controlo num nico barramento A rede ent o criada permitiu economizar custos relacionados com um projecto simples de f cil instala o cablagem reduzida assim como baixos custos de opera o e manuten o Ao mesmo tempo esta rede possibilita a obten o de diagn sticos em tempo real e a expans o futura mantendo a configura o j instalada A P NET transformou se numa norma em 1989 DS90 e suportada mundialmente em diversos produtos comerciais A rede P NET suportada ao n vel f sico por um par entran ado blindado baseada na norma de transmiss o s rie RS 485 O comprimento m ximo do cabo de 1200m sem uso de repetidores A transmiss o de informa o ass ncrona usando o c digo de linha NRZ Esta rede consegue suportar at 300 transac es confirmadas por segundo de 300 endere os independentes A informa o transmitida pode ser resultante quer de valores associados a vari veis de processo i e temperatura press o etc ou blocos de 32 valores bin rios independentes relacionados com informa o de estado e g start stops A rede P NET utiliza um m todo de a
99. a introdu o de regeneradores ao longo da linha de transmiss o e recupera o do sinal anal gico sem atenua o resultante do processo de digitaliza o A segunda fase consistiu na introdu o da digitaliza o ao n vel da comuta o A rede resultante tamb m conhecida como RDI RDI Rede Digital Integrada tira partido das seguintes vantagens e diminui o da complexidade das interfaces devido uniformiza o da tecnologia digital utilizada e um melhor aproveitamento de recursos uma vez que os sistemas de comuta o utilizados al m de efectuarem a comuta o espacial tal como os sistemas electromec nicos efectuam a comuta o temporal e mecanismos mais elaborados e eficientes de gest o e controlo de fluxo possibilitados pela introdu o do controlo por programa armazenado SPC Stored Program Control j utilizado em algumas redes anal gicas O sistema mais utilizado na transmiss o digital o vulgarmente conhecido por PCM Owe94 t cnica patenteada em 1939 por Alec Reeves engenheiro do ITT ITT International Telephone and Telegraph Company Os sinais anal gicos s o amostrados a uma frequ ncia de 8kHz quantificados em 256 n veis e codificados em palavras de 8 bits octetos requerendo assim canais com uma cad ncia fixa de 64kbit s Os canais s o agrupados multiplexados numa trama em intervalos temporais pr determinados sendo transmitidos e comutados nesta forma 2 3 1 Hierar
100. a s o colocados numa mem ria de acesso aleat rio RAM Random Access Memory O algoritmo atende por ordem de chegada os pacotes de classe AM em seguida os da classe D e finalmente os da classe EM e 3 abordagem Os pacotes que chegam a cada porta s o encaminhados para 3 filas de acordo com a sua classe de tr fego O algoritmo atende em primeiro lugar as filas de pacotes de classe AM em seguida os da classe D e finalmente os da classe EM 168 An lise de desempenho do sistema Qualquer uma destas abordagens maximiza a ocupa o da largura de banda uma vez que o princ pio de funcionamento do Concentrador o garante partida A 1 abordagem caracteriza se por implementar um mecanismo de prioridade baseada no tamanho dos FIFOs Embora este crit rio tivesse demonstrado um desempenho razo vel nas simula es efectuadas com os algoritmos b sicos do Adaptador de terminal sec o 6 4 1 n o d prioridade ao tr fego de classe AM e desse modo n o garante a optimiza o do atraso para estes servi os Por outro lado o c lculo da m dia deslizante introduz complexidade na implementa o deste algoritmo A 2 abordagem resolve o problema da prioridade relacionada com o tr fego de classe AM custa da introdu o de mecanismos de gest o de mem ria mais complexos Na 3 abordagem implementada uma solu o semelhante anterior em que cada pacote ao chegar a uma das portas do Concentrador encaminhad
101. a verificar a integridade das tramas recebidas seguido de um bit CRC Delimiter 1 e ACK Field composto por dois bits o ACK Slot e o ACK Delimiter 1 O primeiro enviado pelo emissor 1 e alterado pelo receptor 0 ap s a recep o da trama sem erros no campo CRC e EOF End of Frame sequ ncia fixa de 7 bits 1 O comprimento do Base Identifier alargado de 11 para 29 bits na especifica o ISO95 mantendo a compatibilidade com a especifica o original O identificador tem duas fun es sendo a primeira a de especificar o conte do de um fluxo de mensagens relacionado por exemplo a leitura remota de uma vari vel de um determinado processo e a segunda a de implementar um mecanismo de prioridades usado na resolu o das colis es O mecanismo de resolu o de colis es baseado no campo Arbitration Field e funciona da seguinte maneira quando o barramento est livre todas as esta es com informa o pendente iniciam a transmiss o Durante a transmiss o do Identifier Field se uma esta o est a transmitir um 1 e l um 0 significa que houve uma colis o com pelo menos uma mensagem de mais alta prioridade e consequentemente esta esta o suspende a transmiss o A mensagem de mais alta prioridade continua a ser transmitida sem perceber que houve 54 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo colis es e como tal
102. acotes 27 Capitulo 2 e interactiva web browsing jogos em rede acesso a bases de dados e background email SMS downloading O UMTS fornece tamb m o conceito de VHE VHE Virtual Home Environment que permite a portabilidade de servi os pessoais ao longo da rede e entre terminais e Equipamento terminal O Equipamento Terminal funciona como Esta o M vel EM e comunica atrav s do interface r dio Os v rios tipos de identificadores abaixo indicados que possui foram na maior parte retirados das especifica es GSM e nternational Mobile Subscriber Identity IMSI e Temporary Mobile Subscriber Identity TMSI e Packet Temporary Mobile Subscriber Identity P TMSI e Temporary Logical Link Identity TLLI e Mobile Station ISDN MSISDN e nternational Mobile Station Equipment Identity IMEI e International Mobile Station Equipment Identity and Software Number IMEISN A EM pode operar num dos seguintes modos e Modo CP CC A EM alocada a ambos os dom nios CP e CC sendo capaz de suportar simultaneamente servi os de ambos os dom nios e Modo CP A EM alocada s ao dom nio CP podendo apenas suportar servi os do dominio CP No entanto n o impede que servi os do tipo CS sejam oferecidos sobre o dom nio CP e g VoIP e Modo CS A EM alocada s ao dom nio CS podendo apenas suportar servi os do dominio Cs 2 5 3 IEEE 802 11 A expans o dos sistemas de comunica o se
103. adas O PCR verificado em todas as c lulas A distin o entre o SBR2 e o SBR3 feita no modo como tratam as c lulas com o CLP 0 que excedem o valor do SCR O SBR2 considera tais c lulas excedentes ao contrato e poder descart las O SBR3 altera o valor do CLP das c lulas excedent rias para CLP 1 mantendo as na rede se cumprirem o limite imposto pelo PCR 66 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo e ABR ABR Available Bit Rate Esta ATC garante uma taxa m nima de transfer ncia de c lulas MCR Minimum Cell Rate O valor do MCR seleccionado pelo utilizador pode virtualmente ser zero Dependendo do instante a rede pode disponibilizar mais capacidade de transmiss o de uma forma din mica Atrav s de c lulas de gest o de recursos resource management cells os utilizadores interrogam regularmente a rede acerca da capacidade dispon vel e s o informados no sentido de baixar ou subir o d bito de transmiss o Esta ATC adequada para o suporte de aplica es que t m a propriedade de adaptar o d bito de informa o acima do MCR capacidade oferecida pela rede e ABT ABT ATM Block Transfer As duas variantes desta ATC ABT DT Delayed Transfer e ABT IT Immediate Transfer permitem tamb m a altera o das taxas de transmiss o em fun o da flutua o da capacidade oferecida pela rede No caso do ABT a taxa permitida pela rede acordada inicialmente e garantida durante a
104. alquer cabe alho Por esta raz o este tipo de segmenta o e reuni o tamb m conhecido por AAL O 81 Capitulo 3 CPCS_PDU gt 1byte 1byte 2 bytes 4 bytes 0 40 bytes Cauda do CPCS PDU CPCS Common Part Convergence Sublayer PAD Padding CPI Common Part Indicator PDU Protocol Data Unit CRC Cyclic Redundancy Check UU CPCS User to User indication Length Length of CPCS PDU Payload Figura 3 26 Unidade de dados do protocolo para a subcamada CPCS do AAL 5 3 3 1 4 A Camada Fisica A camada Fisica esta dividida em duas subcamadas A subcamada superior chamada subcamada de Converg ncia para a Transmiss o e a camada inferior chamada subcamada do Meio F sico As fun es principais da subcamada de converg ncia para a transmiss o s o e Adapta o do fluxo de c lulas ao sistema de transmiss o usado Isto conseguido atrav s da inser o de c lulas vazias de modo a preencher a capacidade de transmiss o n o usada e Constru o do formato de trama do sistema de transmiss o usado e Processamento dos campos de controlo das tramas de n vel f sico e Inser o e remo o de c lulas ATM de e para o n vel f sico e Delimita o de c lulas e Detec o de erros atrav s da an lise do cabe alho da c lula ATM Na camada inferior subcamada do meio f sico a realiza o das suas fun es est inteiramente dependente do meio de transmiss o utilizado As fun es principais r
105. amb m definidos o canal HO constitu do por 6 canais B 384kbit s e os canais H11 e H12 respectivamente constitu dos por 24 canais B 1536kbit s e 30 canais B 1920kbit s A limita o em termos de largura de banda da RDIS be imp e restri es em rela o a quantidade e ao tipo de servi os suportados Servi os como o v deo e a transfer ncia de imagens de alta resolu o devido aos seus elevados d bitos n o poder o ser ainda suportados pela RDIS 2 7 Rede Digital com Integra o de Servi os de Banda Larga A evolu o para a RDIS de Banda Larga RDIS BL foi influenciada por v rios factores sendo o mais importante o aparecimento de um n mero elevado de servi os com requisitos diversos e por vezes ainda desconhecidos associados crescente solicita o de novos servi os pelo consumidor Cada um destes servi os exige da rede a satisfa o de requisitos muito diferentes dos exigidos s redes tradicionais o que influenciou a necessidade de cria o de uma rede Informa o Digital sem Restri es indica que o canal totalmente transparente informa o que veicula e portanto n o deve sofrer qualquer altera o na rede tais como transcodifica o supress o de sil ncios etc 32 Redes de telecomunica es universal concebida segundo princ pios diferentes e capaz de suportar este grande n mero de servi os de forma integrada A RDIS BL pretende assegurar uma integra o total d
106. ante e sistema de actua o m ltipla de dispositivos baixo d bito aleat rio e espor dico Aplica o de Controlo D D R el o 1 O D D D lt Figura 6 6 Cen rio b sico de um sistema de suporte integrado de tr s aplica es com diferentes requisitos temporais Neste caso importante verificar se o fluxo mais elevado de informa o produzido pelo sistema de aquisi o de imagens n o afecta o transporte das outras duas aplica es sem serem excedidos os tempos de atraso m ximos exigidos por cada uma delas ou seja preciso verificar se o escalonamento dos diversos fluxos efectuado de forma eficiente A escolha das diversas fontes teve em conta por um lado o cuidado de usar as mais gen ricas e de uso mais vulgar em aplica es de baixo d bito e por outro a necessidade de gerar tr fego com caracter sticas especiais e de d bito mais elevado de forma a avaliar n o s a capacidade de agrega o mas tamb m a capacidade de integra o de fluxos de caracter sticas diversas e assim conseguir efectuar o correcto dimensionamento de um sistema gen rico para o suporte de aplica es de baixo d bito Para testar o desempenho dos v rios algoritmos foram usados quatro tipos de fontes de tr fego a saber e Voz 16kbit s d bito constante e Sensor de temperatura press o ou humidade 800bit s d bito constante e Dados 16kbit s d bito var
107. ao barramento 127 activas e passivas e Codifica o bin ria NRZ Os dispositivos ligados ao barramento podem ser mestres masters ou escravos slaves O acesso ao meio realizado atrav s de dois m todos comunica o mestre escravo e anel l gico de passagem de token token passing entre os mestres Toda comunica o inicializada por um mestre os escravos apenas respondem a requisi es dos mestres s o elementos passivos Este mecanismo ilustrado na Figura 3 9 56 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo lt 1 anel l gico virtual de circula o do token W gt a Esta es Mestre gt Sensor ja Esta es Escravas gt Figura 3 9 M todo de passagem do token e comunica o Mestre Escravo num barramento PROFIBUS A comunica o entre esta es mestres e suas esta es escravas associadas efectuada do seguinte modo a esta o mestre que det m a posse do token durante um certo intervalo de tempo tem o direito de comunicar com as suas esta es escravas i e sensores actuadores etc assim como passar o token para a esta o mestre seguinte Este m todo permite tamb m a inser o ou remo o de novas esta es mestres e escravas a detec o de esta es desligadas ou em falha e a detec o de erros de transmiss o endere amento e de passagem do token e g tokens m ltiplos tokens perdidos O PROFIBUS suporta quatro tipo de s
108. apenas poss vel implementar mecanismos de prioridade que permitam que o tr fego de classe AM seja atendido duma forma priorit ria em rela o ao das outras classes Deste modo o desempenho dos diversos algoritmos ser avaliado baseado na quantifica o do atraso m ximo que este m dulo introduz a servi os de classe AM No caso do n vel de concentra o ser elevado ou seja quando a soma dos fluxos m dios de entrada superior capacidade de sa da o escalonador ter de rejeitar pacotes de classe EM de forma a poder satisfazer os restantes requisitos Finalmente de referir que ao contr rio do Adaptador de terminal o Concentrador n o introduz overhead informa o recebida uma vez que os pacotes CPS de entrada provenientes de cada Adaptador de terminal j cont m toda a informa o nos respectivos cabe alhos acerca da fonte e do Adaptador de terminal de onde s o provenientes e como tal n o necess rio adicionar nem manipular nenhuma desta informa o 146 An lise de desempenho do sistema e Geradores de pacotes CPS Para simular o comportamento do Concentrador recorreu se a um mecanismo artificial de gera o de pacotes CPS aplicado a cada uma das portas de entrada No sistema proposto o n mero m ximo de portas de 8 i e s o usados os 3 primeiros bits do campo UUI que corresponde a tr fego gerado por 8 Adaptadores de terminal A Figura 6 4 ilustra o mecanismo de gera o de pacotes CPS
109. aplica es DCCS Assim nas sec es seguintes ser o apresentadas as caracter sticas principais dos protocolos CAN e PROFIBUS e duma forma mais resumida os protocolos P NET e WorldFIP 3 2 1 CAN Controller Area Network O protocolo CAN foi desenvolvido pela Bosch ISO93 com o intuito original de resolver as necessidades de interliga o dos v rios dispositivos electr nicos existentes em ve culos autom veis e assim reduzir a quantidade de cablagem associada suportado atrav s de um barramento s rie broadcast bus onde s o ligados os diversos controladores O CAN foi normalizado pela ISO em 1993 e existe implementado em larga escala em diversos produtos comerciais Comparando os requisitos gerais das Redes Industriais com os deste protocolo identificam se um grande n mero de caracter sticas que o tornam adequado a aplica es industriais de entre as quais se destacam e o baixo custo e a imunidade ao ru do em ambientes el ctricos hostis e o suporte de aplica es de tempo real e a sua f cil configura o 51 Capitulo 3 Caracteristicas principais do protocolo CAN A estrutura de protocolos de acordo com o Modelo OSI define apenas parte das camadas F sica e de Liga o de Dados Ao nivel da camada de Aplica o existem varias solu es implementadas embora tamb m possam existir solu es propriet rias de que se destacam e CAL CAL CAN Application Layer da CiA CAN in Automation CiA
110. ar um algoritmo que garanta a satisfa o dos requisitos de atraso dos diversos fluxos que se apresentam entrada maximizando ao mesmo tempo a ocupa o da largura de banda dispon vel A segunda fase efectuada no Concentrador onde ser necess rio implementar um mecanismo de escalonamento que permita optimizar a agrega o de tr fego proveniente de diversos Adaptadores de terminal garantindo tamb m a satisfa o dos requisitos temporais impostos pelos diversos fluxos individuais No sentido de avaliar o desempenho do sistema ser necess rio implementar mecanismos que permitam testar o comportamento dos v rios algoritmos de escalonamento propostos Para tal ser necess rio desenvolver um sistema que permita testar e avaliar duma forma quantitativa as diversas solu es apresentadas O sistema de testes apresentado neste cap tulo consiste num conjunto de modelos simplificados dos m dulos apresentados no cap tulo 5 mas que no entanto possuem as caracter sticas necess rias obten o dos resultados essenciais para a avalia o dos diversos algoritmos Para a avalia o dos algoritmos definida uma configura o de refer ncia que permite identificar as diversas componentes que contribuem para o atraso total da informa o ao longo dos v rios tro os do sistema Deste modo ser poss vel atribuir a cada m dulo uma parcela desse atraso que permitir avaliar individualmente o desempenho dos algoritmos de esca
111. aracter sticas gerais de uma liga o Por exemplo se a capacidade de transmiss o est permanentemente dispon vel e que ac es devem ser tomadas no caso de a taxa de envio de c lulas ser excedida pela fonte O ITU T SG 13 especifica sete ATCs cujas caracter sticas principais s o descritas a seguir e DBR DBR Deterministic Bit Rate Caracteriza se por garantir um valor de pico PCR Peak Cell Rate disponivel continuamente transferido com uma QoS especificada As aplica es que geram tr fego de d bito constante devem optar por este tipo de ATC As aplica es que geram tr fego de d bito vari vel poder o tamb m optar igualmente por esta ATC e SBR SBR Statistical Bit Rate SBR1 SBR2 e SBR3 formam uma familia de ATCs similares Todas elas garantem uma taxa de c lulas sustentada SCR Sustainable Cell Rate uma esp cie de taxa m dia de longo prazo Adicionalmente permitem a ocorr ncia de bursts de tamanho negociavel a uma taxa mais elevada com limite maximo imposto pelo PCR respeitando o SCR As aplica es que geram tr fego de d bito vari vel e que produzem bursts limitados encontram nesta ATC um mecanismo de transfer ncia de informa o adequado O SBR1 verifica se os par metros est o de acordo com os valores pr estabelecidos O SBR2 e SBR3 baseiam se na indica o dada pelo CLP em cada c lula O SCR verificado apenas em c lulas com CLP O c lulas com menor prioridade em serem descart
112. art Field O cabe alho composto por 3 campos A seguir recordado o significado de cada um deles de acordo com a recomenda o 1 363 2 ITU97b OSF Representa o valor bin rio do offset medido em octetos desde o fim do STF at ao in cio de um pacote CPS ou na aus ncia deste ao in cio do campo PAD O valor 47 indica que n o existe nenhum in cio de pacote CPS dentro do ATM SDU SN Implementa um mecanismo de numera o m dulo 2 da sequ ncia de ATM_SDUs P Bit de paridade Para detectar erros no STF verifica se a paridade deste mpar Seguidamente descrito o procedimento simplificado para a extrac o dos pacotes CPS do fluxo de c lulas ATM ATM_SDUs de acordo com os diagramas SDL da recomenda o 1 363 2 ITU97b 1 Espera a chegada de um ATM SDU 2 Na chegada de um pacote ATM SDU extra do o cabe alho Guarda os valores dos campos OSF SN e P 3 Se Pe SN n o forem verificados todo o pacote descartado assim como os octetos pendentes do pacote CPS anterior recebido 4 Se o valor do offset for diferente de O agrupa os octetos at ao valor do offset aos octetos do pacote CPS pendente Coloca o pacote CPS na fila de pacotes CPS 5 Se ainda sobrarem octetos verificado o valor do CID Se for 0 ent o os octetos correspondem a padding e s o descartados O algoritmo salta para o ponto 1 Se n o existir mais informa o salta igualmente para o ponto 1 126 Especifica
113. bela de resultados podemos observar o seguinte 162 An lise de desempenho do sistema 1 O algoritmo apresenta uma boa resposta aos servi os de classe AM conforme se pretendia aquando o seu dimensionamento 2 A satisfa o dos requisitos de atraso para servi os de muito baixo d bito quando multiplexados com outros de d bitos de ordem de grandeza superior garantida partida o atraso praticamente igual ao valor do Loopclock 3 Os pacotes CPS correspondentes aos servi os S2 e S4 t m um tamanho bastante pequeno i e entre 1 a 10 octetos Este facto deve se necessidade de escalonar as filas correspondentes de modo a poder cumprir o valor do par metro AM 4 O servi o que imp e mais restri es ao sistema o S1 porque o servi o de classe AM com maior peso 14 17 5 Como era pretendido verifica se que o servi o S1 tamb m o que imp e mais prioridade ao escalonador de forma a tentar cumprir o atraso m ximo pretendido Isso observado atrav s do tamanho de F1 que dentro da gama de valores apresentada na tabela constante 100 octetos Ao n o haver acumula o de informa o no FIFO significa que para esta gama de valores o valor do atraso est relacionado directamente com o valor do Loopclock como ilustra a Figura 6 16 15 T j aa 4 Atraso Maximo para o Servico S1 ms q T
114. ceando os objectivos de evitar doen as manter o desenvolvimento da cultura e minimizar o consumo energ tico Mor00 e de diagn stico de doen as em abelhas McC93 Os exemplos apresentados atr s caracterizam se em geral por recolherem informa o em diversos locais onde ocorrem diversos fen menos que s o traduzidos em grandezas mensur veis e g tens o e corrente el ctrica A informa o convertida para formato digital de forma a ser processada e enviada atrav s de uma rede de comunica o A Figura 4 2 ilustra um cen rio gen rico onde os exemplos anteriores se podem incluir 94 Adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo Fen meno a controlar Fen meno a controlar Unidade Unidade de de Interfuncionamento Interfuncionamento N cleo de Controlo Unidade Unidade de de Interfuncionamento Interfuncionamento Fen meno a controlar Fen meno a controlar Figura 4 2 Cen rio gen rico de suporte a aplica es de controlo O cen rio gen rico apresentado na Figura 4 2 caracteriza se pela exist ncia de um n cleo central de controlo que necessita de recolher e enviar informa o de e para os dispositivos associados ao fen meno envolvido numa dada aplica o A informa o recolhida numa unidade central que se encarregar de processar a informa o recebida Uma aplica o de controlo poder limitar se a informar o observador acerca do fe
115. cesso ao meio MAC semelhante ao descrito na norma PROFIBUS A esta o mestre na posse do token envia pedidos sua esta o escrava que retorna uma resposta imediata Quando a esta o mestre termina o acesso ao meio envia o token para a esta o mestre seguinte A passagem do token entre esta es mestres c clica e limitada temporalmente A P NET n o permite a exist ncia de categorias ou classes de servi o diferenciadas Todos os dispositivos s o semelhantes nas suas interfaces de comunica o o que minimiza os tempos de projecto e configura o O tempo de configura o de cada n tamb m substancialmente reduzido uma vez que apenas efectuado em cada esta o mestre a configura o do endere o e um conjunto de configura es adicionais igual ao n mero de esta es mestre 3 2 4 Factory Instrumentation Protocol FIP O protocolo FIP FIP Factory Instrumentation Protocol foi desenvolvido por um grupo de utilizadores fabricantes e investigadores franceses com o intuito de interligar sensores e ou 60 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo actuadores No fim da d cada de oitenta tornou se uma norma francesa NF 89 que especifica as camadas F sica Liga o de dados e Aplica o do Modelo OSI Permite a interliga o desde simples sensores e actuadores a sensores e ou actuadores inteligentes podendo ser usada ainda para a interliga o de controladores de baixo n vel Do
116. cotes era sincronizada por um rel gio onde as esta es s transmitiam em instantes bem definidos O resultado desta altera o fez com que as colis es s ocorressem no in cio das transmiss es e n o durante o tempo de transmiss o da informa o A efici ncia aumentou aproximadamente para o dobro cerca de 37 Posteriormente baseando se nesta t cnica Robert Metcalfe introduziu em 1972 nos laborat rios da Xerox uma rede onde todas as esta es partilhavam o mesmo meio f sico de transmiss o cabo coaxial a uma taxa de transmiss o de 2 94Mbit s A esta rede foi dado o nome de Ethernet de modo a fazer a analogia ao ter que se acreditava que era o meio que preenchia o Universo e o espa o entre os corpos celestes onde se propagavam as ondas electromagn ticas pelo espa o da mesma forma que a rede Ethernet seria o meio que transportaria a informa o entre todas as esta es Desde ent o t m sido desenvolvidas diversas tecnologias tendo sido algumas delas normalizadas e bastante utilizadas actualmente em redes de comunica o No caso particular das LANs o IEEE IEEE Institute for Electrical and Electronics Engineers teve um papel preponderante na defini o e normaliza o das tecnologias relacionadas com estas redes A Tabela 2 4 apresenta alguns grupos de trabalho respons veis pela normaliza o dessas tecnologias algumas das quais est o a ser discutidas e outras foram j normalizadas IEEE 99
117. da informa o seja flex vel de forma a adaptar se s necessidades da aplica o quer em termos de custos quer em termos de opera o e manuten o 4 1 2 Tipos de dispositivos a interligar A sec o anterior apresentou alguns exemplos de aplica es de controlo industrial em diversas reas de interven o Importa agora identificar os dispositivos terminais e suas principais caracter sticas de forma a poder sistematizar a an lise do problema e assim poder definir a arquitectura do sistema e os crit rios de QoS necess rios para o seu dimensionamento selec o da tecnologia de suporte e an lise de desempenho Eis alguns exemplos de sistemas concretos ou seus componentes que podem ser integrados numa aplica o de controlo e Sensores de temperatura Estes sensores est o normalmente ligados em placas de aquisi o de dados ou em m dulos que produzem informa o sob a forma digital No caso de aplica es relacionadas com a monitoriza o da temperatura ambiente a grandeza a medir varia lentamente enquanto que em processos onde existem fontes de calor artificiais a varia o pode ocorrer mais rapidamente Os per odos de aquisi o de sinais desta natureza podem variar desde alguns d cimos de segundo por exemplo em m quinas de secagem de produtos t xteis Ari02 at alguns minutos por exemplo em esta es meteorol gicas Aud05 96 Adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de control
118. das a seguir e Elevada capacidade de endere amento de dispositivos associados Aplica o de controlo e Estrutura de multiplexagem flex vel e eficiente para o transporte da informa o dos diversos servi os e Garantia de QoS da liga o estabelecida Nas sec es seguintes ser apresentada a solu o para o problema tendo como base a tecnologia ATM para o suporte da infra estrutura de comunica o do sistema proposto 4 3 Solu o do problema A grande quantidade de sensores e ou actuadores que poder o integrar alguns sistemas de aquisi o de dados e controlo obriga defini o de uma arquitectura que suporte a sua interliga o maximize a efici ncia de transmiss o da rede e garanta a QoS requerida pelos servi os a suportar Por outro lado desej vel do ponto de vista econ mico que os sistemas de suporte destas aplica es possam integrar outros servi os de telecomunica es Estes quatro requisitos apontam para a resolu o de quatro problemas fundamentais e Capacidade de endere amento para identificar um elevado n mero de dispositivos e Estrutura da agrega o e multiplexagem para suportar aplica es em reas de grande dispers o geogr fica e Algoritmos de escalonamento para garantir a satisfa o da QoS associada a cada servi o e Integra o de outros servi os para permitir utiliza o de recursos eventualmente existentes bem como a expans o de funcionalidades do sistema
119. de ATM ATM Asynchronous Transfer Mode ou ent o ter de ter a capacidade de transportar de uma forma transparente c lulas ATM Como foi referido no cap tulo 3 a tecnologia ATM foi desenvolvida baseada no pressuposto de ser independente do sistema de transmiss o e do meio de transmiss o utilizados e como tal se adaptar a qualquer tecnologia O Adaptador de terminal e o Concentrador s o m dulos que permitem optimizar a ocupa o da largura de banda dispon vel para a agrega o dos fluxos de baixo d bito proveniente dos servi os a suportar Essa agrega o poder ser integrada com outro tipo de tr fego proveniente de outro tipo de servi os que permitir optimizar ainda mais a efici ncia de transmiss o Estes m dulos permitem tamb m garantir o transporte de servi os com requisitos de atraso apertados atrav s do dimensionamento de algoritmos de escalonamento apropriados Assim neste cap tulo s o apresentadas as especifica es funcionais do Adaptador de terminal e do Concentrador assim como os requisitos fundamentais para o desenvolvimento da Aplica o de controlo Capitulo 5 5 1 Arquitectura geral do sistema proposto No capitulo 4 foram apresentados os pressupostos que deram origem a especificagao desta configura o e foi introduzida a sua arquitectura Como foi ilustrado na Figura 4 4 o sistema proposto consiste numa estrutura modular suportada por dois blocos fundamentais e Adaptador de term
120. de Doutoramento Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Julho de 1999 Turner J S Wyatt L F A packet network architecture for Integrated Services Globecom 83 San Diego Novembro de 1983 Ver ssimo P Rufino J Ming L How hard real time communication on field buses Digest of Papers of the 27th IEEE International Symposium on Fault Tolerant Computing Systems Seatle Washington USA Julho de 1997 Walke B Mobile Radio Networks Networking and Protocols J Wiley 1999 Willig A Investigations on MAC and Link Layer for a wireless PROFIBUS over IEEE 802 11 Tese de Doutoramento Technical University of Berlin School of Electrical Engineering and Computer Sciences Maio de 2002 Winstanley S B Quality of Service over ATM Networks Tese de Doutoramento Department of Electronic Engineering Queen Mary and Westfield College University of London 1998
121. de algoritmos de compress o na codifica o de um sinal anal gico em formato digital A qualidade de um servi o de v deo obtida atrav s de par metros relacionados com a taxa de tramas resolu o tamanho da imagem algoritmo de compress o e o m todo de codifica o Lap95 As medidas principais de desempenho na transmiss o deste servi o s o e Lat ncia atraso verificado entre a fonte de v deo e o dispositivo de visualiza o final e Jitter variabilidade do par metro anterior entre transmiss es sucessivas e Largura de Banda recursos de rede necess rios ao suporte da transmiss o Os limites fixados para estes par metros variam conforme a aplica o Por exemplo a Lat ncia um par metro importante no caso da transmiss o em tempo real de aplica es de v deo uma vez que atrasos superiores a 300ms podem ser facilmente percept veis durante comunica es interactivas No entanto em aplica es de streaming o Jitter o principal problema e Varia o do atraso entre pacotes Packet Delay Variation PDV A varia o do atraso entre pacotes PDV PDV Packet Delay Variation numa rede ATM quando se usa o protocolo AAL 2 medida entre a submiss o de um pacote CPS na unidade de interfuncionamento IWF IWF Interworking Function e a recep o desse mesmo pacote pela sua semelhante na recep o As causas da varia o do PDV s o e Disciplina de escalonamento da informa o provenie
122. do Sem equival ncia ABT ABR ABR As Categorias de Servi o do ATM Forum ATM99b especificam caracter sticas de tr fego e requisitos de QoS relacionados com o comportamento da rede da mesma forma que as ATCs e Classes de Servi o do ITU T SG13 No entanto as Categorias de Servi o s o caracterizadas 68 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo em tr fego de tempo real CBR e rt VBR e sem tempo real nrt VBR UBR e ABR No ITU T a caracter stica de tempo real est inclu da na Classe de Servi o e n o na especifica o da ATC As Categorias de Servi o do ATM Forum permitem o uso das Classes de Servi o do ITU T ITU96f embora favore am a negocia o de v rios par metros chave de QoS tais como o valor pico a pico do CDV CDV Cell Delay Variation o valor m ximo do CTD CTD Cell Transfer Delay o CLR CLR Cell Loss Ratio entre outros definidos durante o estabelecimento de chamada Embora a negocia o de par metros de QoS permita uma maior flexibilidade ao utilizador e rede provoca um aumento substancial na complexidade dos procedimentos de estabelecimento de chamada 3 3 1 2 A Camada ATM Em ATM a estrutura b sica das redes temporais s ncronas mantida sendo transportado um bloco de informa o de dimens o fixa em cada intervalo de tempo slot A este bloco de informa o chama se c lula As c lulas s o transportadas na rede com base numa etiqueta label
123. do nesta tese com o apresentado em Afo04 180 Afo04 Alm96 Alm97 Alm98 Alm02 Amo01 Ant00 Ari02 Bibliogratia Afonso J A Acesso Local sem Fios em Redes de Comunica o Escalonamento de Tr fego de Tempo Real em Sistemas de Aquisi o de Dados e Controlo Tese de Doutoramento Universidade do Minho 2004 Almesberger W Linux ATM device driver interface Draft version 0 1 Laboratoire de R seaux de Communication LRC EPFL CH 1015 Lausanne Sui a Fevereiro de 1996 Almesberger W ATM on Linux The 3rd year Proceedings of 4th International Linux Kongress Laboratoire de R seaux de Communication at EPFL cole Polytechnique F d rale de Lausanne Su a Mar o de 1997 Almesberger W Boudec J Oechslin P Arequipa Using TCP IP over ATM with quality of service is simple if you have ATM end to end Networking and Information Systems Journal Volume 1 Number 4 5 1998 pp 469 493 HERMES Science Publications Paris 1998 Almeida J N High Speed Wireless Mobile LAN Communications Improved Error Control Mechanisms for Real Time Services Tese de Doutoramento Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Junho de 2002 Amorim D Rochol J Avalia o de Desempenho do Protocolo de Adapta o ATM tipo 2 AAL 2 Proceedeings da XXVII Confer ncia Latino Americana de Inform tica CLEI2001 Universidad de Los Ande
124. do o cen rio de simula o 1 uma vez que o que interessa avaliar nestes casos o funcionamento b sico das diversas fun es envolvidas no escalonamento da informa o Deste modo o cen rio 1 permitir carregar o sistema de forma a retirar informa es mais importantes do que o cen rio 2 uma vez que constitu do por um conjunto de fontes de tr fego com caracter sticas mais diversificadas em termos de d bito e requisitos de atraso Para cada algoritmo foram efectuadas simula es para diferentes valores do Loopclock Como foi referido e se verificar a seguir o valor deste par metro influencia directamente a efici ncia de multiplexagem e inversamente o atraso no escalonamento da informa o Nos par grafos seguintes s o analisados os resultados obtidos para cada um dos algoritmos descritos acima As quatro primeiras figuras representam a varia o do atraso de escalonamento em fun o do Loopclock 155 Capitulo 6 Algoritmo 1 Algoritmo 1 1200 sw owp w oseny 2 5 0 5 25 0 5 Loopclock ms Loopclock ms Algoritmo 1 Atraso Maximo e M dio em fun o do Loopclock Figura 6 9 Algoritmo 2 Algoritmo 2 t l e t 800 I 200 Emas ge epsona george geese POD A E RA SA OR SENEN 2 5 0 5 0 5 Loopclock ms Loopclock ms Figura 6 10 Algoritmo 2 Atraso M ximo e M dio em fun o do Loopclock A
125. do pacote CPS com um n mero de octetos igual ao valor m ximo Finalmente a terceira situa o ocorre quando no FIFO existem mais octetos do que aqueles que o escalonador consegue ler Neste caso os octetos que n o foram lidos ficar o em espera at o algoritmo decidir atender novamente essa fila A leitura dos octetos dos FIFOs sincronizada por um rel gio designado por Loopclock que derivado do rel gio do sistema operativo e fornecido pelo bloco Temporizador A frequ ncia do Loopclock um par metro muito importante que afecta directamente a efici ncia de multiplexagem e ao mesmo tempo garante o cumprimento dos atrasos m ximos dos fluxos que atravessam o Adaptador de terminal Deste modo o valor da frequ ncia do Loopciock sera um dos par metros a avaliar na simula o dos diversos algoritmos apresentados Este valor ser limitado inferiormente pelo princ pio de que o d bito da soma dos fluxos m dios que entram no Adaptador de terminal tem de ser inferior ao d bito do fluxo agregado uma vez que s o adicionados cabe alhos aos pacotes resultantes e o d bito instant neo pode ser superior ao d bito m dio burstiness 139 Capitulo 6 gt J lt fLoopclock 6 1 i Por outro lado se a frequ ncia do rel gio tiver um valor muito elevado relativamente soma do valor m dio dos d bitos de entrada a efici ncia de multiplexagem sera baixa Assim a escolha da frequ ncia do Loopclock ser feita atrav
126. dos de inactividade durante intervalos de tempo relativamente longos bursts o que recomenda uma partilha de recursos din mica no tempo dos diversos utilizadores da rede A informa o dos utilizadores encapsulada em pacotes de comprimento fixo ou vari vel Estes pacotes possuem campos dedicados com fun es de encaminhamento controlo de erro e controlo de fluxo Os pacotes s o enviados pela rede de uma forma aut noma Em cada n os pacotes s o armazenados e transmitidos para o n seguinte quando existirem recursos de transmiss o dispon veis A necessidade de definir protocolos de acesso ao meio de transmiss o interfaces e mecanismos de gest o comuns levou cria o do Modelo de Refer ncia de Sistemas Abertos Modelo OSI OSI Open Systems Interconnection da ISO ISO International Standards Institute O Modelo OSI descreve o processo de comunica o segundo um modelo hier rquico estruturado em sete camadas Cada camada executa fun es independentemente das outras passando informa o para a camada inferior ou superior As sete camadas s o e Camada 1 F sica e Camada 2 Liga o de dados e Camada 3 Rede e Camada 4 Transporte e Camada 5 Sess o e Camada 6 Apresenta o e Camada 7 Aplica o As tr s primeiras camadas executam fun es relacionadas com o transporte de informa o atrav s da rede enquanto que as restantes quatro efectuam fun es extremo a extremo dependentes do
127. dos para transmitir deve responder com um pacote NULL que n o cont m dados No caso do master n o ter dados para transmitir num slot mpar deve transmitir um pacote de POLL que tamb m n o cont m dados de modo a dar a algum slave a oportunidade de transmitir As redes Bluetooth s o orientadas liga o ou seja antes de enviar dados para um dispositivo Bluetooth deve ser estabelecida uma liga o Isto permite ao master reservar slots para cada slave dependendo das necessidades explicitadas pelo dispositivo ou aplica o e da largura de banda j reservada para as outras liga es 2 6 Rede Digital com Integra o de Servi os A Rede Digital com Integra o de Servi os RDIS baseia se na transmiss o e comuta o digitais e caracteriza se por possibilitar aos utilizadores um acesso integrado aos diversos servi os e redes actualmente existentes atrav s de interfaces normalizadas fisicamente suportadas numa nica linha digital Nun92 O utilizador poder assim atrav s de uma nica linha de assinante ter acesso a um conjunto diversificado de servi os sob a forma de dados texto e imagem com uma caracter stica fundamental todos estes tipos de informa o poderem ser digitalizados Com a digitaliza o da linha local do assinante os utilizadores passaram a ter acesso a canais digitais de d bito muito superior aos permitidos pelas redes anal gicas abrindo caminho utiliza o de um grande n mer
128. e de propaga o pr xima da velocidade da luz 300 000km s Quando se utilizam cabos as velocidades de propaga o s o inferiores A fibra ptica monomodo permite atingir 70 da velocidade da luz ou seja cerca de 210 000km s A velocidade de propaga o nos cabos de cobre situa se entre 40 a 60 da velocidade da luz i e entre 120 000km s a 180 000km s Ao percorrer uma distancia d o atraso de propaga o ser de Tp d v 4 3 103 Capitulo 4 Esta express o v lida para dois n s que se encontrem directamente ligados ao mesmo meio f sico o que na pr tica nem sempre acontece Quando o sinal passa por diversos meios f sicos ser necess rio contabilizar os atrasos em cada um deles Al m dos atrasos de propaga o nos meios f sicos t m de ser tamb m considerados os atrasos em outros equipamentos activos da rede e g bridges comutadores routers O tempo de transmiss o de um pacote T depende do seu comprimento L em bits e da taxa de transmiss o nominal R em bit s Tr L R 4 4 Define se atraso de propaga o normalizado como sendo a raz o entre o atraso de propaga o e o tempo de transmiss o a To T 4 5 As LANs LAN Local Area Network s o um exemplo t pico da import ncia deste par metro sendo neste caso obrigat rio que a lt 0 5 4 6 Numa LAN os tempos de atraso s o pequenos porque as dist ncias s o curtas No entanto preciso notar que nas LANs que as taxas de t
129. e imagem Uma vez que o transporte de informa o na RDIS baseado em canais de d bito fixo os recursos da rede ser o usados de uma forma ineficiente j que o d bito necess rio para transmitir determinado servi o ser no futuro cada vez mais reduzido para al m de alguns servi os poderem gerar tr fego de d bito vari vel VBR Variable Bit Rate Assim as redes de telecomunica es actuais dever o possuir os seguintes requisitos e Flexibilidade e capacidade de evolu o Os avan os no estado da arte dos algoritmos de codifica o e da tecnologia VLSI VLSI Very Large Scale Integration poder o reduzir a largura de banda necess ria ao transporte dos servi os existentes Uma rede capaz de transportar todo o tipo de servi os ser tamb m capaz de se adaptar s novas necessidades que se lhe apresentar o e Uso eficiente dos recursos dispon veis Os recursos da rede poder o ser partilhados por todos os servi os de modo a obter uma ptima partilha estat stica de recursos e Baixos custos Uma vez que s uma rede necessita de ser projectada implementada explorada e mantida os custos globais ser o naturalmente reduzidos Este factor permitir a cria o de standards universais atrair novos mercados e suscitar o interesse dos fabricantes A Uni o Internacional de Telecomunica es ITU International Telecommunication Union o ETSI ETSI European Telecommunications Standards Institute e o AT
130. e informa o da c lula SN Sequence Number composto por um campo utilizado para a inser o de um n mero de sequ ncia SC SC Sequence Count e de um bit CSI CSI Convergence Sublayer Indication utilizado para veicular informa o da subcamada CS O campo SN protegido pelo campo SNP SNP Sequence Number Protection baseado no polin mio gerador G x x x 1 com um bit extra de paridade EPB A exist ncia do campo SC permite detectar na recep o se houve c lulas perdidas ou mal inseridas durante a transmiss o Os restantes 47 octetos transportam a informa o da subcamada superior CS ao n vel da subcamada CS que os diversos servi os da Classe A s o adaptados Para alguns servi os espec ficos a subcamada CS suporta algumas fun es especiais tais como e correc o de erros ao n vel do campo de informa o Este processo pode ser combinado com um m todo em que os bits s o entrela ados antes de serem colocados nas c lulas e recupera o de rel gio na recep o baseada na sequ ncia de chegada de c lulas Esta t cnica pode ser efectuada atrav s do seguimento do n vel de enchimento do buffer de recep o AAL Tipo 2 As redes celulares transmitem a informa o de voz comprimida em vez de circuitos PCM de 64kbit s de modo a economizarem largura de banda Al m disso o d bito tamb m vari vel devido supress o de sil ncios motivados pela economia de pot ncia das baterias dos dispo
131. e o aumento do numero de fontes do tipo Dados melhora o desempenho do algoritmo uma vez que aumenta o tamanho m dio dos pacotes CPS i e diminui o overhead assim como diminui o atraso associado a cada fonte 2 No caso da Variante B verifica se um fen meno inverso ou seja a introdu o de fontes do tipo Sensor diminui o desempenho do algoritmo em termos de efici ncia de multiplexagem uma vez que necess rio processar pacotes com tamanhos menores de modo a cumprir os requisitos de atraso destas fontes 3 Em qualquer uma das variantes o algoritmo consegue cumprir os atrasos estabelecidos para as fontes do tipo Sensor 200ms Na pr tica verifica se que este valor menos restritivo uma vez que poder o existir fontes deste tipo com valores de Atraso M ximo bastante superior Para fundamentar este pressuposto efectuou se a 166 An lise de desempenho do sistema simula o com as caracter sticas indicadas na Tabela 6 7 em que apenas se alterou o valor do Atraso M ximo associado s fontes do tipo Sensor para 2 5s Os resultados s o apresentados na Tabela 6 10 Tabela 6 10 Resultados da avalia o do algoritmo orientado s classes de tr fego usando o cen rio 2 Variante B modificado Loopclockmax Loopclocksim F2 F3 CPS ms ms octetos octetos octetos 4 286 4 1 30 1145 37 12 4 091 3 9 30 1320 29 63 3 913 2 4 30 465 23 78 3 750 1 6 20 375 21 17
132. e servi os n o s no acesso mas ao n vel de toda a rede O Modo de Transfer ncia Ass ncrono assegura essa integra o garantindo al m disso uma rede flex vel capaz de se adaptar a diferentes ritmos de comunica o mantendo uma elevada efici ncia dos recursos da rede para uma larga gama de servi os V rios servi os foram considerados emergentes a quando a defini o da RDIS BL e Comunica o multim dia e Televis o digital de alta defini o e Transfer ncia de imagens de elevada resolu o e g imagens m dicas e Pesquisa de conte dos multim dia e Videoconfer ncia As caracter sticas principais do ATM s o e modo de transfer ncia orientado liga o estabelecem se conex es sobre canais virtuais e informa o encapsulada em pacotes c lulas de tamanho fixo e reduzido e liga es estabelecidas atrav s de sinaliza o e possibilidade de garantir qualidade de servi o QoS e encaminhamento efectuado apenas uma vez no estabelecimento das conex es e estruturas de comuta o simplificadas e reduzida complexidade de filas de espera e atrasos de empacotamento associados O modo de transfer ncia ass ncrono ATM ser objecto de estudo detalhado no cap tulo 3 S ntese Neste cap tulo foi efectuada uma descri o sum ria das principais redes de telecomunica es existentes e as tecnologias de suporte As hierarquias digitais plesi cronas e s ncrona constituem os principais s
133. ealizadas sao e codifica o de linha e regenera o de bits e convers o electro ptica Delimita o de c lulas e controlo de erros O mecanismo de delimita o da c lula baseado na correla o que existe entre o valor do cabe alho da c lula e o campo HEC para controlo de erros no cabe alho O campo HEC um 82 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo octeto que corresponde ao resto da divis o m dulo 2 do cabe alho da c lula excluindo o HEC multiplicado por 8 pelo polin mio gerador x x74x 1 A utiliza o do HEC permite corrigir um bit e detectar m ltiplos bits em erro O procedimento para controlo de erros na recep o com base no campo HEC est descrito na Figura 3 27 Erro em 1 bit Correc o e c lula aceite Detec o Erro detectado detectado Mais de 1 erro c lula rejeitada Figura 3 27 Diagrama de estados para o controlo de erros na recep o Existem dois modos de opera o no receptor correc o e detec o O modo inicial o de correc o existindo a capacidade no receptor de corrigir um bit errado Cada cabe alho recebido examinado e se for detectado um erro a ac o a executar depende do modo de opera o do receptor No modo de correc o se for s um bit errado este corrigido se ocorrerem erros em mais de um bit a c lula rejeitada Em ambos os casos o receptor comuta em seguida para o modo de detec o Nes
134. eeeeaeeesnneeeeeenaeeeenenaes 78 Modo de mensagem e a a a aarre Aa aeaa aea Aor eA rra eae A eaae ai aarete Sa Aarra itae iiis 79 M do de flUXO mny ee a id ee E na Dag ah sediado 79 Unidade de dados do protocolo para a subcamada SAR do AAL 3 4 encen 80 Unidade de dados do protocolo para a subcamada CPCS do AAL 3 4 ecce 80 Unidade de dados do protocolo para a subcamada CPCS do AAL 5 82 Diagrama de estados para o controlo de erros na recep o 83 Diagrama de estados para o processo de delimita o de c lulas 83 Transporte de C lulas ATM na rede SDH raras aa aaanaae 85 Configura o de refer ncia para a interface utilizador rede 86 Exemplos de algumas configura o f sicas na interface utilizador rede 87 Figura 4 1 Figura 4 2 Figura 4 3 Figura 4 4 Figura 5 1 Figura 5 2 Figura 5 3 Figura 5 4 Figura 5 5 Figura 5 6 Figura 5 7 Figura 5 8 Figura 5 9 Figura 5 10 Figura 5 11 Figura 6 1 Figura 6 2 Figura 6 3 Figura 6 4 Figura 6 5 Figura 6 6 Figura 6 7 Figura 6 8 Figura 6 9 Figura 6 10 Figura 6 11 Figura 6 12 Figura 6 13 Figura 6 14 Figura 6 15 Figura 6 16 Figura 6 17 Figura 6 18 Diagrama de blocos de um sistema pericial ereta 94 Cen rio gen rico de suporte a aplica es de controlo a 95 Arquitectura de refer ncia para aplica es de contro
135. em ser consideradas duas abordagens 1 Manter o comprimento maximo de cabo e aumentar o slot time aumentar o tamanho m nimo da trama 2 Manter o mesmo slot time e reduzir o comprimento de cabo O Gigabit Ethernet mant m o tamanho m nimo e m ximo das tramas Ethernet Considerando que o Gigabit Ethernet 10 vezes mais r pido que o Fast Ethernet para manter o mesmo tempo de slot o comprimento maximo de cabo deveria ser reduzido cerca de 10 vezes o que seria problem tico Em vez disso usado um tamanho de slot de 512 octetos no half duplex Para manter a compatibilidade com o Ethernet original o tamanho m nimo de trama n o aumentado mas sim o tempo de portadora na linha Se a trama for menor que 512 octetos s o adicionados no fim os chamados s mbolos de extens o Estes s mbolos especiais s o denominados carrier extensions A Figura 3 5 ilustra este procedimento Pre mbulo DI FACE pi Tam Informa o CRC Extens o 7 octetos 1 6 octetos 6 octetos 2 46 1500 octetos 4 octetos 64 octetos m nimo IFG 12 octetos 512 octetos m nimo Figura 3 5 Formato duma trama MAC com carrier extensions Este m todo consiste numa solu o simples mas que desperdi a largura de banda principalmente para tramas pequenas no pior caso s o enviados 448 octetos de extens o o que pode conduzir a uma baixa efici ncia na transmiss o de dados Para pacotes pequenos a efici ncia pouco
136. enquanto que o instante em que ocorre a interrup o aleat rio seguindo a distribui o de Poisson com m dia igual a 1s e Video Gerador de tr fego aleat rio com m dia igual a 80kbit s O n mero de octetos gerado a cada interrup o fixo e igual a 50 enquanto que o instante em que ocorre a interrup o aleat rio seguindo a distribui o de Poisson com m dia igual a ms Para implementar o gerador de tr fego aleat rio foi usado um gerador n o uniforme que segue a distribui o de Poisson O algoritmo implementado descrito em Pre92 A Figura 6 8 mostra o histograma do resultado de um gerador de n meros aleat rios com m dia 100 seguindo a distribui o de Poisson 70 8 T 8 7 N de ocorrencias 20 50 0 50 100 150 200 250 N aleatorio Figura 6 8 Histograma do resultado de um gerador de n meros aleat rios com m dia 100 com distribui o de Poisson Os dados foram agrupados em intervalos de 10 unidades 153 Capitulo 6 Os valores reais da m dia e da variancia sao respectivamente 100 01 e 99 433 ou seja aproximam se do valor te rico de 100 da distribui o de Poisson 6 3 3 Crit rio de paragem da simula o Para definir o crit rio de paragem das simula es efectuadas foram observados os instantes de escrita no ficheiro de resultados durante uma simula o com a dura o de 60m usando um algoritmo arbitr rio para cada cen rio de simula o At
137. ente dos diversos Adaptadores de terminal reduzindo os custos associados ao tr fego contratado a um operador de telecomunica es da rede de suporte custa da introdu o de um atraso pouco significativo 174 An lise de desempenho do sistema Por estes motivos poss vel igualmente constatar um bom desempenho do Algoritmo de escalonamento do Concentrador permitindo assim validar a especifica o deste m dulo apresentada no cap tulo 5 S ntese Neste cap tulo foi efectuada a an lise de desempenho do sistema proposto para adapta o de tr fego baixo d bito resultante da interliga o remota de dispositivos sensores e actuadores atrav s de uma infra estrutura baseada numa rede de comunica o p blica ou de rea local com capacidade de transportar de uma forma transparente c lulas ATM Foi apresentado o ambiente atrav s do qual se efectuou a an lise de desempenho aos v rios m dulos desenvolvidos do Adaptador de terminal e do Concentrador Na sequ ncia da an lise dos resultados obtidos por simula o foram especificados Algoritmos de escalonamento para agrega o dos v rios fluxos de informa o entrada do Adaptador de terminal e do Concentrador Da an lise de desempenho desses algoritmos resulta a verifica o da utiliza o eficiente da largura de banda dispon vel evidenciando que a solu o proposta para adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo capaz de a
138. erem HEC s incorrectos durante ALFA vezes consecutivas voltando se ao estado inicial De modo a aumentar a seguran a do processo de delimita o de c lulas em rela o a eventuais simula es do HEC correcto no campo de informa o os bits do campo de informa o s o misturados por um processo aleat rio antes da informa o ser enviada para a rede por um sistema conhecido por scrambler baseado num conjunto de registos de deslocamento com realimenta o Na recep o ap s o procedimento de delimita o de c lula existe um mecanismo inverso que permite reconstituir o campo de informa o original Sistemas de Transmiss o de c lulas ATM Em geral qualquer sistema de transmiss o com baixa taxa de erros e largura de banda adequada candidato ao transporte de c lulas ATM No entanto os sistemas de transmiss o baseados nas hierarquias digitais s ncronas e plesi cronas s o os que est o implementados em maior n mero Nas hierarquias digitais s ncronas os sistemas SDH SDH Synchronous Digital Hierarchy e SONET SONET Synchronous Optical NETwork est o bastante implementados a 155Mbit s embora sejam usados os d bitos de 52Mbit s SONET e 622Mbit s SONET e SDH sendo este ltimo cada vez mais vulgar devido s solicita es crescentes de maior largura de banda Nas hierarquias plesi cronas os sistemas E1 e E3 com d bitos de 2Mbit s e 34Mbit s respectivamente s o os mais usados na Europa enqua
139. erface com o operador Em fun o da especificidade da aplica o de controlo ser necess rio 111 Capitulo 4 desenvolver fun es particulares necess rias resolu o dos requisitos de cada aplica o No entanto existem um conjunto de fun es comuns independentes da aplica o que ter o sempre de existir Essas fun es devem permitir um elevado n vel de abstrac o no desenvolvimento das fun es relacionadas com uma dada aplica o espec fica A interliga o entre os diversos Adaptadores de terminal e o Concentrador ou entre o Concentrador e a rede poder ser efectuada usando algumas das tecnologias descritas no cap tulo 2 No entanto uma vez que se assume que essas liga es fornecem um canal transparente n o dada relev ncia nesta tese ao estudo desse problema A especifica o detalhada do sistema proposto assim como dos seus m dulos constituintes ser apresentada no cap tulo 5 4 3 2 Escalonamento de tr fego Para disciplinar a concentra o dos fluxos de informa o provenientes das diferentes fontes de tr fego que concorrem pelo acesso s capacidades de transmiss o dispon veis ser necess rio desenvolver algoritmos de escalonamento temporal de modo a determinar a ordem em que esses fluxos s o servidos e assim satisfazer os diferentes requisitos de QoS de cada fonte de informa o O algoritmo de escalonamento mais simples consiste em colocar os pacotes de informa
140. erface Universal Serial Bus UMTS Terrestrial Radio Access Network Variable Bit Rate Virtual Channel Virtual Container Type 4 Virtual Channel Identifier Visitor Location Register Virtual Path Virtual Path Identifier Wireless Application Protocol Wideband Code Division Multiple Access Weighted Fair Queuing Wireless Local Area Network Weighted Round Robin World Wide Web XIX Introdu o A evolu o tecnol gica ao nivel da micro electr nica tem conduzido ao aparecimento de novos dispositivos e g sensores actuadores sistemas de aquisi o de dados a pre os bastante reduzidos Como consequ ncia o n mero de aplica es de controlo distribu do que envolvem a interliga o de uma grande variedade de equipamentos tem vindo a crescer em reas como a agro pecu ria a dom tica o controlo industrial e a ind stria autom vel Os sensores s o dispositivos que geram um sinal el ctrico em resposta a um est mulo f sico Os sistemas sensoriais constituem uma rea tecnol gica interdisciplinar que combina as reas da f sica da qu mica dos materiais avan ados e da biologia molecular com a electr nica e o processamento de sinal Num futuro pr ximo prev se que as tecnologias sensoriais ir o desempenhar um papel preponderante na economia no ambiente na agricultura e na pecu ria A interliga o destes equipamentos pode ser caracterizada em geral por apresentar fluxos de baixo d bito e por
141. ervi os de tempo real Como exemplos podem ser referidos o servi o de voz interactivo e aplica es em que a leitura de um sensor desencadeia o envio de informa o para um actuador dentro de um limite temporal bem definido e Dados D Nesta classe os fluxos associados necessitam apenas que lhes seja garantida a entrega da informa o sem requisitos temporais Esta classe vocacionada para servi os do tipo unicast em que a informa o enviada de um extremo para o outro da rede e em que o processamento da informa o n o requer o envio de informa o em sentido inverso com restri es temporais e Esfor o Minimo EM Quando a perda ocasional ou o atraso na entrega de informa o n o afectam determinado processo podemos usar esta classe de tr fego Por exemplo quando estamos a monitorar a temperatura ambiente a ocorr ncia de um erro numa leitura poder n o ser grave uma vez que uma aplica o o poder detectar facilmente 99 Capitulo 4 4 1 4 Arquitectura de refer ncia De modo a sistematizar e organizar os conceitos at agora apresentados importa definir uma arquitectura de refer ncia para aplica es de controlo centralizado em que os diversos processos associados a diferentes fen menos enviam a informa o para uma entidade de controlo que poder enviar informa o em sentido inverso como resultado do processamento dos dados recebidos Esse modelo apresentado na Figura 4 3 Ap
142. ervi os de transmiss o de dados ao n vel da camada FDL e Send Data with no Acknowledge SDN e Send Data with Acknowledge SDA e Request Data with Reply RDR e Send and Request Data SRD O servi o SDN usado pelas esta es mestres para efectuar broadcasts n o confirmados destinados a todas as outras esta es do barramento Os restantes servi os s o baseados na rela o existente entre o emissor esta o mestre na posse do token e o receptor esta o escrava ou esta o mestre n o detentora do token Uma caracter stica destes ltimos servi os que s o imediatamente respondidos reply ou confirmados acknowledge Esta caracter stica immediate response particularmente importante para o suporte de aplica es de tempo real 57 Capitulo 3 Um conceito importante no protocolo PROFIBUS o ciclo de mensagem Um ciclo de mensagem consiste no tempo de dura o de uma trama iniciada por uma esta o mestre request ou send request e a trama de resposta ou confirma o associada acknowledge ou reply As tramas de resposta ou confirma o devem chegar dentro de um tempo pr estabelecido slot time caso contr rio o emissor repete o pedido O n mero de tentativas antes de ser reportado um erro definido em todas as esta es mestre na fase de inicializa o da rede Uma das fun es principais do m todo de acesso ao meio MAC o controlo do chamado token cycle time Ap
143. es das operadoras de telecomunica es de 26 pa ses europeus criou o Groupe Sp ciale Mobile que desenvolveu um conjunto de normas para o que ent o foi denominado de Rede de R dio Digital Celular Pan Europeia Este sistema agora chamado de GSM GSM Global System for Mobile foi projectado com o objectivo de estabelecer um interface comum entre terminais e a rede permitindo uma capacidade de movimenta o em toda a Europa Em 1987 treze operadores europeus assinaram um Memorandum de Entendimento MoU Memoranda of Understanding que deu origem ao in cio do processo de desenvolvimento do sistema e que conduziu escolha 23 Capitulo 2 do TDMA de banda estreita nNTDMA narrowband Time Division Multiple Access para o interface a reo Em 1989 o trabalho de normaliza o transitou para o ETSI ETSI European Telecommunications Standards Institute e a opera o comercial deste sistema iniciou se em meados de 1991 O sistema celular organizado de uma forma hier rquica Dan92 Cada esta o base BTS Base Transceiver Station serve simultaneamente um determinado n mero de terminais e um comutador liga os sinais dos utilizadores atrav s das BTSs rede telef nica p blica O sistema global pode ser decomposto em tr s unidades principais a esta o m vel MS Mobile Station o subsistema de esta es de base BSS Base Station Subsystem e o subsistema de comuta o SSS Switching Subsystem O SSS compost
144. es t m a prioridade m nima de atendimento Nestas situa es o algoritmo limita se apenas a rejeitar os pacotes que excedam a capacidade do FIFO S ntese Neste cap tulo foi discutido o problema da adapta o do tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo em termos de cen rios de aplica o tipos de dispositivos a interligar referenciais de QoS suportados e arquitectura de refer ncia Foi 114 Adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo caracterizado funcionalmente o desempenho de v rias tecnologias de rede em fun o dos atrasos e das capacidades de transmiss o Foi igualmente apresentada uma solu o concreta para o problema baseada na tecnologia ATM suportada por Adaptadores de terminal e Concentradores que incorporam fun es de escalonamento de tr fego O Modo de Transfer ncia Ass ncrono ATM permite multiplexar um n mero muito elevado de fontes de tr fego garantindo a QoS negociada no estabelecimento ou durante a fase activa das liga es A capacidade de endere amento oferecida pela camada ATM permite identificar um n mero de elementos terminais como sensores ou actuadores incomparavelmente maior do que o suportado pelos actuais sistemas de aquisi o de dados e controlo geralmente utilizados em ambientes industriais A capacidade da rede ATM para suportar este tipo de tr fego permitir al m da possibilidade de integrar diferentes tipos de sistemas e equipa
145. escalonamento temporal para o Adaptador de terminal e Concentrador de forma a satisfazer dois objectivos principais garantir o cumprimento do atraso de servi os com restri es temporais e aumentar a efici ncia de transmiss o na rede Para analisar o desempenho da solu o proposta e dimensionar os m dulos necess rios ao suporte de aplica es foram caracterizadas diversas fontes geradoras de tr fego e definida uma estrutura de multiplexagem capaz de suportar o transporte eficiente da informa o das diversas fontes de tr fego em fun o da qualidade exigida pelo servi o Tornou se igualmente necess rio criar modelos computacionais para simular o comportamento do sistema proposto e avaliar a efici ncia dos v rios Algoritmos de escalonamento temporal usados no Adaptador de terminal e no Concentrador A an lise de desempenho foi baseada num sistema simplificado implementado por um conjunto de programas em linguagem C que permitiram avaliar duma forma objectiva os Algoritmos de escalonamento de tr fego propostos Os resultados obtidos permitem concluir que o uso do protocolo AAL 2 como estrutura de suporte multiplexagem faz uma utiliza o eficiente da largura de banda Os testes efectuados ao Adaptador de terminal revelaram um bom desempenho em termos de capacidade de integra o de fluxos de informa o associados a servi os com requisitos de atraso diferentes e a capacidade do sistema suportar um elevado n
146. especifica o final e constru o de um sistema baseado na arquitectura proposta e Palavras Chave AAL Adaptador de terminal Aquisi o de dados ATM Barramento de Campo Concentrador Controlo Escalonamento Integra o de servi os Protocolo Qualidade de Servi o Abstract This thesis describes the research work carried out for adapting low bit rate traffic in control applications It includes the proposal and analysis of a system s architecture that integrates Terminal adapters and a Concentrator interconnected through a communication network to a Control Application The traffic generated in sensor and actuator networks distributed control or data acquisition systems has been supported in specific networks commonly called Fieldbuses Examples of Fieldbus technologies are CAN and PROFIBUS These technologies present many limitations particularly in aspects related with the integration of services and systems bandwidth and covered area On the other hand adapting services of low bit rate traffic in communication networks is concomitant with the control of delay in fulfilling and scheduling the packets these aspects have a significant impact in the Quality of Service For the resolution of these problems a modular architecture of a system was proposed and specified that allows multiplexing several information flows generated by services of low bit rate traffic in one sole added flow For this effect the ATM technol
147. ess ncia segue a norma Ethernet e aceita o modo de transmiss o half duplex e full duplex Foram necess rias efectuar algumas mudan as para permitir o suporte do modo half duplex e Transmiss o em Half Duplex No caso do full duplex o formato do pacote exactamente igual ao Ethernet original e tamb m ao Fast Ethernet Por m no half duplex isso daria problemas principalmente na detec o de colis es em tramas de tamanho m nimo As tramas MAC t m um tamanho m nimo de 64 octetos de modo a prevenir que uma esta o complete a transmiss o de uma trama antes de o primeiro bit chegar ao ponto mais distante do cabo onde poder colidir com outra trama e retornar esta o de forma a ser detectada a colis o tempo conhecido como 26 Assim o 46 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo tempo m nimo para detectar uma colis o o tempo gasto pelo sinal ao propagar se de um extremo do cabo para o extremo oposto e retornar origem Este tempo m nimo denominado slot time O comprimento m ximo permitido para um cabo Ethernet 10BASE5 2 5km com um maximo de 4 repetidores No Gigabit Ethernet como a taxa de transmiss o aumenta o emissor transmite a trama mais rapidamente Deste modo mantendo o tamanho de trama e o comprimento do cabo a esta o pode transmitir uma trama mais rapidamente e n o detectar uma colis o que ocorreu no outro extremo do cabo No sentido de resolver este problema pod
148. esta na inser o remo o de bits da trama para adaptar os d bitos 2 3 2 Hierarquia digital s ncrona Uma outra tecnologia de transporte baseia se na hierarquia digital s ncrona SDH Synchronous Digital Hierarchy que para al m de transmitirem novos canais de banda larga permitem o transporte dos v rios n veis hier rquicos dos sistemas PDH garantindo o acesso directo a cada canal multiplexado sem recorrer desmultiplexagem dos tribut rios A Figura 2 2 mostra como s o definidos os contentores virtuais VC Virtual Container que permitir o a transmiss o dos tribut rios das hierarquias dos sistemas PDH na hierarquia digital s ncrona Omi93 14 Redes de telecomunica es xN x1 139 264 kbit s smun J ae AA bE Je e maje 44 736 kbit s 34 368 kbit s C Processamento de Apontador m __ Multiplexagem 2 048 kbit s i VEM 2 Rio i i pee Mapeamento 1 544 kbit s Figura 2 2 Estrutura de multiplexagem dos canais plesi cronos na hierarquia digital s ncrona der cc es Alinhamento Para sincroniza o do processo de multiplexagem s o adicionados aos contentores virtuais cabe alhos com fun es de apontadores Os blocos compostos pelo contentor e respectivos cabe alhos constituem as unidades l gicas tribut rias TU Tributary Unit e administrativas AU Administration Unit Os TUGs TUG Tributary Unit Group s o est gios interm dios antes de se atingir o VC 4 Os sistemas hier rquico
149. este continuar a existir mesmo ap s a introdu o do UMTS o que significa que existir uma CN comum e duas redes de acesso r dio independentes uma para o GSM e outra para o UMTS e Servi os O UMTS oferece tele servi os e g voz e SMS e servi os de suporte Um tele servi o um servi o de comunica o entre um utilizador e um outro utilizador ou um servidor na rede O servi o considerado na sua globalidade o que inclui as fun es correspondentes a todas as camadas do modelo OSI e g servi o telef nico Um servi o de suporte um servi o que permite a transfer ncia de informa o entre utilizadores podendo ser caracterizado atrav s de um conjunto de par metros ou atributos ligados sua qualidade e g d bito do canal atraso e por princ pios de explora o espec ficos Nun92 poss vel negociar e renegociar as caracter sticas de um servi o de suporte no estabelecimento ou durante uma chamada ou sess o Os servi os orientados liga o ou sem liga o s o suportados em liga es ponto a ponto ou ponto a multiponto Os servi os UMTS possuem diferentes classes de servi o para 4 tipos de tr fego e conversacional voz v deo telefonia v deo jogos e streaming multimedia video on demand webcast 4 O AAL 2 AAL 2 ATM Adaptation Layer type 2 suporta as conex es de comuta o de circuitos e o AAL 5 AAL 5 ATM Adaptation Layer type 5 as conex es de comuta o de p
150. exigir rede baixos atrasos de transmiss o Devido a estas caracter sticas este tipo de tr fego por vezes suportado por redes espec ficas tais como os vulgarmente designados Barramentos de Campo de que s o exemplos o CAN CAN Controller Area Network e o PROFIBUS PROFIBUS Process FieldBus Estas tecnologias possuem bastantes limita es principalmente em aspectos relacionados com a integra o de servi os e sistemas largura de banda e rea abrangida As actuais redes de comunica o foram em geral optimizadas para o suporte de servi os espec ficos tendo sido algumas adaptadas para suportar outro tipo de servi os A tend ncia actual para uma maior integra o de servi os pressup e um conceito fundamental para atingir esse objectivo a Qualidade de Servi o QoS Quality of Service A especifica o e medi o da Capitulo 1 QoS sao problemas complexos quer do ponto de vista do utilizador quer do ponto de vista da rede O utilizador dever adaptar os requisitos das suas aplica es aos n veis de desempenho oferecidos pela rede enquanto que a rede dever garantir ao utilizador a plena satisfa o dos par metros de QoS estabelecidos no in cio das sess es ou renegociados posteriormente de forma a ser poss vel o correcto desempenho das aplica es suportadas 1 1 Caracteriza o do problema e cen rios de aplica o Actualmente j poss vel observar aplica es baseadas em computador a se
151. fectuada para o estudo da adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo apenas prev o endere amento baseado no campo CID uma vez que a complexidade acrescida pela introdu o deste mecanismo n o afecta os pressupostos que estiveram na base do desenvolvimento dos algoritmos de escalonamento O Concentrador permite n o s agregar o tr fego proveniente dos v rios Adaptadores de terminal como tamb m efectuar uma esp cie de multiplexagem de segunda ordem O seu objectivo principal o de aumentar a efici ncia de transmiss o da rede e ao mesmo tempo 118 Especifica o do sistema proposto implementar um mecanismo de prioridade de forma a permitir escalonar trafego com diferentes requisitos de atraso O Concentrador utiliza igualmente os pacotes CPS como estrutura elementar de multiplexagem Deste modo este m dulo efectua o desencapsulamento dos pacotes recebidos de cada Adaptador de terminal e em seguida efectua um novo escalonamento de forma a produzir um fluxo nico em que os pacotes com requisitos de atraso mais apertados s o atendidos com maior prioridade O algoritmo de escalonamento desenvolvido para o Concentrador ser igualmente especificado e analisado no cap tulo 6 De referir que este m dulo n o necess rio numa estrutura com apenas um Adaptador de terminal Neste caso a Aplica o de controlo e o Adaptador de terminal t m apenas a rede como elemento de interliga o
152. ficar os requisitos para o desenvolvimento da aplica o de controlo poss vel inventariar um conjunto de metodologias gen ricas que poder o servir de base ao seu projecto e especifica o e Modelos de transfer ncia de Informa o As aplica es de controlo que envolvem dispositivos de baixo d bito podem ser classificadas em rela o forma como efectuada a transfer ncia de informa o entre o fen meno e o observador Estas podem ser classificadas como cont nua orientada ao evento iniciada pelo observador e h brida No modelo cont nuo os sensores transmitem a informa o continuamente com um d bito pr determinado No modelo orientado a eventos os sensores enviam informa o apenas quando ocorre um evento de interesse Neste caso o observador est interessado na ocorr ncia de um fen meno espec fico ou num conjunto de fen menos No modelo iniciado pelo observador os sensores s enviam informa o em resposta a um pedido expl cito do observador Finalmente no modelo h brido as tr s estrat gias coexistem na mesma aplica o Por exemplo numa aplica o constru da para a detec o de intrusos o modelo de transfer ncia de informa o orientado ao evento que corresponde entrada de um intruso na rea monitorada Se o modelo de encaminhamento da informa o na rede baseado em flooding os sensores que estiverem fisicamente pr ximos detectar o o intruso ao mesmo tempo e v o enviar si
153. ficou se que se as fontes de classe AM tiverem um peso baixo em termos de d bito m dio total o Algoritmo consegue cumprir facilmente o atraso imposto entrada 3 O cen rio 1 permitiu tamb m constatar que o escalonador consegue suportar eficazmente a integra o de servi os com caracter sticas diversas o que permite concluir que sempre que poss vel desej vel integrar numa aplica o de controlo servi os de d bitos mais elevados e sem requisitos temporais com outros de d bito mais baixo com requisitos de atraso mais apertados 173 Capitulo 6 4 O cen rio 2 permitiu constatar o contr rio ou seja haver uma degrada o da efici ncia de multiplexagem medida que o n mero de fontes de classe AM aumenta relativamente ao n mero de fontes das outras classes A avalia o efectuada foi baseada no modelo simplificado de testes desenvolvido para o efeito Cab05 As simplifica es assumidas na especifica o do sistema de testes permitiram tornar mais f cil a obten o de resultados em rela o a um sistema real e ao mesmo tempo definir modelos de fontes artificiais que permitiram tamb m a cria o de cen rios espec ficos de teste dif ceis de conseguir com fontes reais Deste modo poss vel concluir que o desempenho do Algoritmo de escalonamento do Adaptador de terminal satisfaz os requisitos para os quais foi dimensionado permitindo validar a especifica o deste m dulo apresentada no
154. finido na recomenda o 1 363 2 ITU97b que assegura que os pacotes CPS esperem no m ximo o tempo indicado pelo Timer CU antes de serem escalonados para transmiss o O bom dimensionamento deste temporizador permitir obter uma taxa de ocupa o de c lula m xima sem degradar significativamente o atraso global Este rel gio obtido atrav s do rel gio derivado da rede A seguir descreve se o procedimento simplificado da cria o dos ATM_SDUs de acordo com os diagramas SDL SDL Specification and Description Language da recomenda o 1 363 2 1 Espera a chegada de um pacote CPS fila de pacotes CPS Quando chega um pacote inicializa o Timer CU 2 Constr i novo pacote ATM SDU A seguir ao campo STF introduz os octetos por ordem de sa da da fila de pacotes CPS 3 Seo ATM SDU tiver sido preenchido antes do Timer CU expirar e um pacote CPS n o tiver sido totalmente colocado dentro do ATM SDU memoriza o n mero de octetos que sobraram para introduzir esse valor no campo OSF do pr ximo ATM SDU Reinicializa o Timer CU Salta para o ponto 2 124 Especifica o do sistema proposto 4 Se n o existirem mais pacotes CPS na fila e o Timer CU expirar preenche os restantes octetos do ATM SDU com padding Salta para o ponto 1 5 Seo Timer CU expirar e o ATM SDU n o incluir nenhum in cio de pacote CPS calcula o valor do OSF em fun o do in cio do padding Salta para o ponto 1 5 2 2 M dulo de Recep o
155. funcional pertencente ao m dulo de concentra o do Concentrador respons vel pelo escalonamento dos fluxos de pacotes CPS recebidos tendo como objectivo aumentar a efici ncia de multiplexagem final sem degradar significativamente a QoS dos diversos fluxos de informa o transportados Como foi referido na sec o 6 1 2 este m dulo recebe em cada porta de entrada um fluxo de pacotes CPS associado aos fluxos de entrada de cada Adaptador de terminal Cada pacote CPS al m da informa o til que transporta tem associado um cabe alho que identifica entre outros a classe de tr fego UUI e o tamanho do pacote LI Uma vez que se torna complexo implementar um mecanismo que entre em conta com o Atraso M ximo associado aos fluxos de classe AM o crit rio de prioridade implementado pelo Algoritmo de escalonamento ter de minimizar o tempo de atendimento dos pacotes desta classe al m de promover uma maior efici ncia de multiplexagem e assim economizar os custos de transmiss o relacionados com a largura de banda utilizada Deste modo podem ser implementados algoritmos de escalonamento utilizando diversas abordagens e 1 abordagem Os pacotes que chegam a cada porta s o colocados em FIFOs Seguidamente calculada uma m dia deslizante de chegada de pacotes por FIFO O algoritmo atende os FIFOs com uma prioridade baseada na m dia deslizante calculada anteriormente e 2 abordagem Os pacotes que chegam a cada port
156. gos A elevada complexidade dos protocolos aumenta substancialmente os requisitos de processamento e o atraso de comuta o no interior da rede Deste modo torna se dif cil aplicar esta t cnica a servi os de tempo real o atraso elevado devido s retransmiss es de pacotes com erro e a servi os de d bito elevado os requisitos de processamento s o muito elevados No entanto a t cnica de comuta o de pacotes bastante eficiente em aplica es de transfer ncia de dados de baixo d bito de que exemplo a rede X 25 Como consequ ncia da evolu o da comuta o em modo pacote na rede p blica digital desenvolveram se solu es alternativas designadas por frame relaying e frame switching actualmente contempladas pelo ITU T Estas solu es requerem menos funcionalidade na rede que o X 25 e s o poss veis devido ao aumento da qualidade das liga es com a consequente redu o da complexidade nas fun es a implementar nos n s o que permite elevar o d bito das liga es 12 Redes de telecomunica es 2 3 Rede Telef nica Digital A digitaliza o da rede telef nica conheceu duas etapas Numa primeira fase foi introduzida a digitaliza o apenas ao n vel da transmiss o entre centrais continuando a comuta o a ser anal gica As principais vantagens na transmiss o digital s o e elimina o quase total do ru do de transmiss o resultante da toler ncia ao ru do da codifica o digital e d
157. ho e nas in meras trocas de ideias que em muito contribu ram para a sua realiza o Agrade o ao Departamento de Electr nica Industrial da Universidade do Minho todas as condi es e facilidades proporcionadas para a realiza o desta tese Em especial gostaria de destacar o Professor Carlos Couto pelo seu apoio e incentivos prestados em fases dif ceis deste trabalho Gostaria tamb m de expressar o meu agradecimento ao INESC Porto por todas as facilidades concedidas em especial no arranque deste trabalho N o posso tamb m deixar de expressar o meu reconhecimento a todas as pessoas que de alguma forma tornaram poss vel a realiza o desta tese principalmente aquelas com quem mais convivi e que me ajudaram nas fases mais dif ceis entre as quais gostaria de destacar a Gra a Minas o Manuel Jo o Ferreira o Paulo Ferreira o Jo o Neves e o Cassien Crois Finalmente de referir que este trabalho foi suportado por uma bolsa do PROADEP com a refer ncia 5 3 N 189 007 00 Aos meus pais VII Conteudo 1 INTRODU O xsasievs cmiea a a eCocuceeedousewde Ceccduacucesluustecdsdaddeucevds Useveddsutecioostsenddoveeedaeiee 1 1 1 Caracteriza o do problema e cen rios de aplica o iraniana 2 1 2 Objectivos e contributos do trabalho desenvolvido rentes 3 1 3 Organiza o da Tese iscas spremeadtrsipicsda niishos TETE sido dos End pn ice la in N TT 4 REDES DE TELE
158. i 3 3 gt 3 2 Comuta o Espacial 3 1 gt 2 1 Comuta o Temporal Espacial 1 4 gt 3 1 2 1 gt 1 4 Figura 2 1 Comuta o de Circuitos 11 Capitulo 2 A comuta o de circuitos pouco flex vel j que uma vez determinada a dura o do time slot a taxa de transmiss o fixa Por exemplo com a t cnica PCM PCM Pulse Coded Modulation usada na recomenda o G 703 ITU91a a dura o de um time slot de 8 bits de 125us dando origem a canais de 64kbit s 2 2 2 Comuta o de Pacotes Nas redes de comuta o de pacotes a informa o do utilizador encapsulada em pacotes que cont m informa o adicional no cabe alho usada no interior da rede para encaminhamento correc o de erros controlo de fluxo etc Estas redes tais como a rede X 25 foram criadas nos anos 70 em que a qualidade dos meios de transmiss o era relativamente fraca e os d bitos no acesso rede baixos da ordem dos kbit s De modo a garantir um desempenho ponto a ponto aceit vel em cada liga o da rede foi necess rio implementar protocolos complexos que efectuavam basicamente o controlo de erros e de fluxo em cada tro o da rede Estes pacotes possuem um comprimento vari vel e por isso requerem uma gest o complexa de buffers no interior da rede A velocidade lenta de opera o possibilita ao software de controlo um desempenho adequado mas produz atrasos relativamente lon
159. i vel e Painel de interruptores ou sensores de estado 80bit s aleat rio e V deo 80kbit s d bito vari vel 150 An lise de desempenho do sistema O enquadramento das fontes descritas acima em aplica es de controlo foi j abordado na sec o 4 1 2 O que importa aqui referir que atrav s da defini o de cen rios concretos em que se usam um conjunto de fontes do tipo das mencionadas acima ser poss vel carregar o sistema com tr fego de caracter sticas diversificadas de forma a permitir obter informa o acerca da resposta de cada um dos algoritmos em termos de atraso e efici ncia de multiplexagem 6 3 1 Geradores de n meros aleat rios Normalmente os processos de simula o requerem a obten o de amostras provenientes de diferentes distribui es de probabilidade Este processo efectuado em duas etapas Primeiro obt m se uma sequ ncia de n meros aleat rios uniformemente distribu dos num dado intervalo Depois a sequ ncia transformada de modo a produzir valores aleat rios associados distribui o desejada Como geradores de n meros aleat rios foram testados dois algoritmos do tipo LCG LCG Linear Congruential Generator Ent97 cuja base y n 1 a y n b mod m O primeiro algoritmo o usado na fun o rand do ANSI C Ker88 e tem os seguintes par metros mea a 1103515245 b 12345 Yo 12345 O segundo algoritmo conhecido por minima
160. ias de rede e os m todos de acesso ao meio mais vulgarmente utilizados sendo igualmente descrito com um maior detalhe a norma Ethernet desde a sua variante original at ao Gigabit Ethernet Em segundo lugar foram descritos os principais barramentos de campo Estes s o redes locais simplificadas do ponto de vista da dimens o formato de tramas de dados e capacidade de transmiss o A rea das redes industriais encontrava se inicialmente dominada por solu es propriet rias as quais estavam frequentemente orientadas para reas de aplica o espec ficas Mais recentemente redes industriais normalizadas come aram a ser utilizadas com maior frequ ncia Neste contexto foram apresentadas as caracter sticas principais dos protocolos CAN e PROFIBUS e duma forma mais resumida os protocolos P NET e WorldFIP Finalmente foi descrito com detalhe o modo de transfer ncia ATM como suporte de transmiss o comuta o e multiplexagem da RDIS BL semelhan a do Modelo OSI 88 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo o modelo de refer ncia de protocolos satisfaz os princ pios da modularidade e independ ncia da tecnologia definindo os servi os e os protocolos por camadas e as respectivas primitivas de servi o A camada de Adapta o ATM permite fazer a adapta o de um servi o espec fico rede de modo a tornar a camada ATM independente do servi o e da tecnologia de transmiss o A camada F sica efectua entre
161. idas 61 Capitulo 3 3 3 O Modo de Transfer ncia Assincrono ATM O Modo de Transfer ncia Assincrono ATM um conceito definido pelo ITU T ITU T International Telecommunications Union Telecommunication Standardization Sector referido como a tecnologia capaz de dotar a Rede Digital com Integra o de Servi os de Banda Larga RDIS BL com os requisitos necess rios ao transporte integrado de todo o tipo de servi os Atrav s do uso do ATM servi os como a voz v deo e dados podem ser transmitidos multiplexados e comutados juntamente num nico formato universal A rede resultante por isso mais simples f cil de gerir e de administrar e usa os seus recursos de uma forma eficiente As primeiras recomenda es sobre ATM foram publicadas em 1993 pelo ITU T ATM Forum e ANSI ANSI American National Standards Institute Estas para al m de referirem os aspectos gerais do ATM definem as caracter sticas funcionais da rede ATM o modelo de refer ncia de protocolos as caracter sticas funcionais das diferentes camadas as especifica es da interface utilizador rede e princ pios de opera o e manuten o Segue se uma apresenta o das principais caracter sticas do ATM de acordo com o ITU T e com o ATM Forum Comuta o R pida de Pacotes ATM Comuta o R pida de Pacotes um conceito que cobre diversas alternativas todas elas com uma caracter stica b sica comum comuta o de pacotes com redu
162. inal e Concentrador O Adaptador de terminal permite a interliga o de todos os dispositivos envolvidos na aplica o de controlo rede Assim cada porta do Adaptador de terminal poder suportar a liga o de um dispositivo nico e g sensor actuador sistema de aquisi o de dados ou de um dispositivo que poder j agregar tr fego e g painel de actuadores bateria de sensores integrados Em fun o dos requisitos de QoS QoS Quality of Service de cada servi o i e porta de interface do Adaptador de terminal ser efectuada a agrega o do tr fego de forma a optimizar a ocupa o da largura de banda sem comprometer a garantia do atraso especificado para cada servi o A agrega o de tr fego multiplexagem ser suportada atrav s do uso dos pacotes CPS CPS Convergence Packet Sublayer do protocolo AAL 2 AAL 2 ATM Adaptation Layer Type 2 e de um mecanismo de escalonamento de tr fego baseado num Algoritmo especificado e analisado no cap tulo 6 O endere amento das fontes de tr fego poder ser efectuada directamente atrav s do campo CID CID Channel Identifier do cabe alho dos pacotes CPS ou no caso da capacidade fornecida por este n o ser suficiente recorrer ao mecanismo fornecido pela camada ATM atrav s dos canais virtuais VCI Virtual Channel Identifier e dos caminhos virtuais VPI Virtual Channel Identifier Apesar desta possibilidade a especifica o do Adaptador de terminal e
163. io em fun o do Loopclock Os resultados apresentados nas figuras anteriores representam a varia o do atraso m ximo e m dio em fun o do Loopclock calculado para todas as fontes de tr fego e An lise dos resultados 1 Todos os resultados obtidos mostram uma evolu o exponencial do atraso em fun o do valor do Loopclock 2 Os dois primeiros algoritmos revelam um comportamento bastante superior relativamente aos dois ltimos Este facto j era esperado uma vez que s os dois primeiros se baseiam em par metros que influenciam o atraso 3 Pela mesma raz o os dois ltimos algoritmos n o conseguem funcionar ocorre overflow nos FIFOs para valores do Loopciock acima de 1ms relativamente aos 3ms dos dois primeiros Esta limita o implica uma perda na efici ncia de multiplexagem dos dois ltimos algoritmos relativamente aos dois primeiros 4 Para valores do Loopclock abaixo de 3ms os dois primeiros algoritmos produzem valores baixos de atraso sendo o algoritmo 1 ligeiramente melhor 5 A rela o entre o atraso m ximo e m dio praticamente constante para valores baixos do Loopclock como pode ser observado na Figura 6 13 6 Atrav s da an lise da Figura 6 14 pode ser observado que a efici ncia de multiplexagem aumenta directamente com o valor do Loopclock Este facto tamb m era esperado assim como o melhor desempenho do algoritmo 1 relativamente ao 2 para valores acima dos 2ms 157 Capit
164. iores O equipamento terminal de tipo 1 B TE1 Broadband Terminal Equipment 1 ser um terminal compat vel com as caracter sticas ATM da interface no ponto de refer ncia Sg enquanto que o equipamento terminal de tipo 2 TE2 Terminal Equipment 2 n o possui essa compatibilidade necessitando de um Adaptador de Terminal B TA Broadband Terminal Adaptor para se poder ligar a Sp Existem tr s pontos de refer ncia na configura o R Sg e Te As caracter sticas da interface em R dependem do tipo de TE2 que estiver a ser adaptado para ATM No que respeita a Sp e Te em ambos poder ser suportado um d bito de 155 520kbit s ou 622 080kbit s embora as recomenda es avancem mais na defini o das caracter sticas b sicas para 155 520kbit s Em regra existe uma certa compatibilidade das caracter sticas em Sg e Tg de modo a permitir ligar directamente um equipamento terminal em Ts Em Ts para 155 520kbit s s o recomendadas quer interfaces pticas quer el ctricas A solu o escolhida depende da dist ncia a ser coberta e dos requisitos do utilizador Em qualquer dos casos ser feita uma liga o ponto a ponto A configura o de refer ncia pode ser implementada fisicamente de diversas maneiras A Figura 3 31 mostra algumas configura es poss veis a b c d e f H Interface Fisica Grupo Funcional Figura 3 31 Exemplos de algumas configura o f sicas na interface utilizador
165. is de desempenho cece ee ceeeeeeaeceeeeeeeeecaaeaeeeeeeeseeeneneeeeeeeeees 101 4 2 1 Atrasosde transmiss o kiriin naat DE utah eat ana e peatata ia aisi 101 4 2 2 Capacidades de transmiss o e par metros de QoS das tecnologias estudadas 107 4 2 3 Escolha da tecnologia de rede initiind ditiis 108 4 3 Solu o do probleima rirni messi ades atenas a o assa ia A gaia ta DES a aaa VS SL Stan RAE AAS EAEAN Ea 109 4 3 1 Sistema proposto stsst oiee Segs ledialus algo Sula a genes Boe Lidia Va Dando aaa asia ded o 110 4 3 2 Escalonamento de tr fego errei aeareeaa ana araaaaarara nerna annen ant 112 5 ESPECIFICA O DO SISTEMA PROPOSTO ccccccccsseeceeecececeensscececeeeceessececececeaueaecesecesaueeeseceseeaeaaseeseeeeeeanaas 117 5 1 Arquitectura geral do sistema proposto arara aaanarareaaanaaaa 118 5 2 Adaptadorde Terminal asLesississsaigresistonaneaidhasipcaaa cido esmas asa ho pan des a aL eri guie rave Eua di chess 119 5 21 M dulo de EMISS O ania Meg e aa aa aie io diante iso pense ta dia e 121 5 2 2 M dulo de Recep o anieri edate tda fede s ds des aee ses ea iiiad adere o 125 5 3 Concentrado is ss nesioss regalo sinasguea abas pel Dosh ahh sleet tibiae Welk L5E Las alia asd oie stealth citada veda 128 5 3 1 M dulo de concentra o ss asseio ia a iss San eds sadia a Gal a Soa Sve edbenbeetes dades 130 5 3 2 M dulo de expans o
166. itais as redes anal gicas poder o continuar a existir pelo menos em reas geogr ficas onde as caracter sticas dos utilizadores n o justificam o investimento numa nova infra estrutura de telecomunica es Al m disso com o uso de Modems poss vel a transmiss o digital de dados a baixas cad ncias permitindo o acesso a algumas redes digitais de dados 2 2 Modos de transfer ncia de informa o As redes telef nicas digitais e as redes de dados recorrem a diferentes t cnicas de comuta o e concentra o multiplexagem da informa o A seguir s o introduzidos os dois modos de transfer ncia cl ssicos suportados pelos sistemas de comunica o onde a transfer ncia da informa o efectuada por comuta o de circuitos ou por comuta o de pacotes 2 2 1 Comuta o de Circuitos Este modo de transfer ncia caracter stico das redes telef nicas digitais consiste no estabelecimento de um circuito durante a chamada em que usada a t cnica TDM TDM Time Division Multiplexing para transportar a informa o de um n para outro Esta t cnica tamb m vulgarmente referida como STM STM Synchronous Transfer Mode 10 Redes de telecomunica es A informa o transferida com uma dada frequ ncia e g 8 bits em cada 125us para 64kbit s ou 1000 bits em cada 125us para 8Mbit s A unidade b sica de repeti o correspondente a cada fluxo individual de informa o chamada time slot V rias liga
167. izados essencialmente dois protocolos o protocolo UDP UDP User Datagram Protocol e o protocolo TCP Ambos s o protocolos extremo a extremo pois o n vel de rede desconhece a sua exist ncia sendo da compet ncia dos dois hosts a implementa o do servi o que o protocolo presta No caso do protocolo UDP dado tratar se de um protocolo do tipo datagrama o nico servi o que acresce ao n vel IP a multiplexagem na medida em que os pacotes s o trocados entre portas acess veis directamente aos processos que correm no host Desta forma um ou mais programas em execu o podem partilhar o mesmo endere o IP Sendo orientado aos datagramas este protocolo n o oferece qualquer tipo de garantias best effort Ao contr rio o protocolo TCP orientado liga o garantindo a entrega dos dados De facto o protocolo TCP disponibiliza canais virtuais de dados fi veis e sujeitos a controlo de fluxo entre programas Este protocolo particularmente sofisticado e as suas evolu es sucessivas incorporam na implementa o um conjunto de t cnicas que o tornam um dos protocolos orientados liga o mais sofisticados dos actualmente dispon veis Por outro lado adapta se particularmente bem ao funcionamento da Internet pelo que pode ser considerado um protocolo benigno ao contr rio do protocolo UDP que est a ser usado de forma selvagem por certas aplica es As aplica es dispon veis na Internet utilizam os protocolos TCP e
168. kbit s Pix02 Em rela o ao atraso o valor m ximo depender do tamanho do buffer de recep o que acomodar as suas varia es no sentido de as imagens serem visualizadas sem perturba es Um outro tipo de aplica es s o os chamados sistemas de vis o em que atrav s da an lise de imagens por computador se obt m informa o acerca de um determinado processo Cru02 Fro04 Jia04 Neste casos as imagens recolhidas pelas varias c maras s o enviadas para uma unidade central onde reside a aplica o que efectuar todo o processamento no sentido de obter a informa o desejada Os d bitos produzidos nestes dispositivos variam em fun o da resolu o das imagens da quantidade de imagens enviadas por unidade de tempo e do n mero de c maras associadas a um determinado processo Al m dos dispositivos referidos existem outros tipos de sensores e g sensores de press o detec o de velocidade detectores de movimento que vistos do ponto de vista da adapta o do tr fego rede exibem um comportamento id ntico a um dos atr s mencionados 4 1 3 Referenciais de QoS suportados Em fun o dos requisitos dos diversos dispositivos e aplica es ser necess rio definir formas de agregar tr fego quer ao n vel do transporte quer ao n vel da aquisi o No primeiro caso parece evidente que a agrega o de tr fego permitir transportar os diversos fluxos de informa o duma forma mais eficiente i e
169. l standard e foi sugerido por Lew69 em 1969 e tem a particularidade de ser um gerador de n meros aleat rios de per odo completo ou seja ao fim de um n mero muito elevado de n meros s o gerados todos os valores da sequ ncia Apesar de ser um algoritmo com alguns anos tem passado em todos os novos testes de desempenho e demonstrado a sua utilidade em muitos casos Os seus par metros s o m 2 4 a 7 b 0 yo 1 10 operador mod representa o resto da divis o inteira entre dois n meros 151 Capitulo 6 A Figura 6 7 mostra as Transformadas de Fourier de sequ ncias de 8192 n meros aleat rios gerados com cada um dos algoritmos Os gr ficos de ambas as transformadas aproximam se do espectro cont nuo do ru do branco o que permite que qualquer um deles possa ser usado na modeliza o das fontes de tr fego No entanto devido s vantagens e desvantagens referenciadas em Ent97 optou se por usar a vers o minimal standard 300 T T T T T T T T 300 250 comme amem 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Frequencia u a requencia u a a b Figura 6 7 Transformada de Fourier de sequ ncias de 8192 n meros aleat rios gerados por 2 algoritmos a Fun o rand do ANSI C b Minimal Standard Os valores do ganho e da frequ ncia t m unidades arbitr rias 6 3 2 Modeliza o das fontes de tr fego Em vez de se usarem fontes reais
170. lar Networks Telecommunications Industry Association TIA TR 45 5 Subcommittee EUA Maio de 1992 Rockwell Automation Publication DeviceNet Product Overview DN 2 5 Fevereiro de 1998 Rufino J An Overview of the Controller Area Network Proceedings of the CiA Forum CAN for Newcomers CiA Braga Portugal Janeiro 1997 Manual da fun o Setitimer de acordo com os standards SVr4 e 4 4BSD Linux 0 99 11 1993 Shah N Sawkar A Marinho J Wireless Data Networking Standards and Applications Bell Labs Technical Journal pp 130 149 Margo de 2000 Shimizu H Yamazaki M Generalized system for plant growth analysis using infrared LED Plant production in closed ecosystems automation culture and environment Acta Horticulturae 440 pp 446 451 1996 189 Bibliografia Sil97 Spu00 Ste03 Tov99 Tur83 Ver97 Wal99 Wil02 Win98 190 Silva C Especifica o e Desenvolvimento de um Protocolo de Comando e Controlo para Aplica es Multim dia Interactivas Tese de Mestrado Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 1997 Spurgeon C Ethernet the definitive guide Sebastopol O reilly Fevereiro de 2000 Stein Y Stroehlein B Taking an Inside Look at TDMolP A Tutorial CommsDesign com Mar o de 2003 Tovar E M M Supporting Real Time Communications with Standard Factory Floor Networks Tese
171. lgoritmo 3 Algoritmo 3 0 3 60 sw ope oseny 0 4 sw cube oseny Loopclock ms Loopclock ms Algoritmo 3 Atraso Maximo e M dio em fun o do Loopclock Figura 6 11 156 An lise de desempenho do sistema Algoritmo 4 Algoritmo 4 300 T T T T 7 1 70 T T T T T T T J I I I I I I I I I I 1 I I I I I I I I I I l I 1 I I I I I I I 1 I I I PAR ARE DOR DE SELENE POE ER DOAR ET DBO 05 SS SUS p vais a ep Suit Se I I I l I l I I I I I I I I I I I I I I I I 1 I I I I I I 1 I I I I I 1 I I 1 I I I O por o de Do rap E ARA S TP Er let Pig o 20 l gt gt 4 4 I I I I 1 I I I I I I I I I p I 1 I I 1 I I I I 1 I 1 I I Bag ena es Se eles tecidos 2 I I I I I 1 o I I 1 I I I I HO nin a dias ques Po jo 3 I 1 I I I 1 I I I I I I I I o I I I I I I I 3 I l I I 1 I I Oa a E e A e P e fap aa al SF lt I I I I 1 I I l I I I l I WO SI i ee ee A a aa ped I I I I I I 1 I I I l I I I e ERRAR pe SR SR PU RR PER RV E AR we RR I I I I 1 I I I I I I I I I I I 1 I I I I I l I 1 I buys ie eis AE es al Ses es essere 1 Essas I I 1 I I 1 I I I I I I I DO SE ET Sp eR r I I I I I I I I 1 I I I I 1 I I I I I I 1 I 1 I I I I I 0 i i L L 0 t I i i L 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 Loopclock ms Loopclock ms Figura 6 12 Algoritmo 4 Atraso Maximo e M d
172. lica o de controlo Agrega o de Tr fego O Dispositivo a interligar Figura 4 3 Arquitectura de refer ncia para aplica es de controlo Esta arquitectura de refer ncia constitu da por tr s componentes fundamentais e Rede de suporte e Sistema de agrega o de tr fego e Aplica o de controlo Este modelo pretende ser gen rico de forma a poder ser usado como suporte de grande parte das situa es apresentadas e servir de refer ncia para o dimensionamento dos diversos par metros de QoS a aplicar aos diversos componentes do sistema O tr fego gerado pelos dispositivos a interligar interage com a aplica o de controlo atrav s da rede de suporte e do sistema de agrega o de tr fego Deste modo cada um destes elementos respons vel por uma quota parte da qualidade com que a informa o transferida entre as extremidades do sistema Por outro lado se a rea de cobertura tiver uma dimens o que justifique o recurso a uma rede p blica ser necess rio reduzir ao m ximo o d bito contratado sem com isso degradar a QoS 100 Adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo 4 2 Caracter sticas funcionais de desempenho Quando os requisitos de QoS obrigam a garantir a entrega da informa o com atrasos controlados a rede ter de garantir um atraso m ximo de forma ao resto do sistema poder quantificar os seus limites de funcionamento Assim
173. ll list mantida ao n vel da camada FDL e percorrida de forma sequencial e non cyclic low priority S o usadas pela camada de aplica o e por servi os de gest o remotos 58 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo e gap list Destinadas ao suporte din mico de altera es no anel l gico i e inser o ou remo o de esta es A gap list cont m todos os endere os poss veis entre uma dada esta o e a seguinte Recep o do token Calcula novo Tp Tr lt Tir TRR N o h mensagens de alta prioridade para processar Mensagem de alta prioridade Mensagem de alta prioridade n Mensagem de baixa prioridade Processa Mensagem de alta prioridade Processa Mensagem de alta prioridade Processa Mensagem de baixa prioridade Passagem do token Figura 3 10 Processamento de mensagens de alta e baixa prioridade Ap s terem sido enviadas todas as mensagens de alta prioridade iniciam se os ciclos de mensagens poll list Se estes forem completados durante 774 as mensagens do tipo non cyclic low priority s o enviadas Se um poll cycle tiver uma dura o correspondente a v rias visitas do token a poll list processada em segmentos sem o envio de mensagens non cyclic low priority Estas s s o enviadas ap s ser completado um poll cycle Se n o houver mais mensagens pendentes e existir ainda tempo dispon vel 77 verificado se um dos endere os d
174. lmente na sec o 4 2 3 s o fundamentadas as op es de escolha da tecnologia de rede mais adequada em fun o dos recursos dispon veis e dos requisitos de QoS de modo a ser poss vel o dimensionamento dos v rios componentes do sistema 4 2 1 Atrasos de transmiss o O tempo necess rio para a transmiss o da informa o ao longo dos v rios segmentos digitais da rede resultante de duas componentes o atraso no processamento da informa o nos 101 Capitulo 4 equipamentos e g empacotamento atrasos em filas de espera e o atraso de propaga o ITUOO Dever ser dada especial aten o aos casos em que nos equipamentos de telecomunica es efectuado processamento de sinal empacotamento e desempacotamento de informa o e codifica o descodifica o de informa o O valor de 400ms tem sido considerado como limite de refer ncia para efeitos de planeamento j que a transmiss o de informa o de voz era o factor que impunha as restri es mais apertadas em termos de desempenho global O atraso de transmiss o um par metro muito importante para qualquer aplica o cujo desempenho global dependente da interactividade entre terminais ou utilizadores Aplica es como a voz a v deo telefonia ou a transmiss o de dados podem envolver interac es com o utilizador ou com terminais cuja sensibilidade ao atraso pode variar substancialmente Uma vez que nem a rede nem os operadores de teleco
175. lo 100 Diagrama de blocos do sistema de adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de COMMON Og asssassenraissasogesiuaisalanisosasdoodenaa pa fenssif a took ppb evtid powdery cage espuane tdvacenet ey E 111 Estrutura Funcional do Adaptador de terminal rare 120 Estrutura Funcional do Adaptador de terminal M dulo de Emiss o 121 Estr tura de m pacote CPS ussis ssnsareeinboepasigaeeasspoaasrss to asas pas Issa aatren na dba rip nenepi 122 Estrutura do campo UUI dos pacotes CPS e rieeearaearrenana 123 Formato dos pacotes ATM SDU e eraeeareeaaaareaa near aaaranaanaas 124 Estrutura Funcional do Adaptador de terminal M dulo de Recep o 125 Estrutura do cabe alho de um ATM SDU STF Start Field 126 Controlo de erros no cabe alho dos pacotes CPS rea 128 Principio de funcionamento do Concentrador e reeeeraerarenana 129 Estrutura funcional do Concentrador m dulo de concentra o 130 Estrutura funcional do Concentrador m dulo de expans o 131 Estrutura do sistema de testes para avalia o do Adaptador de terminal 138 Varia o do overhead em fun o do tamanho o pacote CPS 142 Estrutura do sistema de testes para avalia o do Concentrador s 145 Diagrama funcional do mecanismo de gera o de pacotes CPS
176. lonamento do Adaptador de terminal e do Concentrador Os testes efectuados ao Adaptador de terminal caracterizaram se pela an lise da resposta dos v rios m dulos em que s o usados diversos cen rios de tr fego para carregar o sistema Concretamente s o usados dois cen rios o primeiro permite avaliar a capacidade de integra o de fluxos de informa o associados a servi os com requisitos de QoS diferentes e o segundo avalia a capacidade do sistema suportar um elevado n mero de fluxos de baixo d bito duma forma eficiente Para a avalia o do Concentrador utilizou se um cen rio em que s o gerados pacotes CPS de tamanho vari vel em cada porta de entrada e s o medidos os atrasos m ximos dos fluxos das diversas classes assim como os tamanhos das filas correspondentes Estas classes de tr fego definidas no cap tulo 4 s o recordadas a seguir e Atraso M ximo AM 136 An lise de desempenho do sistema e Dados D e Esfor o M nimo EM A descri o das fontes geradoras de tr fego e a sua modeliza o efectuada na sec o 6 3 assim como a descri o das fun es geradoras de n meros aleat rios Seguidamente nas sec es 6 4 e 6 5 s o apresentados e analisados os resultados da avalia o efectuada aos Algoritmos de escalonamento do Adaptador de terminal e do Concentrador 6 1 Caracteriza o do sistema de testes Tendo em vista a avalia o de desempenho do sistema proposto para adapta
177. los de encapsulamento 140 An lise de desempenho do sistema O primeiro par metro permite avaliar se o atraso que cada fluxo sofreu ao atravessar o Adaptador de terminal inferior ao m ximo especificado nos fluxos pertencentes s classes de Atraso M ximo O atraso calculado atrav s da medi o da diferen a entre o registo do instante temporal de escrita de cada octeto no FIFO do m dulo de encapsulamento CPS SDU ver Figura 6 1 e o registo do instante de escrita no FIFO de entrada Para cada fila s o mantidas vari veis que guardam os valores m ximos associados O segundo par metro permite monitorar o tamanho de cada FIFO de modo a prevenir overflows e num sistema real permitir dimensionar a capacidade m xima de cada FIFO Finalmente os dois ltimos indicam a quantidade de informa o que gerada entrada e sa da do Adaptador de terminal A partir destes valores s o calculados os seguintes par metros e Quantidade de pacotes CPS produzidos e Valor m dio de octetos por CPS e Valor m dio do overhead dos pacotes CPS Estes ltimos par metros permitem avaliar a efici ncia de multiplexagem Como foi referido no cap tulo 3 os pacotes CPS t m tamanho vari vel No entanto o n mero de octetos do cabe alho fixo 3 octetos Deste modo o overhead fun o do tamanho do pacote CPS de acordo com a equa o 6 2 TamanhoCPS NumeroOctetosInfo TamanhoCPS Overhead x 100 6 2 No 2
178. m 2 S rie N 17 pp 70 78 Maio de 1997 McClure J Tomasko M Collison C BEE AWARE an expert system for honey bee diseases parasites pests and predators Computers and electronics in agriculture vol 9 pp111 112 1993 McDysan D E Spohn D L ATM Theory and Application McGraw Hill Series on Computer Communications 1995 Mcloughlin M O Neil J A Management Briefing on Adapting Voice for ATM Networks An AAL 2 Tutorial General DataComm 1997 Megerian S Koushanfar F Qu G Veltri G Potkonjak M Exposure in wireless sensor networks theory and practical solutions Wireless Networks Kluwer Academic Publishers ISSN 1022 0038 vol 8 no 5 pp 443 454 2002 Moondhra V Implementation And Performance Analysis of ATM Adaptation Layer Type 2 Tese de Mestrado Department of Electrical Engineering and Computer Science and the Faculty of the Graduate School of the University of Kansas EUA Maio 1998 187 Bibliografia Mor00 Mur01 Nev95 Nev99 NF89 Nun92 Omi93 Orz98 Owe94 Pal99 Par94 Pee96 188 Morimoto T Hashimoto Y All approaches to identification and control of total plant production systems Control Eng Practice Vol 8 5 pp 555 567 2000 Muratore UMTS Mobile Communications for the future J Wiley 2001 Neves J J S E Partilha Din mica de Recursos em Redes de Comunica o
179. m controlo de eco adequado de acordo com a recomenda o G 114 do ITU T ITUOO 102 Adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo Tabela 4 1 Limites temporais para a transmiss o unidireccional de servi os de voz retirados da recomenda o G 114 do ITU T raso Aceitabilidade 0 150 ms Aceit vel na maior parte das aplica es 150 400 ms Aceit vel quando o impacto na aplica o o permite Nem sempre poss vel prever os atrasos associados a algumas aplica es ou configura es de rede o que pode conduzir em alguns casos a que os tempos de processamento combinados com os tempos de propaga o conduzam a um tempo de transmiss o total superior a 400ms Na Tabela 4 2 s o apresentados alguns valores retirados da Tabela A 1 da Recomenda o G 114 do ITU T Tabela 4 2 Alguns valores retirados da Tabela A 1 da Recomenda o G 114 do ITU T Sistema Meio de Transmiss o Contribui o para 9 tempo total de transmiss o Cabo coaxial terrestre ou sistema transmiss o r dio FDM e transmiss o digital 4us km Cabo de fibra ptica submarino transmiss o digital 5yus km Cabo coaxial submarino 6us km Por exemplo a contribui o para o tempo total de transmiss o de um sistema por cabo coaxial terrestre entre duas localidades afastadas de 600km de 2 4ms Os sinais propagam se nos meios de transmiss o com uma velocidade v finita Numa transmiss o por r dio a velocidad
180. m fios nomeadamente dos sistemas de comunica o pessoal PCS Personal Communications Service e das redes locais de computadores WLAN Wireless Local Area Network que se tem verificado nos ltimos anos 28 Redes de telecomunica es tem constitu do um desafio para os investigadores no que respeita ao melhoramento do comportamento destes sistemas como por exemplo no que se refere Qualidade de Servi o QoS Quality of Service oferecida Pal99 Durante d cadas as t cnicas de comunica o de espectro espalhado SS Spread Spectrum foram dominadas essencialmente no mbito militar Algumas das suas particularidades nomeadamente a sua robustez e aparente transpar ncia na presen a de outros sinais tornou esta tecnologia uma alternativa cred vel para aplica es civis Presentemente a base dos sistemas avan ados de comunica o m vel transmiss o segura de dados localiza o espacial GPS Global Positioning System radar navega o comunica es m veis entre outros Dix94 Os sistemas de espectro espalhado come aram a ser considerados no mbito comercial em 1985 quando a FCC FCC Federal Communications Commission inaugurou a banda de frequ ncias ISM ISM Industrial Scientific and Medical para opera o n o licenciada de equipamentos que cumprissem a recomenda o t cnica 15 247 da FCC Esta recomenda o permite modula es de espectro espalhado com uma pot ncia m xima de 1W em tr s bandas
181. mada SSCS SSCS Service Specific Convergence Sublayer deste protocolo suprimida A Figura 5 2 ilustra o diagrama funcional do M dulo de Emiss o do Adaptador de terminal Interface Sensores Actuadores Configura o N Entradas activas D bito M dio Atraso M ximo vari veis de estado das filas Loopclock Encapsulamento ATM SDU Adaptador Rel gios Figura 5 2 Estrutura Funcional do Adaptador de terminal M dulo de Emiss o 121 Capitulo 5 e Algoritmo de escalonamento Este o m dulo fundamental do Adaptador de terminal As entradas s o os par metros fornecidos pelo m dulo de configura o e a indica o das vari veis de estado das filas de espera associadas a cada canal de entrada Em fun o destes par metros este m dulo decide qual a fila FIFO First In First Out a atender e a velocidade de atendimento LoopClock A descri o do Algoritmo de escalonamento o seu funcionamento e os testes efectuados ao seu desempenho est o descritos com detalhe no cap tulo 6 desta tese e Encapsulamento CPS Este m dulo efectua a constru o dos pacotes CPS em fun o do FIFO atendido Ao receber do Algoritmo de escalonamento a indica o de qual o FIFO a atender criado um pacote CPS com um comprimento igual ao n mero de octetos que estiver no FIFO No caso de haver mais octetos no FIFO do que o comprimento m ximo definido para os pacotes CPS o pacote co
182. mais adequado ao transporte dos sinais das hierarquias PDH Norte Americanas Os n veis de multiplexagem assim como as velocidades de transmiss o das redes SONET e SDH est o ilustradas na Tabela 2 3 Tabela 2 3 Hierarquias Digitais Sincronas SDH e SONET N veis de multiplexagem e velocidades de transmiss o D bito Mbit s STS 1 51 840 STS 3 STM 1 155 520 STS 9 466 560 STS 12 STM 4 622 080 STS 18 933 120 STS 24 1244 160 STS 36 1866 240 STS 48 STM 16 2488 320 STS 96 STM 32 4976 640 STS 192 STM 64 9953 280 2 4 Redes de Dados As redes de dados surgiram em resposta a necessidades crescentes de comunica o generalizada entre computadores de forma a suportar novos e diversos requisitos de utilizadores Constitu ram por um lado uma alternativa em termos de desempenho custos e servi os oferecidos a solu es tradicionais do tipo centralizado e por outro utiliza o de meios de transmiss o da rede telef nica p blica linhas comutadas ou alugadas com limita es reconhecidas As redes digitais de dados oferecendo solu es mais econ micas mais fi veis e mais flex veis criaram condi es favor veis utiliza o generalizada de recursos computacionais distribu dos inclusive por pessoas e organiza es n o contempladas pelas solu es tradicionais 17 Capitulo 2 O trafego destas redes caracteriza se por d bitos elevados em intervalos de tempo relativamente curtos associados a perio
183. mente foram se acrescentando em cada simula o mais 5 fontes de cada vez Na Tabela 6 8 Variante A est o registados os valores obtidos para os atrasos m ximos de cada tipo de fluxo o tamanho m ximo dos FIFOs associados a cada fluxo o tamanho m dio dos pacotes CPS assim como os valores indicativos Loopclockmax e simulados Loopclocksim do Loopclock 165 Capitulo 6 Tabela 6 8 Resultados da avalia o do algoritmo orientado s classes de tr fego usando o cen rio 2 Variante A Loopclockmax Loopclocksim F2 F3 CPS ms ms octetos octetos octetos 4 286 4 1 10 3575 35 65 2 195 2 10 1985 41 11 1 475 1 4 10 1365 43 67 1 111 1 1 5 10 1805 45 17 A segunda variante consiste em efectuar um procedimento semelhante Come a se por simular o algoritmo com o mesmo n mero de fontes de cada tipo i e 5 de cada em que agora se acrescentam de cada vez 5 fontes do tipo Sensor Os resultados obtidos Variante B s o apresentados na Tabela 6 9 seguindo a mesma l gica dos apresentados na Variante A Tabela 6 9 Resultados da avalia o do algoritmo orientado s classes de tr fego usando o cen rio 2 Variante B Loopclockmax Loopclocksim F2 F3 CPS ms ms octetos octetos octetos 4 286 4 1 10 3575 35 65 4 091 3 9 10 7375 32 21 3 913 2 4 10 740 21 32 3 750 1 6 10 510 19 53 1 No caso da Variante A verifica se qu
184. mentos o aparecimento de novas aplica es assim como a inclus o de novas funcionalidades noutras aplica es que apresentam actualmente desempenhos significativamente limitados Esta capacidade de multiplexagem pode mesmo ser expandida nomeadamente pelo protocolo da camada de adapta o AAL 2 Al m disso quando necess rio a utiliza o das redes p blicas de telecomunica es para interligar remotamente unidades sensores e actuadoras permitir alargar a rea de cobertura dos actuais sistemas de aquisi o de dados e controlo Ao oferecer maiores capacidades de transmiss o e atrasos control veis as redes ATM permitem igualmente integrar tr fego de fluxos de baixo d bito com os gerados por outro tipo de servi os Por outro lado qualquer sistema de transmiss o com capacidade de transportar de uma forma transparente c lulas ATM podem servir de suporte da infra estrutura de rede da solu o proposta 115 Especificacao do sistema proposto No cap tulo anterior foi apresentada uma solu o que permite superar algumas das limita es dos principais sistemas que constituem as redes industriais No entanto para atingir os objectivos propostos torna se necess rio especificar em concreto a arquitectura geral do sistema composta por um ou v rios Adaptadores de terminal e um Concentrador ligados atrav s de uma Rede de comunica o a uma Aplica o de controlo A Rede de comunica o poder ser uma re
185. mero de fluxos de baixo d bito duma forma eficiente 178 Conclus es Em rela o ao concentrador verificou se que embora o Algoritmo de escalonamento seja mais simples igualmente eficaz na melhoria da efici ncia global de multiplexagem Deste modo verifica se experimentalmente ser poss vel interligar remotamente diferentes sistemas de aquisi o de dados e controlo com garantias de satisfa o da Qualidade de Servi o requerida pelas aplica es atrav s da arquitectura do sistema proposto 7 1 Trabalho futuro O trabalho desenvolvido que conduziu especifica o e an lise de desempenho da solu o proposta s poder ser considerado conclu do na altura em que se produzir um prot tipo suscept vel de produ o em s rie para comercializa o Para tal algumas das fun es desenvolvidas para os sistemas de testes descritos podem ser reutilizadas numa implementa o final Entretanto e tendo em vista esse objectivo ser ainda necess rio despender algum esfor o no estudo e desenvolvimento da Aplica o de controlo que permita controlar correctamente os fluxos de informa o dos sensores para as entidades de controlo e destas para os actuadores O estudo dos atrasos m ximos introduzidos pela rede em fun o da dist ncia entre os terminais interligados que condicionam a utiliza o dos sistemas em aplica es que requerem baixos atrasos poder tamb m ser efectuado futuramente C
186. multaneamente informa o para o observador Estas comunica es 132 Especifica o do sistema proposto concorrentes na vizinhan a de um fen meno podem gerar conten o no meio de comunica o aumentando a probabilidade de perda de informa o cr tica e a lat ncia em reportar o evento e Modelos din micos de rede Uma rede de sensores forma um caminho entre o fen meno e o observador O objectivo do protocolo na rede de sensores criar e manter este caminho ou m ltiplos caminhos sob condi es din micas Sem perda de generalidade esta discuss o assume um nico observador M ltiplos observadores podem ser suportados com inst ncias m ltiplas de um nico observador e Toler ncia a falhas Os sensores podem falhar devido a m s condi es ambientais ou por falta de energia Uma vez que nem sempre poss vel a troca dos dispositivos em tempo til a aplica o deve ser tolerante a falhas ou seja desej vel que as falhas n o catastr ficas sejam transparentes para a aplica o A Aplica o de controlo executar igualmente as fun es de controlo de tr fego de acordo com os requisitos de cada aplica o concreta bem como as fun es de sinaliza o e de gest o indispens veis interliga o de equipamentos normalizados S ntese Neste cap tulo foram especificados os m dulos constituintes da arquitectura proposta para a adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de contr
187. multiplexing n o ocupando por isso uma posi o fixa no tempo como acontece no modo de comuta o de circuitos A dimens o de cada c lula de 53 octetos e como mostra Figura 3 12 decomp e se em dois campos cabe alho e informa o O cabe alho com 5 octetos cont m entre outros par metros os que permitem fazer o encaminhamento da c lula atrav s da rede O outro campo destinado a transportar a informa o do utilizador payload 5 octetos 48 octetos Figura 3 12 Formato de uma c lula ATM As caracter sticas da camada ATM s o independentes do sistema de transmiss o e do meio de transmiss o utilizados A adapta o da camada ATM ao sistema de transmiss o feita ao n vel da camada F sica Esta separa o entre a camada ATM e a transmiss o permite que comutadores e multiplexers ATM possam ser introduzidos na rede e evoluir independentemente dos aspectos de transmiss o da rede 69 Capitulo 3 Ao nivel da camada ATM s o cabe alho processado uma vez que o campo de informa o s processado nos extremos de uma liga o Os 5 octetos do cabe alho s o repartidos por diversos campos conforme mostra a Figura 3 13 Figura 3 13 Estrutura do cabe alho da c lula ATM nas interfaces de utilizador UNI e de rede NNI A estrutura do cabe alho diferente na interface utilizador rede UNI User Network Interface e nas interfaces internas da rede designadas interfaces entre n s
188. munica es podem alterar as caracter sticas relacionadas com o atraso de propaga o ou os meios de transmiss o entre operadores em resposta aos diferentes requisitos de utilizadores e aplica es algumas tarefas que exijam uma maior interactividade poder o sofrer alguma degrada o no seu desempenho mesmo para valores do atraso da ordem dos 100ms Deste modo o atraso de transmiss o dever ser consumido com precau o e s apenas quando este traz benef cios ao desempenho do servi o Isto aplica se especialmente no caso dos atrasos introduzidos devido ao processamento de sinal O servi o de voz bastante sens vel ao atraso e menos sens vel a varia es desse atraso jitter muito importante garantir que o atraso extremo a extremo seja mantido entre valores bem definidos de modo a garantir uma comunica o interactiva com desempenho adequado O atraso pode produzir dois tipos de efeito no desempenho de uma comunica o lye97 pode interferir na qualidade de uma comunica o de voz na aus ncia de eco enquanto que na sua presen a o aumento do atraso provoca um aumento do seu efeito Quando o atraso ultrapassa os 30ms necess rio introduzir circuitos canceladores de eco Com circuitos canceladores de eco os atrasos na rede podem ser tolerados at valores da ordem dos 150ms sem degrada o da Qos A Tabela 4 1 apresenta os limites temporais considerados aceit veis no caso da transmiss o unidireccional co
189. n meno observado fornecendo informa o i e medidas estat sticas amostras acerca deste ou poder interagir com o pr prio fen meno ou qualquer elemento relacionado com este como reac o aos dados recebidos e N cleo de controlo Poder ser constitu do por uma esta o de trabalho onde existir o os programas necess rios ao controlo de toda a aplica o e Unidade de Interfuncionamento Este m dulo permitir efectuar a convers o da informa o recolhida pelos dispositivos em formatos de dados pass veis de poderem ser transportados de forma eficiente para a aplica o e em sentido inverso 95 Capitulo 4 e Fen meno a controlar Em fun o das caracter sticas associadas a um determinado fen meno poder o existir dispositivos de diversos tipos e com diferentes caracter sticas f sicas que permitir o recolher a informa o acerca das grandezas a medir Por outro lado em resposta informa o recolhida pela aplica o poder ser necess rio intervir no fen meno Neste caso a informa o ser enviada em sentido inverso para dispositivos actuadores que desencadeiam ac es suscept veis de alterar o fen meno a controlar Este tipo de aplica es poder envolver sistemas dispersos por diferentes reas geogr ficas que podem variar desde uma pequena propriedade rural at reas que podem envolver um conjunto de pa ses Deste modo ser conveniente que a infra estrutura de transporte
190. n Layer Specification Type 3 4 AAL Agosto de 1996 ITU T Rec 1 363 5 B ISDN ATM Adaptation Layer Specification Type 5 AAL Agosto de 1996 ITU T Rec 1 371 Traffic control and congestion control in B ISDN Agosto de 1996 ITU T Rec 1 356 B ISDN ATM layer cell transfer performance Outubro de 1996 ITU T Rec 1 371 1 Traffic control and congestion control in B ISDN conformance definitions for ABT and ABR Junho de 1997 ITU T Rec 1 363 2 B ISDN ATM Adaptation Layer Specification Type 2 AAL Setembro de 1997 ITU T Rec 1 366 1 Segmentation and Reassembly Service Specific Convergence Sublayer for the AAL type 2 Junho de 1998 ITU T Rec G 114 One way transmission time 18 Maio 2000 lyer J Jain R Munir S Dixit S Performance of Compressed Voice Sources over VBR ATM Forum 97 0608 Julho de 1997 James J H Chen B Garrinson L Implementing VoIP A Voice Transmission Performance Progress Report IEEE Communications Magazine pp 36 41 Julho de 2004 Jiahua W Tillett R McFarlane N Extracting the three dimensional shape of live pigs using stereo photogrammetry Computers and Electronics in Agriculture 44 pp 203 222 Elsevier Maio de 2004 Kernighan B Ritchie D The C Programming Language Second Edition Prentice Hall Englewood Cliffs New Jersey 1988 Keshav S An Engineering Approach to C
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192. nida no estabelecimento da liga o Os valores apresentados na Tabela 4 3 permitem concluir que usando a tecnologia ATM poss vel resolver algumas limita es impostas pelos Barramentos de Campo a determinados requisitos de Aplica es de controlo nomeadamente ao n vel da capacidade de endere amento d bito bin rio e rea coberta Em rela o as LANs o ATM permite tamb m uma muito maior flexibilidade quer em termos de endere amento quer ao n vel da garantia de QoS negociada para a liga o para al m de garantir uma maior rea coberta 108 Adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo A tecnologia ATM atrav s da sua camada de Adapta o AAL permite implementar uma estrutura de multiplexagem eficiente para agregar o tr fego dos fluxos de baixo d bito garantindo por um lado a identifica o de cada dispositivo e por outro a defini o de diferentes n veis de QoS em fun o da especificidade do servi o a transportar Como a tecnologia ATM n o especifica o meio f sico de transmiss o o transporte de c lulas ATM poder ser efectuado por um qualquer sistema que garanta a QoS necess ria da liga o entre a Aplica o de controlo e os dispositivos interligados Deste modo ao seleccionar o ATM como suporte da infra estrutura de comunica o do sistema de adapta o de tr fego de baixo d bito ser poss vel garantir partida um conjunto de vantagens enumera
193. no contentor virtual VC 4 que em seguida mapeado na trama STM 1 Esta al m do contentor virtual VC 4 composta por uma estrutura de controlo de 9 X 9 octetos cnamada de SOH SOH Section Overhead Um destes campos AU 4 Administrative Unit 4 cont m um apontador que indica a posi o na trama onde se inicia a transmiss o das c lulas A capacidade til de transmiss o desta estrutura de 260 X 9 2340 octetos Este valor como n o m ltiplo do tamanho das c lulas ATM faz com que a posi o ocupada por estas n o seja fixa como ilustra a Figura 3 29 Deste modo a delimita o das c lulas na recep o efectuada 85 Capitulo 3 a custa do processamento do cabe alho da c lula da forma referida anterioriormente ou atrav s do processamento do campo H4 do VC 4 POH que indica a posi o do contentor virtual VC 4 onde se localiza o in cio da primeira c lula transportada na trama seguinte 3 3 1 5 Configura es de Refer ncia Uma configura es de refer ncia uma representa o esquem tica em que s o definidas claramente a interface entre as v rias entidades da rede e as fun es das diferentes entidades A configura o de refer ncia usada na RDIS BL correspondente interface utilizador rede derivada da utilizada na RDIS e vem descrita na recomenda o 1 411 do ITU T ITU93e A Figura 3 30 representa a configura o de refer ncia para a interface utilizador rede constitu da
194. nsores ou actuadores incomparavelmente maior do que o suportado pelos actuais sistemas de aquisi o de dados e controlo geralmente utilizados em ambientes industriais A capacidade da rede ATM para suportar este tipo de tr fego permitir Capitulo 7 al m da possibilidade de integrar diferentes tipos de sistemas e equipamentos o aparecimento de novas aplica es assim como a inclus o de novas funcionalidades noutras aplica es que apresentam actualmente desempenhos significativamente limitados Al m disso a utiliza o das redes p blicas de telecomunica es para interligar remotamente unidades sensoras e actuadoras permitir alargar a rea de cobertura dos actuais sistemas de aquisi o de dados e controlo Ao oferecer maiores capacidades de transmiss o e atrasos control veis as redes ATM permitem igualmente integrar tr fego de fluxos de baixo d bito com os gerados por outro tipo de servi os A arquitectura proposta inclui uma aplica o de controlo remoto para interligar atrav s de uma rede ATM os diversos dispositivos atrav s de dois m dulos fundamentais o Adaptador de terminal e o Concentrador O primeiro destina se a efectuar a liga o directa ou indirecta dos sensores e ou actuadores enquanto que o segundo permite interligar os v rios Adaptadores de terminal efectuando um esp cie de multiplexagem de segunda ordem Para efectuar a agrega o de tr fego foram desenvolvidos Algoritmos de
195. nstru do com um comprimento igual a este valor Os octetos restantes far o parte do pacote seguinte correspondente a este canal Os detalhes relacionados com o formato de dados deste protocolo foram j descritos na sec o 3 3 1 3 No entanto a Figura 5 3 mostra novamente de uma outra forma a estrutura de um pacote CPS CPS INFO CID Channel Identifier 8 bits LI Length Indicator 6 bits UUI User to User indication 5 bits HEC Header Error Control 5 bits CPS INFO Informa o 1 45 64 octetos Figura 5 3 Estrutura de um pacote CPS O Campo CID identifica o canal utilizado Os canais s o numerados de 8 a 255 uma vez que a recomenda o reserva os valores entre 0 e 7 para outras fun es O campo LI indica o comprimento do campo de informa o CPS INFO em octetos Para cada canal o valor de LI indica quantos octetos foram lidos do FIFO da entrada correspondente Este 122 Especifica o do sistema proposto valor pode variar para cada canal em fun o do n mero de octetos dispon veis no FIFO e em cada processo de leitura Como foi referido no cap tulo 3 o campo UUI pode implementar duas fun es transportar informa o espec fica de forma transparente atrav s da subcamada CPS e distinguir entre uma entidade SSCS caso os valores estejam entre 0 e 27 e a camada de gest o No contexto deste trabalho foi usada a primeira op o onde o campo UUI serve para endere ar o Adaptador de
196. nte das fontes de entrada e Rel gio de uso combinado da camada AAL 2 Timer CU e Filas de espera usadas pelas camadas AAL e ATM respectivamente em concentradores ou dispositivos de controlo de tr fego e Varia o do atraso entre c lulas numa rede CDV De acordo com ATM99a uma IWF dever ter a capacidade de acomodar um valor m ximo de PDV igual a 20ms no transporte de pacotes atrav s de uma liga o AAL 2 incluindo o efeito do CDV No caso de a liga o n o ter sido estabelecida atrav s de sinaliza o ou atrav s de um outro acordo extremo a extremo o mesmo valor de 20ms dever ser usado como valor m ximo por omiss o 106 Adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo 4 2 2 Capacidades de transmiss o e par metros de QoS das tecnologias estudadas A escolha da tecnologia de suporte de aplica es de controlo ter de ser baseada em crit rios objectivos baseados na an lise dos diversos par metros de QoS que permitam avaliar quantitativamente as diversas op es em causa Apresentando diferentes capacidades e caracter sticas as tecnologias de comunica o introduzidas no cap tulo 3 merecem uma breve analise comparativa Na Tabela 4 3 s o apresentados alguns valores que permitem comparar as capacidades de transmiss o e alguns par metros de QoS suportados pelas Redes de rea Local Barramentos de Campo e pela rede p blica digital atrav s da tecnologia ATM Tabel
197. nte ineficiente do ponto de vista do aproveitamento da capacidade de transmiss o e capacidade de suporte de tr fego peri dico e aperi dico O tr fego peri dico est normalmente associado a informa o resultante de processos de amostragem e o tr fego aperi dico normalmente gerado por situa es ocasionais tais como sinais de alarme gerados como consequ ncia de falhas em dispositivos e protec o contra falhas isoladas O projecto destas redes deve assegurar um n vel m nimo de redund ncia de modo a prevenir que a falha de um dispositivo n o provoque a falha da rede e g cabos e controladores e baixos custos de interface Este requisito implica o uso de comunica es s rie em topologias do tipo barramento ou estrela de modo a reduzir os custos de cablagem e o uso de protocolos que conduzam a implementa es simples e de baixo custo O modelo OSI OSI Open Systems Interconnection da ISO ISO International Standards Institute especifica uma estrutura modular em sete camadas de modo a permitir uma elevada flexibilidade e interoperacionalidade entre os varios sistemas de comunica o No entanto esta estrutura acarreta um aumento da quantidade de processamento e do overhead necess rio ao suporte dos diversos formatos de informa o associados a cada uma das camadas Deste modo os Barramentos de Campo implementam apenas um estrutura baseada em tr s camadas F sica Liga o de dados e Aplica o sendo esta
198. ntexto o trabalho apresentado nesta tese explorou v rios cen rios para interliga o remota de sistemas de aquisi o de dados e de controlo tendo estabilizado numa solu o caracterizada por uma arquitectura centralizada com dois n veis de concentra o de tr fego A especifica o a implementa o e a an lise de desempenho desta solu o constituem as tr s contribui es fundamentais deste trabalho Em primeiro lugar foi definida a arquitectura proposta que inclui uma aplica o de controlo remoto para interligar os diversos dispositivos atrav s de dois m dulos fundamentais o Adaptador de terminal e o Concentrador O primeiro destina se a efectuar a liga o directa ou indirecta dos sensores e ou actuadores enquanto que o segundo permite interligar os v rios Adaptadores de terminal efectuando um esp cie de multiplexagem de segunda ordem Posteriormente foi necess rio inventariar e caracterizar as diversas fontes geradoras de tr fego do ponto de vista de d bito gerado caracter sticas temporais e estat sticas de tr fego para dimensionar os m dulos necess rios ao suporte de aplica es Mostrou se necess rio tamb m definir uma estrutura de multiplexagem capaz de suportar o transporte da informa o das diversas fontes de tr fego duma forma eficiente quer do ponto de vista da rede quer do ponto de vista da satisfa o da QoS exigida pelo servi o Capitulo 1 A QoS dos diversos servi os a sup
199. nto que os sistemas DS 1 e DS 3 com d bitos de 1 5Mbit s e 45Mbit s respectivamente s o os mais usados nos EUA Os valores de ALFA e DELTA poder o ser ajustados aos diferentes sistemas de transmiss o sendo os valores de ALFA 7 e DELTA 6 ou 8 recomendados para as interfaces de 155 520 kbit s 84 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo Seguidamente feita uma breve descri o sobre a forma como s o transmitidas as c lulas nas hierarquias digitais s ncronas e Transmiss o de c lulas nas hierarquias digitais sincronas No caso do transporte de c lulas ATM tanto a rede SDH como a rede SONET usam o formato de dados de transporte VC 4 tornando se as diferen as entre estas duas redes praticamente nulas no contexto das redes B ISDN A Figura 3 29 mostra a forma como s o transportadas as c lulas na trama STM 1 da rede SDH 9 octetos 261 octetos AU 4 Pointer N s x Ss STM 1 Synchronous Transport Module Level 1 S SOH Section Overhead E q VC 4 POH Path Overhead s AU 4 Administrative Unit 4 C 4 Container Type 4 s VC 4 Virtual Container Type 4 L C lula ATM VC4POH e Figura 3 29 Transporte de C lulas ATM na rede SDH Na emiss o as c lulas s o colocadas em contentores do tipo C 4 com capacidade de 9 X 260 octetos A este contentor virtual adicionado um conjunto de 9 X 1 octetos de controlo chamados de POH POH Path Overhead resultando
200. o e Sensores de humidade Aplica o id ntica anterior Apenas usado um sensor que mede uma grandeza f sica diferente e Sensores de luminosidade Aplica o id ntica s anteriores Neste caso a grandeza a medir a quantidade de luz absorvida pelo sensor Os processos em que s o usados este dispositivos s o tamb m caracterizados por constantes de tempo elevadas Tal como as 2 anteriores existem aplica es em que a luminosidade deve ser medida com intervalos de nano segundos Man03 de alguns minutos em esta es meteorol gicas e algumas horas em observa es de astros e Sensores de estado S o dispositivos muito simples que apenas indicam o valor de um estado bin rio On Off Podem indicar se como exemplos o simples detector de estado de um interruptor detectores de estados de paragem de m quinas industriais e detectores de fim de curso Caracterizam se por produzirem esporadicamente quantidades de informa o muito baixas ie um bit A informa o gerada por estes sensores pode necessitar de atrasos de transmiss o muito baixos e Dispositivos de actua o m ltipla Um painel de comando normalmente constitu do por um conjunto de interruptores Consoante o interruptor actuado enviado o endere o correspondente Neste caso enviado um octeto sempre que accionado um interruptor O atraso de propaga o entre o painel de comando e o actuador correspondente depender da aplic
201. o os sistemas periciais e a intelig ncia artificial t m vindo a assumir um papel fundamental na implementa o de estrat gias de automa o e gest o integradas Diversos sistemas periciais de ajuda ao produtor no diagn stico e resolu o de problemas espec ficos como sejam o diagn stico de doen as entre outros t m vindo a ser aplicados com sucesso agricultura Gre94 Bea95 De uma forma simples um sistema pericial pode ser definido como um programa de computador que substitui um especialista humano na assist ncia a um utilizador no diagn stico de problemas na selec o de alternativas e na gest o de sistemas O sistema composto por um m dulo de conhecimento um de infer ncia que analisa o anterior e uma interface com o utilizador como ilustrado na Figura 4 1 Base Mecanismo de de Interface Conhecimento Infer ncia Utilizador Perito Mem ria de Trabalho Figura 4 1 Diagrama de blocos de um sistema pericial O m dulo de conhecimento cont m informa o e estrat gias geralmente obtidas de especialistas por forma a poderem tomar se decis es complexas num dom nio espec fico Como exemplos de aplica es de sistemas periciais agricultura podem referir se os trabalhos de an lise e decis o dos nutrientes a fornecer s plantas com base na radia o solar e na resposta destas Fyn94 de determina o dos valores ambientais di rios desejados para a produ o de tomate no Inverno balan
202. o de links paralelos 802 3ae 10Gbit s Ethernet 802 3ah Ethernet in the First Mile 36 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo 3 1 2 Topologias de redes locais As liga es f sicas entre os diversos n s de uma rede formam um grafo que define a sua topologia A topologia de uma rede tem influ ncia em v rios factores tais como a opera o manuten o facilidade de expans o e facilidade de detec o de n s em falha As topologias b sicas resumem se a tr s estrela anel e barramento A partir destas podem ser formadas topologias h bridas de que exemplo a topologia em rvore Topologia em estrela Na topologia em estrela todas as esta es da rede est o ligadas a um n central Essa liga o poder ser efectuada atrav s dum canal bidireccional ou de dois canais uni direccionais A Figura 3 1 mostra esse tipo de topologia T Figura 3 1 Topologia em estrela O desempenho duma rede com esta topologia depende das fun es executadas pelo n central Algumas destas fun es s o descritas a seguir e interliga o directa entre esta es quando uma esta o deseja transmitir envia um pedido de liga o ao n central especificando o n destino O n central estabelece ent o uma liga o entre as duas esta es e Estrela activa o n central executa duas fun es principais e Regenera e temporiza os sinais gerados num n
203. o de novos servi os e equipamentos terminais Numa primeira fase que corresponde RDIS dita de banda estreita RDIS be ser o abrangidos servi os com um d bito m ximo de 2Mbit s O ITU aprovou em finais de 1984 um conjunto de recomenda es S rie que definem os aspectos essenciais da RDIS A RDIS utiliza como suporte a rede PCM ou plesi crona O ITU definiu apenas duas interfaces diferentes de acesso dos utilizadores rede a interface b sica e a interface de d bito prim rio 31 Capitulo 2 A interface basica constituida por dois canais de 64kbit s designados por canais B e por um canal de 16kbit s designado por canal D Esta interface vulgarmente designada por So ou por 2B D devido a sua estrutura de canais A interface prim ria constitu da por 30 canais B de 64kbit s e por um canal D de 64kbit s na vers o europeia sendo habitualmente designada por S ou 30B D Na vers o norte americana a interface de d bito prim rio possui 23 canais B de 64kbit s e um canal D de 64kbit s sendo designada por S ou 23B D Em ambas as interfaces os canais B permitem um d bito de 64kbit s podendo ser utilizados para canais de transfer ncia de informa o de voz udio e informa o digital sem restri es O canal D tem um d bito de 16kbit s na interface b sica e de 64kbit s na interface prim ria sendo utilizado para sinaliza o e para dados em modo pacote Na interface prim ria est o t
204. o de servi o assim como interligar as redes existentes e futuras e constituindo a espinha dorsal da infra estrutura de telecomunica es ser tamb m capaz de suportar o transporte do tr fego de d bito bin rio constante CBR CBR Constant Bit Rate caracter stico das redes de comuta o de circuitos Tal como a rede de comuta o de circuitos mais vocacionada para o transporte de sinais de d bito bin rio constante a rede ATM por utilizar uma tecnologia de comuta o de pacotes mais adequada ao transporte de sinais do tipo burst tais como dados O transporte de sinais CBR numa rede ATM vulgarmente referido como Emula o de Circuitos Cab95 O desempenho de um Servi o de Emula o de Circuitos CES Circuit Emulation Service em redes ATM deve ser compar vel ao verificado com recurso a t cnicas TDM TDM Time Division Multiplexing A Figura 3 16 representa o formato da unidade de dados do protocolo PDU Protocol Data Unit para a subcamada de segmenta o e reuni o SAR PDU na camada de adapta o do tipo 1 correspondente a servi os da Classe A 4bits A 47 bytes SNP SAR_PDU Payload CV Abits OS ke SN Sequence Number i NG SNP Sequence Number Protection i EPB Even Parity Bit CRC 3 bits EPB CSI Convergence Sublayer Indication SC Sequence Count Figura 3 16 Unidade de dados do protocolo para a subcamada SAR do AAL 1 73 Capitulo 3 O primeiro octeto do campo d
205. o do sistema proposto 6 Se o n mero de octetos restantes for maior que o valor de LI s o guardados os octetos do pacote CPS at ao valor de LI Coloca o pacote CPS na fila de pacotes CPS Salta para o ponto 5 7 Se o n mero de octetos restantes for inferior a LI significa que o resto do pacote CPS acaba no ATM SDU seguinte Guarda os octetos restantes e salta para o ponto 1 e Detec o de erros e Desmultiplexagem Neste m dulo verificada a exist ncia de erros no cabe alho dos pacotes CPS e efectuada a desmultiplexagem dos v rios canais Para efectuar a detec o de erros s o seguidos os procedimentos normais associados aos c digos c clicos Car86 Neste caso estamos em presen a de um c digo Hamming do tipo n k 24 19 Significa que para cada 19 bits de informa o temos 24 bits de c digo ou seja q n k 5 em que q representa o n mero de bits de paridade De acordo com Car86 este c digo consegue corrigir erros simples e detectar alguns erros duplos Para efectuar a correc o de erros necess rio efectuar o c lculo do Sindroma S p rem Y p G p S p representa o polin mio do S ndroma Y p o polin mio da palavra recebida cabe alho do CPS e G p o polin mio gerador do c digo p p7 1 O operador rem corresponde ao resto da divis o m dulo 2 A Figura 5 8 ilustra o diagrama funcional do processo de controlo de erros do cabe alho dos pacotes CPS Os pacote
206. o para o observador dentro do limite de desempenho desejado O observador efectua consultas que podem ser est ticas os sensores s o programados para fornecer dados de acordo com um padr o espec fico ou din micas A rede pode participar na sintetiza o da consulta Por exemplo filtrando alguns dados dos sensores ou fundindo diversas medidas num valor As optimiza es nestes tr s n veis s o poss veis para melhorar o desempenho Um sistema de controlo integra um grande n mero de sensores actuadores e respectivas entidades de controlo Por isso mesmo que a interliga o de cada par de dispositivos terminais apresente d bitos baixos e exija atrasos de transmiss o moderados os d bitos globais suportados pela rede poder o atingir valores elevados e atrasos que se n o forem controlados poder o tornar se inaceit veis 4 1 1 Cen rios de Aplica o Est o identificadas in meras aplica es em que necess rio que os sistemas de aquisi o de dados e controlo suportem a cobertura de reas de grande dimens o e mesmo geograficamente dispersas Eis alguns exemplos e estufas agr colas e unidades de agro pecu ria e ind stria t xtil e esta es meteorol gicas e sistemas de detec o de fogos florestais 92 Adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo Os sensores podem tamb m ser usados para monitorar ambientes que sejam de dif cil acesso ou perigosos tais como o fundo do
207. o para uma fila espec fica em fun o da classe de tr fego que o pacote transporta Deste modo custa da introdu o de um pequeno atraso consegue se implementar um mecanismo que atende prioritariamente os pacotes de classe AM e assim minimize o atraso dos servi os associados a estas classes A Figura 6 18 ilustra o mecanismo usado para o escalonamento de tr fego no Concentrador Porta 1 Porta 2 Porta n Estado Fila D Adaptador de Rel gios Pacotes CPS Cria o CPS SDU Netclock CPS SDU Figura 6 18 Diagrama funcional do mecanismo de escalonamento de tr fego do Concentrador em que usada a estrutura de multiplexagem dos pacotes CPS da camada AAL 2 169 Capitulo 6 A estrutura funcional deste m dulo basicamente id ntica da usada para o Adaptador de terminal Este algoritmo implementa um mecanismo de prioridade mais simples uma vez que n o tem de calcular os tempos de envio dos pacotes de classe AM Por outro lado neste algoritmo necess rio processar os campos LI de cada pacote de forma a determinar o seu comprimento Assim o escalonador usar o seguinte algoritmo 1 Em cada instante dado pelo Loopciock processa os pacotes das filas de classe AM 2 Caso n o existam pacotes nas filas AM processa os pacotes das filas D 3 Caso n o existam pacotes nas filas D processa os pacotes das filas EM Devido ao efeito de concentra o poder ocorrer o fen meno de overflow no FIFO de
208. o pelo centro de comuta o de servi os m veis MSC Mobile service Switching Center o centro de opera o e manuten o OMC Operation and Maintenance Center e as bases de dados associadas O MSC fornece todos os servi os necess rios para o estabelecimento de uma comunica o m vel Al m disso uma liga o para outros MSCs ou para as redes p blicas de telecomunica es suportada igualmente pelo MSC Cada assinante pertence a uma dada PLMN PLMN Public Land Mobile Network Toda a sua informa o relevante guardada no HLR HLR Home Location Register No caso do assinante estar situado fora do alcance da sua PLMN toda a informa o relevante desse assinante guardada no VLR VLR Visitor Location Register da rede PLMN onde o assinante se encontra De uma forma geral o VLR guarda a informa o relativa aos utilizadores que se encontram dentro da rea coberta por uma dada PLMN pertencentes a PLMNs remotas O EIR EIR Equipments Identity Registers cont m uma lista de todos os equipamentos m veis em uso na rede Cada equipamento identificado por um IMEI IMEI International Mobile Equipment identity Code O AUC AUC Autentication Center consiste numa base de dados que cont m uma copia da chave secreta armazenada no cart o SIM SIM Subscriber Identity Module O OMC respons vel pela administra o que envolve a configura o de par metros de certas unidades e supervis o de todos os componentes dentro
209. o ponto de vista de uma poss vel implementa o final que permitir quantificar os par metros principais relacionados com o seu 137 Capitulo 6 comportamento perante diversos tipos de trafego A Figura 6 1 mostra a sua estrutura funcional C Esc L alonador Interface de Controlo E Encapsulamento CPS Recolha Ficheiro de Encapsulamento CPS_SDU Resultados Figura 6 1 Estrutura do sistema de testes para avalia o do Adaptador de terminal Temporizador O sistema implementado por um conjunto de programas em C Cab05 constitu do por diversos componentes que permitem efectuar a simula o do comportamento dos m dulos de emiss o do Adaptador de terminal relacionados com o escalonamento de informa o Em seguida ser o descritos cada um dos blocos funcionais e Interface de controlo Este m dulo permite efectuar o controlo de toda a simula o Efectua a gest o dos diversos m dulos sincronizado pelo Temporizador neste m dulo que se define o tempo de simula o e Fontes de informa o Para cada fonte de informa o necess rio definir as caracter sticas de cada fluxo Existe para cada fonte um m dulo em que s o especificados os seguintes par metros e D bito Constante ou variavel e Valor m dio do d bito e Classe de tr fego de acordo com o especificado na sec o 4 1 3 e Distribui o estat stica usada no caso do fluxo n o ser de d bito constan
210. o por omiss o de 45 octetos mas pode ser alterado para 64 octetos atrav s de mecanismos de sinaliza o e 75 Capitulo 3 gest o O campo UUI tem duas fun es transportar informa o espec fica de forma transparente atrav s da subcamada CPS e distinguir entre uma entidade SSCS caso os valores estejam entre 0 e 27 e a camada de gest o CPS Packet Payload CPS PP 4 CPS Packet Header CPS PH CPS Packet CID Channel Identifier 8 bits LI Length Indicator 6 bits UUI User to User indication 5 bits HEC Header Error Control 5 bits CPS INFO Informa o 1 45 64 bytes Figura 3 18 Unidade de dados do protocolo para a subcamada CPS do protocolo AAL 2 atrav s do campo CID que poss vel multiplexar no m ximo 248 entidades SSCS numa nica liga o ATM Este campo identifica os pacotes CPS associados a cada um dos fluxos da camada superior Estes pacotes s o agrupados para formar os 48 octetos da ATM SDU Devido ao tamanho vari vel destes pacotes necess rio localizar a sua posi o dentro do campo de informa o da c lula atrav s de um pequeno cabe alho STF que ocupa sempre o primeiro octeto Este mecanismo ilustrado na Figura 3 19 Start Field CPS PDU Payload Cabecalho da C lula ATM os a EH OSF Offset Field 6 bits SN Sequnce Number 1 bit CPS PDU P Parity 1 bit PAD Padding 0 a 47 bytes Figura 3 19 Formato do CPS PDU do AAL 2 O ST
211. ogy was selected for the properties it presents related with the multiplexing efficiency and the control of packetization delay To perform traffic aggregation Scheduling Algorithms for the Terminal Adapter and Concentrator have been developed in order to satisfy two main goals to guarantee commitment delay for the services with time restrictions and to increase the network transmission efficiency The performance analysis was based on a simplified system implemented by a set of programs in C language that allows the evaluation in an objective way of the proposed traffic Scheduling algorithms The results obtained show a system performance compatible with the requirements of the great majority of control applications It was still possible to identify a set of subjects of possible developments in future works that include the final specification and implementation of a system based on the proposed architecture e Keywords AAL ATM Concentrator Control Data acquisition Fieldbus Protocol Quality of Service Service integration Terminal adapter Scheduling Agradecimentos Em primeiro lugar agrade o aos meus orientadores Professor Doutor Joaquim Neves e Professor Doutor Jos Ruela Fernandes toda a disponibilidade e colabora o prestadas durante a realiza o desta tese Em segundo lugar gostaria de destacar o papel importante do meu colega Gerardo Rocha no apoio prestado ao longo do desenvolvimento do trabal
212. olo de modo a interligar uma grande quantidade de dispositivos de baixo d bito maximizando a efici ncia de transmiss o da rede e garantindo a QoS atraso requerida pelos servi os a suportar Foram descritos os m dulos fundamentais o Adaptador de terminal e o Concentrador bem como a interliga o dos v rios componentes do sistema Em rela o ao Adaptador de terminal foi apresentada a sua estrutura funcional sendo descritos com detalhe os m dulos de emiss o e recep o O Concentrador efectua opera es de multiplexagem e desmultiplexagem que s o executadas nos seus m dulos de concentra o e de expans o Nestes equipamentos usado o protocolo AAL 2 como 133 Capitulo 5 suporte de toda a estrutura de multiplexagem Fez se ainda refer ncia a necessidade de implementa o de Algoritmos de escalonamento no Adaptador de terminal e no Concentrador bem como aos requisitos de funcionamento da Aplica o de controlo No cap tulo seguinte ser efectuada a an lise de desempenho do sistema em fun o de diferentes objectivos de desempenho traduzidos em Algoritmos de escalonamento desenvolvidos de acordo com os requisitos dos servi os e com as capacidades da rede 134 Analise de desempenho do sistema Para avaliar as qualidades e limita es dos modelos propostos foram realizadas simula es com tr fego caracter stico das redes industriais onde os sistemas de controlo se inserem bem como com
213. omo ficou demonstrado recorrendo tecnologia ATM poss vel multiplexar eficazmente um n mero muito elevado de fontes de tr fego e estabelecer a interliga o remota de sensores actuadores e entidades de controlo ou mesmo a interliga o de diferentes redes industriais e garantir a Qualidade de Servi o negociada no estabelecimento das liga es No entanto apesar da solu o proposta ter subjacente a tecnologia ATM poder ser igualmente avaliada a possibilidade de utiliza o de outras plataformas de comunica o tais como redes locais redes m veis ou redes de sat lite capazes de transportar c lulas ATM Neste caso concreto seria interessante estudar o impacto na Qualidade de Servi o efectivamente assegurada extremo a extremo uma vez que os meios de comunica o e transmiss o a utilizar poder o n o suportar os n veis de Qualidade de Servi o equivalentes aos das redes ATM nativas Um outro cen rio a explorar em trabalhos futuros a da capacidade do sistema suportar a mobilidade de dispositivos associados a aplica es de controlo Neste caso ser necess rio 179 Capitulo 7 estudar a possibilidade de se usarem tecnologias de redes sem fios como as descritas no cap tulo 2 para suporte de liga es em que os dispositivos se movem ou entre Adaptadores de terminal e Concentradores ou mesmo entre estes e a rede fixa Neste ltimo caso seria desej vel explorar a interliga o do sistema apresenta
214. omputer Networking pp 209 246 Addison Wesley Janeiro de 1997 Lapid Y Video Communications in B ISDN Computer Networks Lab Department of Electrical Engineering Technion Israel Fevereiro de 1995 http www2 rad com networks 1994 atm videoatm htm Leio2 Lew69 Liu99 Lue98 Man03 Mar97 McC93 McD95 Mcl97 Meg02 Moo98 Bibliografia Lei T Sensor Based Precision Chemical Application Systems Proceedings of the World congress of Computers in Agriculture and Natural Resources Igua u Falls pp 279 289 Brazil 2002 Lewis P Goodman A and Miler A A pseudo random number generator for the System 360 IBM Syst J pp 136 146 1969 Liu C Munir S Jain R Dixit S Packing Density of Voice Trunking using AAL 2 Proceedings IEEE Global Telecommunications Conference GlobeCom99 Vol 1 B pp 611 615 5 9 de Dezembro 1999 Rio de Janeiro Brasil Luetchford J C Schreinemachers M Arai N M Applications of ATM In Global Networks IEEE Communications Magazine pp 104 109 Agosto de 1998 Manfredi P F Ratti L Speziali V The readout of the LHC beam luminosity monitor Accurate shower energy measurements at a 40MHz repetition rate Lawrence Berkeley National Laboratory Paper LBNL 52654 http repositories cdlib org lbnl LBNL 52654 Maio 2003 Martins J A L Evolu o Tecnol gica da Internet em Portugal Ingeniu
215. ona SDH Hierarquia kbit s N de Tribut rios STM 1 155 520 ver Figura 2 3 STM 4 622 080 4x STM 1 STM 8 1 244 160 8 x STM 1 STM 12 1 866 240 12 x STM 1 STM 16 2 488 320 16 x STM 1 STM 32 4 976 640 32 x STM 1 STM 64 9 953 280 64 x STM 1 STM 256 39 813 120 256 x STM 1 As hierarquias digitais plesi cronas est o na base da maior parte dos sistemas de transmiss o instalados e devido a compatibilidade assegurada pela hierarquia digital sincrona aqueles dever o ser ainda durante alguns anos o suporte terrestre de transmiss o da maior parte dos sistemas de telecomunica es Figura 2 3 Estrutura da trama STM 1 na hierarquia digital s ncrona 2 3 3 SONET Os estudos que deram origem aos sistemas SONET SONET Synchronous Optical NETwork e SDH foram efectuados nos Laborat rios BELL nos EUA e em 1988 com a ajuda dos grupos de normaliza o europeus e japoneses o CCITT procedeu sua normaliza o Orz98 16 Redes de telecomunica es A rede SONET foi originalmente projectada para suportar o transporte da hierarquia digital plesi crona DS 1 a 45Mbit s Deste modo o nivel inferior da hierarquia o STS 1 STS 1 Synchronous Transport Signal Level 1 a 52Mbit s As diferen as entre as redes SONET e SDH s o m nimas Enquanto que a rede SDH usa um formato de dados de transporte chamado VC 4 VC 4 Virtual Container Type 4 a rede SONET usa um formato chamado VC 3 VC 3 Virtual Container Type 3
216. ons vel pelo escalonamento dos fluxos de informa o recebidos tendo em conta os requisitos temporais de cada servi o 154 An lise de desempenho do sistema 6 4 1 Algoritmos b sicos Estes algoritmos destinaram se avaliar o funcionamento global dos diversos blocos funcionais de modo a ganhar sensibilidade para a defini o de outros algoritmos capazes de satisfazer os requisitos de QoS i e atraso de cada servi o Qualquer um destes algoritmos n o entra em conta com os requisitos de atraso de cada servi o nem com nenhum outro par metro relacionado com a QoS Foram definidos 4 algoritmos b sicos de forma a efectuar o escalonamento da informa o proveniente de cada um dos FIFOs associados a cada fonte de tr fego A descri o desses algoritmos apresentada na Tabela 6 4 Tabela 6 4 Descri o dos Algoritmos b sicos usados na avalia o do Adaptador de terminal Algoritmo 1 Analisa o tamanho dos diversos FIFOs em cada instante dado pelo Crit rio do FIFO mais cheio Loopclock Atende o FIFO que tem o maior n mero de octetos Algoritmo 2 L a amostra temporal do primeiro octeto de cada FIFO ao ritmo do Crit rio do octeto mais antigo Loopclock Atende o que em cada instante tiver o octeto mais antigo Algoritmo 3 9 Atende os FIFOs sequencialmente Leitura Sequencial Algori 4 goritmo Atende os FIFOs aleatoriamente Leitura Aleat ria Para efectuar o teste destes algoritmos foi apenas usa
217. orks activo 2 4 2 Protocolos TCP IP A rede Internet deve o seu nome ao facto de a sua estrutura global poder ser assimilada a um conjunto de redes tipicamente redes locais interligadas atrav s de uma malha arbitraria de equipamentos de encaminhamento de pacotes routers interligados entre si por canais de comunica o de dados Mar97 Do ponto de vista da sua estrutura a rede Internet pode ser estruturada em quatro n veis como mostra a Figura 2 4 20 Redes de telecomunica es N vel de Aplica o N vel de Transporte protocolos TCP e UDP N vel de encapsulamento e transmiss o de pacotes IP Figura 2 4 Estrutura da familia de protocolos TCP IP Os protocolos essenciais para o funcionamento da Internet ou pelo menos os mais relevantes s o o protocolo IP IP Internet Protocol e o TCP TCP Transport Control Protocol Por esta raz o vulgar designar o conjunto de protocolos da Internet por protocolos TCP IP Cada rede disp e de um endere o pr prio e nico a n vel mundial Dentro de cada rede as esta es ligadas hosts disp e tamb m de endere os locais nicos na sua rede Um endere o Internet pois formado por duas partes sendo a primeira essencial para o encaminhamento routing A concatena o do endere o de rede com o endere o host resulta num endere o nico a n vel mundial tamb m designado por endere o IP O n vel de rede implementado atrav s do protocolo
218. ortadas s o e Barramento utilizando cabo coaxial fino e Estrela utilizando cabos de par entran ado sem blindagem e rvore combina o das anteriores 48 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo 3 1 5 Compara o dos v rios padr es Ethernet O aumento da utiliza o da banda dispon vel a necessidade de garantir qualidade de servi o a mudan a no perfil do tr fego entre outros factores impulsionaram a evolu o da Ethernet No entanto as mudan as introduzidas n o se limitaram apenas ao aumento do d bito aconteceram mudan as no meio f sico e em outros aspectos funcionais do protocolo O aumento da utiliza o da largura de banda dispon vel com a introdu o de aplica es de voz e v deo provocou um decr scimo na efici ncia da rede o que motivou a necessidade do aumento da largura de banda para melhorar a qualidade de transmiss o O meio f sico sofreu tamb m altera es com a introdu o de novos materiais e g fibras pticas A Tabela 3 3 mostra a evolu o das dist ncias permitidas juntamente com o aumento da taxa de transmiss o Tabela 3 3 Compara o dos v rios padr es Ethernet Ethernet Fast Ethernet Gigabit Ethernet 10BaseT 100BaseT 1000Base x D bito 10Mbit s 100Mbit s 1000Mbit s Categoria 5 UTP 2500m STP Coaxial 500m 412m half duplex 2km full duplex Fibra Multimodo Fibra Monomodo 20km 3 2 Barramentos de Campo As
219. ortar est directamente relacionada com o atraso que a informa o demora a percorrer entre a fonte e o destino O atraso de transmiss o composto por duas componentes o atraso de propaga o na rede e os atrasos de empacotamento no Adaptador de terminal e no Concentrador A primeira componente resulta da escolha da rede ATM como suporte e como tal ter de ser negociada uma liga o que garanta a QoS requerida A segunda requer o estudo detalhado de algoritmos de escalonamento de forma a que servi os que imponham restri es temporais tenham prioridade mais elevada nas diversas fases dos processos de empacotamento No sentido de avaliar correctamente a especifica o dos diversos m dulos do sistema foi necess rio criar modelos computacionais de forma a ser poss vel simular o seu comportamento e desempenho Neste contexto foram avaliados os v rios Algoritmos de escalonamento usados no Adaptador de terminal e no Concentrador 1 3 Organiza o da Tese Este documento que apresenta os estudos efectuados que conduziram especifica o desenvolvimento e avalia o de desempenho duma solu o que permite interligar remotamente um elevado n mero de sensores e actuadores e superar algumas limita es de alguns sistemas de aquisi o de dados e controlo est organizado em 7 cap tulos Ap s esta introdu o segue se o cap tulo 2 onde s o apresentadas duma forma resumida as principais funcionalidades suportadas pelas
220. os l I l MESSI a a a T T I a I l I l l I l Feoccecce l I l I I l I l I 0 t t t ji t t il t 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 N de octetos de informacao do pacote CPS Figura 6 2 Varia o do overhead em fun o do tamanho o pacote CPS e Ficheiros de resultados Para mais f cil manipula o da informa o recolhida na simula o e tamb m para produzir os ficheiros de entrada que ser o usados na avalia o do Concentrador s o criados dois ficheiros Um dos ficheiros armazena todos os pacotes CPS SDU gerados sa da do Adaptador de terminal O segundo guarda todos os valores obtidos pelo m dulo de Recolha de dados Num sistema real o primeiro ficheiro corresponde ao fluxo de dados enviado para preencher o campo de informa o de uma c lula ATM ou seja o seu tamanho ser sempre um m ltiplo de 48 octetos Cen rios de Simula o A avalia o dos algoritmos de escalonamento do Adaptador de terminal e do Concentrador ter de ser efectuada mediante a utiliza o de cen rios de simula o que imponham situa es limite de forma a ser poss vel dimensionar os diversos par metros associados a cada algoritmo e assim se conseguir definir uma solu o gen rica para a adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo Como j foi v rias vezes mencionado os objectivos principais a atingir no escalonamento dos fluxos de informa o s o 1 Permitir a integra o de fontes de tr fego de
221. ote de informa o de cada vez em vez de uma quantidade infinitesimal Este algoritmo constitui uma boa aproxima o do GPS nos casos em que os fluxos t m o mesmo peso e os pacotes possuem o mesmo comprimento O algoritmo WRR WRR Weighted Round Robin uma varia o do mecanismo de rota o em que os fluxos s o servidos na propor o dos seus pesos Kes97 O WFQ WFQ Weighted Fair Queuing um algoritmo que implementa melhor os crit rios definidos pelo GPS nomeadamente quando os pacotes s o de tamanho vari vel Dem89 No entanto este algoritmo apresenta uma maior complexidade de implementa o que o WRR O algoritmo WFQ atribui a cada pacote um identificador correspondente ao instante em que cada pacote deveria ser servido pelo algoritmo GPS e serve cada pacote pela ordem dos seus identificadores O algoritmo WFQ parece partida ser adequado ao tr fego de tempo real No entanto a largura de banda atribu da varia inversamente com o atraso pretendido para a liga o tornando este algoritmo pouco eficiente quando se pretendem atrasos baixos e taxas de ocupa o de banda elevadas Par94 Para o escalonamento de tr fego de tempo real existem descritos outros algoritmos tais como o EDD EDD Earliest Due Date tamb m conhecido como EDF EDF Earliest Deadline First que consiste em atribuir a cada pacote um prazo de validade deadline usado pelo escalonador para definir a ordem em que os pacotes dever o ser servidos
222. outro tipo de tr fego t pico das redes de comunica o usadas para interligar os m dulos propostos O estudo apresentado no cap tulo 4 acerca da adapta o de tr fego de baixo d bito em redes de comunica o conduziu especifica o de uma arquitectura composta por dois m dulos fundamentais para o suporte de aplica es de controlo Esses m dulos o Adaptador de terminal e o Concentrador apresentados com detalhe no cap tulo 5 visam resolver dois problemas fundamentais e Integrar o maior n mero de dispositivos e sistemas e Garantir uma alta efici ncia na agrega o dos diversos fluxos de informa o garantindo a Qualidade de Servi o QoS Quality of Service negociada O primeiro problema foi resolvido com a escolha da tecnologia ATM ATM Asynchronous Transfer Mode como suporte de infra estrutura de rede e da escolha do protocolo AAL 2 AAL 2 ATM Adaptation Layer type 2 para o suporte da estrutura de multiplexagem das diversas fontes de tr fego Capitulo 6 Para a resolu o do segundo problema ser necess rio o estudo de algoritmos de escalonamento de tr fego de modo a definir mecanismos que garantam o atendimento priorit rio a fluxos que possuam requisitos de atraso mais apertados O escalonamento de tr fego feito em duas fases A primeira efectuada no Adaptador de terminal onde os diversos fluxos concorrem para uma dada capacidade de transmiss o Nesta fase necess rio implement
223. pecifica as caracter sticas do meio f sico consequentemente cada tipo de meio f sico requer caracter sticas diferentes da camada MAC As caracter sticas principais da subcamada MAC s o e Modo de transmiss o half duplex evoluindo para full duplex e Encapsulamento dos dados das camadas superiores e Desencapsulamento dos dados para as camadas superiores e Transmiss o de tramas e Recep o de tramas e Controlo de Acesso ao Meio O modo de transmiss o em half duplex requer que apenas uma esta o transmita enquanto todas as outras aguardam em sil ncio O controlo deste processo fica a cargo do m todo de acesso CSMA CD descrito na sec o 3 1 3 1 e Tipos de Cabos e Topologias Os principais cabos utilizados s o e Coaxial fino 43 Capitulo 3 e Coaxial grosso e Par entrangado sem blindagem As topologias suportadas s o e Barramento utilizando cabos coaxiais fino ou grosso e Estrela utilizando cabos de par entran ado sem blindagem e rvore combina o das anteriores e Formato da Trama Ethernet Antes de apresentar o formato da trama conv m lembrar que este protocolo pertence subcamada MAC da camada de liga o de dados do modelo OSI A Figura 3 4 ilustra a sua estrutura Roa 1 e a octetos 7 octetos 1 6 ectetas 6 octetos 2 46 1500 octetos 4 octetos Figura 3 4 Formato duma trama MAC do protocolo Ethernet O tamanho m ximo duma trama de 1530 oc
224. penas se substitu ram as fontes geradoras de tr fego por portas de entrada que servir o para gerar tr fego j formatado em pacotes CPS Com efeito n o implementado neste sistema o desencapsulamento pr vio dos pacotes CPS_SDU provenientes de cada Adaptador de terminal que ter de existir num sistema real O tr fego produzido pelos geradores de pacotes CPS introduzido directamente nas diversas portas de entrada deste sistema de testes O escalonador deste m dulo ser mais simples que o desenvolvido para o Adaptador de terminal uma vez que o algoritmo usado ter menos par metros de entrada como consequ ncia da informa o relativa ao atraso m ximo associada aos fluxos de classe AM n o ser transportada nos pacotes CPS Deste modo n o ser poss vel implementar um mecanismo de prioridade baseado no par metro de Atraso M ximo do g nero do implementado no Adaptador de terminal Por outro lado ser mantida a estrutura de pacotes CPS como unidade elementar de multiplexagem A defini o do Algoritmo de escalonamento do Concentrador e a sua avalia o ser o apresentadas com detalhe na sec o 6 5 O m dulo de Recolha de dados efectua o c lculo dos seguintes par metros e Atraso m ximo dos fluxos associados a cada classe de tr fego e Tamanho m ximo dos FIFOs e Quantidade de octetos rejeitados drop out dos pacotes de classe EM Devido s caracter sticas inerentes ao funcionamento do Concentrador ser
225. por um rel gio denominado Timer CU que gera eventos para a m quina de estados da transmiss o Se a c lula totalmente preenchida ent o ela enviada imediatamente desde que exista autoriza o da camada de gest o Se a c lula parcialmente preenchida ela aguardar a chegada de mais informa o at ser totalmente preenchida ou que o tempo do rel gio expire A interac o com o plano de gest o ocorre tamb m atrav s de primitivas para a subcamada CPS Essas primitivas podem efectuar a comunica o de gest o ponto a ponto ou somente indicar erros na m quina de estados de recep o local Al m disso o AAL 2 est previsto para transmitir unicamente as c lulas se tiver permiss o da camada de gest o o que ocorre quando recebe a primitiva indicando que o ATC da liga o em vigor admite novas ordens para transmitir Esta fun o implementada atrav s de uma vari vel de estado que passa ao estado verdadeiro quando tem permiss o e ap s a transmiss o de uma c lula retorna ao estado falso aguardando nova primitiva de permiss o 77 Capitulo 3 A fun o de multiplexagem agrega varios fluxos de tr fego CPS das camadas superiores numa nica liga o ATM Para esta fun o n o s o especificados na Recomenda o 1 363 2 o m todo de gest o das filas de espera dos pacotes na entrada a disciplina de atendimento ou algum esquema de prioridade AAL Tipo 3 4 O nome como referido este tipo
226. que ocorreu uma colis o A colis o um processo normal nas redes Ethernet e resolvido em micro segundos pois as esta es envolvidas no processo esperam um tempo aleat rio para retransmitir a trama de 40 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo dados Este m todo garante uma adapta o autom tica dependendo da carga na rede Quando uma colis o detectada o transceiver envia um sinal a avisar a interface de rede Se a colis o detectada no in cio da trama a interface espera at o pre mbulo ter sido completamente transmitido enviando para a rede um sinal de 4 octetos indicando colis o jam signal Spu00 Nesse ponto a interface interrompe a transmiss o e entra num processo de recupera o de colis o esperando um tempo aleat rio para tentar novamente O tempo aleat rio que esperado pelas esta es obedece a um algoritmo conhecido como truncated binary exponential backoff que funciona da seguinte forma ap s a primeira colis o a esta o espera um tempo aleat rio equivalente a O ou 1 per odos de conten o Caso transmita e ocorra nova colis o a esta o espera de O a 3 per odos de conten o e assim sucessivamente enquanto ocorrer colis o o per odo aleat rio varia de O a 2n 1 Se ocorrerem 10 colis es seguidas o intervalo aleat rio fixado num m ximo de 1023 per odos de conten o Se acontecerem 16 colis es seguidas reportado um erro para a esta o que e
227. quias plesi cronas O sistema PCM foi normalizado em duas vers es a europeia e a norte americana A Tabela 2 1 indica as principais caracter sticas das hierarquias PCM de acordo com o ITU T 13 Capitulo 2 Tabela 2 1 Caracter sticas das hierarquias PCM a r E D bito Capacidade D bito Capacidade Hierarquia kbit s N de canais kbit s B 64 B H12 30B 1544 H11 24B 4 x H12 6312 4 x H11 H21 4 x 4 x H12 32064 5 x 98B 44736 H22 7 x H11 139 264 H4 4 x H21 97728 3 x 5 x 98B 274176 6 x H22 Em ambas as vers es as fun es efectuadas s o id nticas distinguindo se uma da outra apenas nos d bitos envolvidos Na Europa frica e Am rica do Sul usado o sistema que agrupa 30 canais de 64kbit s numa trama enquanto que nos Estados Unidos Canad e Jap o s o agrupados 24 canais de 64kbit s Em ambos os casos existem canais dedicados para sincroniza o emissor receptor e para sinaliza o As hierarquias PCM tamb m chamadas plesi cronas PDH Plesiochronous Digital Hierarchy t m a particularidade de n o necessitarem de um rel gio de refer ncia comum permitida uma toler ncia no d bito dos tribut rios relativamente ao d bito nominal Esta t cnica provoca deslizamentos na fase do ciclo de repeti o das tramas de n vel superior se os d bitos n o forem coincidentes Os desvios nos d bitos dos canais afluentes s o compensados atrav s do uso da t cnica de justifica o consistindo
228. r es Ethemet e eeeeeaaaearareaana 49 Exemplo de uma sequ ncia de mensagens CAN ereta 55 Fun es e subcamadas do PRM irc ee aaararaaaa na aaaaanaranaanaanaana 65 Classifica o das diferentes Classes de Servi o ariana 68 Categorias d Servi o e ATOS sus iii nrn copos a luana asa se E E paia a sees 68 Limites temporais para a transmiss o unidireccional de servi os de voz retirados da recomenda o 6 114 do ITU T aerea aeee arara near anaranana 103 Alguns valores retirados da Tabela A 1 da Recomenda o G 114 do ITU T 103 Capacidades de transmiss o e par metros de QoS suportados pelas Redes de Area Local Barramentos de Campo e pela rede p blica digital atrav s da tecnologia ATM 107 Caracteriza o das fontes do cen rio 1 reatar aararnaranana 143 Caracteriza o das fontes do cen rio 2 rear aaaaanaararaaanaa 144 Defini o dos atrasos de transmiss o parciais reatar 148 Descri o dos Algoritmos b sicos usados na avalia o do Adaptador de terminal 155 Caracter sticas de tr fego dos servi os de acordo com o cen rio 1 Especifica o da classe de tr fego e do atraso m ximo associado sean 161 Resultados da avalia o do algoritmo de escalonamento orientado s classes de tr fego usando o cen rio Teneis enn eae NS apta ee A LAIS anda pa eai lis 162 Caracter sticas de tr fego das fon
229. r de terminal a multiplexagem dos v rios fluxos provenientes das v rias portas de entrada efectuada atrav s de escalonamento temporal baseado no atraso requerido pelos servi os associados a cada fluxo As funcionalidades de gest o e sinaliza o necess rias ao funcionamento em ambientes com equipamentos normalizados constituindo assuntos laterais ao tema deste trabalho dever o ser igualmente inclu das no Concentrador A Figura 5 9 ilustra o princ pio de funcionamento do Concentrador 128 Especifica o do sistema proposto Escalonador ee x gt Lu a gt lt gt y l lt lt Pacote CPS BEN Figura 5 9 Princ pio de funcionamento do Concentrador A principal vantagem do uso do Concentrador o de aumentar a efici ncia de transmiss o na rede principalmente quando um ou mais Adaptadores de terminal funcionam com uma reduzida ocupa o da largura de banda Este equipamento efectua o desencapsulamento dos pacotes CPS provenientes das c lulas ATM das v rias portas de entrada Adaptadores de terminal para depois efectuar novo encapsulamento destinado porta de sa da No sentido contr rio feita a opera o inversa Como foi referido anteriormente a multiplexagem baseada em escalonamento temporal em que o atendimento das filas correspondentes aos canais de entrada controlado pelo Algoritmo de escalonamento do Concentrador Se as linhas de entrada tiverem todas o
230. r um algoritmo que permitir efectuar o escalonamento da informa o proveniente das diversas fontes em fun o do atraso requerido por cada uma delas Os par metros associados s classes de tr fego definidas no cap tulo 4 em fun o das caracter sticas do servi o a suportar permitem implementar um mecanismo eficiente de prioridade no atendimento dos FIFOs associados a cada fonte de tr fego De acordo com a classe de tr fego associada a um dado fluxo de informa o um dado algoritmo de escalonamento poder implementar mecanismos de prioridade no sentido de satisfazer os requisitos de atraso para cada servi o maximizando simultaneamente a efici ncia no preenchimento dos pacotes CPS Assim para cada fluxo de informa o atribu da uma fila do tipo FIFO e em cada uma delas mantida uma tabela de estado que indicar os seguintes par metros e Ocupa o da fila em octetos e Classe de tr fego do fluxo associado e Instante temporal do octeto mais antigo na fila octeto que est a cabe a do FIFO e Atraso M ximo a garantir no caso dos fluxos pertencerem s classes AM Em fun o dos par metros anteriores o escalonador usar o seguinte algoritmo 1 Calcula os instantes de atendimento das filas deadlines de classe AM em fun o dos par metros de Atraso M ximo respectivos 2 Enquanto nenhum desses instantes for atingido deadline atende sequencialmente a fila que tiver
231. ra funcional do M dulo de concentra o est ilustrada na Figura 5 10 Atende i Multiplexagem 000 Algoritmo de escalonamento Extrai Pacote CPS Extrai Pacote CPS i Extrai ATM_SDU Extrai ATM SDU lt Cria ATM_SDU lt ATM soibo oH op Jsopeidepy soibojoy ep 10pe depy solbojoy op Jsopeidepy N1 eee INn OUT Figura 5 10 Estrutura funcional do Concentrador m dulo de concentra o 130 Especifica o do sistema proposto Todos os blocos foram j descritos com detalhe nas sec es 5 2 1 e 5 2 2 De referir que n o efectuado o controlo de erros ao n vel do cabe alho dos pacotes CPS uma vez que se sup e que as dist ncias entre o Concentrador e os Adaptadores de terminal s o curtas e que as linhas de transmiss o apresentam taxas de erro baixas Existem n portas de entrada a concorrer para uma porta de sa da Deste modo a capacidade da porta de sa da deve ser calculada de forma a ser ligeiramente superior soma dos d bitos m dios teis dos pacotes CPS das portas de entrada 5 3 2 M dulo de expans o O m dulo de expans o efectua a fun o inversa do m dulo de concentra o Extrai os pacotes CPS das c lulas ATM para os encaminhar em v rios fluxos separados de c lulas ATM para os Adaptadores de terminal de destino A Figura 5 11 ilustra o diagrama funcional do m dulo de expans o do Concentrador Desmultiplexagem Extrai Pacote CPS Extrai ATM SDU i Cria
232. ransmiss o tendem a ser mais elevadas logo os valores do atraso de propaga o normalizado poder o n o respeitar a equa o 4 6 Considere se o seguinte exemplo e Rede Ethernet IEEE 802 3 e cabo de cobre com velocidade de propaga o de 150 000km s e tamanho m nimo de trama 64 octetos imposi o CSMA CD e valor m ximo de a 0 5 imposi o CSMA CD Uma rede Ethernet a 10Mbit s permite um comprimento maximo de 2500m 10base5 Para calcular o valor de a tem se que Tp 2 5 150 000 16 66us 4 7 Sendo o d bito nominal de 10Mbit s e se se considerar um pacote de tamanho m nimo de 64octetos 512bit obt m se T 512 10 000 000 51 2us 4 8 104 Adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo O valor obtido para a de cerca de 0 33 o que representa uma folga razo vel relativamente ao valor m ximo de 0 5 Esta folga justifica se pela necessidade de entrar em considera o com atrasos na sincroniza o e atrasos na passagem em dispositivos repetidores Supondo agora uma implementa o Fast Ethernet a 100Mbit s Ty 512 100 000 000 5 12us 4 9 O valor obtido para a agora 3 3 n o suportado pelo CSMA CD Esta uma das raz es pela qual as redes Fast Ethernet t m um comprimento m ximo de cerca de 210m Considerando 210m obt m se Tp 0 21 150 000 1 4ys 4 10 resultando um valor de a de 0 27 No caso de uma rede ATM ATM Asynchronous Transfer
233. rav s da observa o desses instantes verificou se que o n mero de acessos de escrita ao registo de valores m ximos do m dulo de Recolha de dados era tanto maior quanto mais pr ximo se estava do in cio da simula o A partir de um dado instante verificou se que esse acesso deixava de ser efectuado Al m disso o intervalo entre instantes consecutivos de escrita aumentava normalmente medida que se avan ava na simula o No entanto verificou se que um dado intervalo entre duas escritas consecutivas era sempre inferior ao dobro do anterior Deste modo definiu se o seguinte crit rio de paragem 1 Em cada instante de escrita no registo de valores m ximos calcula se o valor do instante Trim correspondente ao dobro do intervalo anterior 2 Se at ser atingido esse instante Trim houver escritas nesse registo calcula se um novo valor para Trim repete se o processo 3 Caso contr rio a simula o terminada Foram efectuadas v rias simula es de 60m com alguns dos algoritmos descritos em que se comprovou que este crit rio era suficiente para definir o fim de uma simula o 6 4 Avalia o dos Algoritmos de escalonamento do Adaptador de terminal Nesta sec o s o apresentados os resultados do estudo efectuado para a especifica o e avalia o de desempenho dos algoritmos de escalonamento do Adaptador de terminal Este bloco funcional pertencente ao m dulo de emiss o do Adaptador de terminal resp
234. re o com todos os bits a 1 denominado broadcast e destinado a todas as esta es da rede e Tam tamanho do campo de dados IEEE 802 3 ou tipo do protocolo de n vel superior Ethernet II indica o n mero de octetos de dados que ser o transmitidos por essa trama O m nimo O e o m ximo 1500 e Informa o corresponde informa o til a ser transmitida e CRC o CRC CRC Cyclic Redundancy Check um dos algoritmos mais eficazes para detectar erros na transmiss o O polin mio gerador do CRC para o protocolo Ethernet G x x x70 x 4x2 ext xa xe xt xP ext xO txt t x2 x 1 O tamanho minimo de uma trama de 64 octetos por dois motivos principais 1 Prevenir o facto de uma esta o terminar a transmiss o de uma trama curta antes do primeiro bit alcan ar o final do cabo o que faria com que uma eventual colis o n o fosse detectada 2 Quando uma esta o detecta uma colis o ela trunca a trama que est a transmitir de modo a libertar o barramento o mais r pido poss vel Assim normal aparecer lixo ou peda os de tramas no cabo O tamanho m nimo de 64 octetos permite uma maior facilidade na detec o de tramas v lidas e lixo Fast Ethernet e Caracter sticas Gerais A norma Fast Ethernet manteve as caracter sticas essenciais da norma Ethernet no que diz respeito ao endere amento ao formato da trama e ao mecanismo de detec o de erro As diferen as mais significati
235. rea abrangida Por outro lado a adapta o de servi os de muito baixo d bito em redes de comunica o tem subjacente o controlo do atraso no preenchimento dos pacotes e o respectivo escalonamento aspectos que t m um impacto significativo na Qualidade de Servi o Para a resolu o destes problemas foi proposta e especificada uma arquitectura modular de um sistema que permite multiplexar v rios fluxos de informa o gerados por servi os de muito baixo d bito num nico fluxo agregado Foi seleccionada para o efeito a tecnologia ATM pelas propriedades que apresenta no que se refere efici ncia de multiplexagem e ao controlo do atraso de empacotamento Para efectuar a agrega o de tr fego foram desenvolvidos Algoritmos de escalonamento temporal para o Adaptador de terminal e Concentrador de forma a satisfazer dois objectivos principais garantir o cumprimento do atraso de servi os com restri es temporais e aumentar a efici ncia de transmiss o na rede A an lise de desempenho foi baseada num sistema simplificado implementado por um conjunto de programas em linguagem C que permitiram avaliar duma forma objectiva os Algoritmos de escalonamento de tr fego propostos Os resultados obtidos evidenciam um desempenho do sistema compat vel com os requisitos da grande maioria das aplica es de controlo Foi ainda poss vel identificar um conjunto de temas pass veis de desenvolvimento em trabalhos futuros que incluem a
236. refer ncia que permitiu evidenciar os atrasos de transmiss o parciais ao longo dos v rios segmentos de rede entre os quais os do Adaptador de terminal e do Concentrador Atrav s desta separa o foi poss vel testar os v rios Algoritmos de escalonamento em fun o da parcela de atraso atribu da a cada um destes m dulos Os testes efectuados ao Adaptador de terminal foram baseados em dois cen rios concretos destinados a avaliar respectivamente a capacidade de integra o de fluxos de informa o associados a servi os com requisitos de atraso diferentes e a capacidade do sistema suportar um elevado n mero de fluxos de baixo d bito duma forma eficiente Os resultados obtidos evidenciaram um bom desempenho do Algoritmo de escalonamento proposto quer em termos do cumprimento dos atrasos impostos pelas fontes de entrada quer em termos de efici ncia de multiplexagem Atrav s da an lise dos resultados poss vel definir um conjunto de regras que permitem garantir um desempenho elevado do Algoritmo de escalonamento do Adaptador de terminal 1 A utiliza o de um n mero elevado de fontes que n o imponham requisitos temporais melhora o desempenho em termos de efici ncia de multiplexagem 2 O desempenho do escalonador em termos de satisfa o dos atrasos parciais das fontes de tr fego de classe AM est sempre condicionado s caracter sticas das fontes que est o envolvidas numa dada aplica o Com o cen rio 1 veri
237. rem aplicadas agricultura e pecu ria com as consequentes vantagens ao n vel da gest o da produ o Nestas reas o futuro aponta para a concep o de arquitecturas sensoriais cada vez mais inteligentes o que implica a exist ncia de mecanismos eficientes de suporte transfer ncia de informa o entre dispositivos e esta es de controlo e gest o de todo o processo produtivo O estudo da adapta o deste tipo de tr fego em redes de comunica o tendo em vista o alargamento das reas abrangidas do n mero de equipamentos a interligar e da integra o com outro tipo de equipamentos e sistemas foi efectuado baseado no estudo de sistemas e aplica es relacionados com a agro pecu ria No entanto apesar das especificidades destes sistemas e aplica es poss vel alargar a sua rea de aplica o uma vez que os requisitos destes s o bastante semelhantes a outros usados nas diversas aplica es de controlo industrial Este estudo identificou a necessidade de interligar um n mero elevado de dispositivos e sistemas com requisitos de tr fego diversos Por outro lado a necessidade de alargar a rea abrangida conduz defini o de uma arquitectura de suporte para aplica es de controlo suportadas numa infra estrutura de rede A escolha da tecnologia de rede de suporte a toda a infra estrutura de comunica o de capital import ncia Com efeito esta dever permitir garantir os seguintes requisitos e endere
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240. rso ou seja a partir de um n mero fixo de fontes de Dados ir o sendo acrescentadas fontes do tipo Sensor Os resultados apresentados ser o apenas aqueles que maximizem a ocupa o da largura de banda ou seja possuam o valor do Loopclock m ximo que satisfa a os requisitos de atraso dos servi os da classe AM Deste modo ser necess rio calcular para cada simula o o valor indicativo do Loopclock m ximo 45x8 Loopclockmax 6 4 p maX D bitoM dioTotal G em que o valor do D bito M dio Total ser o somat rio dos d bitos m dios individuais de todos os servi os semelhan a do valor dado pela equa o 6 3 este ser um majorante e nunca ser atingido na pr tica 6 1 2 Sistema de testes para avalia o do Concentrador Para a avalia o do Concentrador optou se por um sistema de testes que aproveita grande parte da estrutura desenvolvida para o Adaptador de terminal Este modelo simplificado permite avaliar os Algoritmos de escalonamento do Concentrador tendo como entradas um conjunto de portas que recebem o tr fego proveniente de diversos Adaptadores de terminal A Figura 6 3 mostra a sua estrutura funcional Interface Escalonador de Controlo Recolha Ficheiro de de Encapsulamento CPS_SDU Dados Resultados Figura 6 3 Estrutura do sistema de testes para avalia o do Concentrador Temporizador 145 Capitulo 6 Todos estes m dulos foram j descritos na sec o anterior em que a
241. rvada a rela o temporal entre a fonte e o destino Por exemplo nos canais B da RDIS a 64kbit s existe uma rela o temporal bem definida entre fonte e destino A transfer ncia de pacotes de dados n o requer esta rela o 67 Capitulo 3 e D bito Servi os tais como o transporte de canais telef nicos geram informa o a um d bito fixo enquanto que certos tipo de codificadores geram informa o a um d bito vari vel em fun o das propriedades do sinal e g codifica o de v deo de d bito vari vel e Modo de Opera o Um servi o pode ser respons vel por estabelecer e remover uma liga o com o destino enquanto que outros podem operar num modo sem liga o Tabela 3 6 Classifica o das diferentes Classes de Servi o Existente N o existente Rela o Temporal entre Fonte e Destino Modo de Opera o Com Liga o Sem Liga o O ATM Forum define Categorias de Servi os em vez de ATCs ou Classes de Servi o Enquanto que as Categorias de Servi os est o associadas camada ATM as Classes de Servi o est o relacionadas com a escolha do tipo de protocolo AAL No entanto existe correspond ncia entre as caracter sticas de tr fego de Categorias de Servi o e ATCs A Tabela 3 7 mostra a rela o existente entre estas duas abordagens Tabela 3 7 Categorias de Servi o e ATCs ATM Forum ITU T SG 13 CBR DBR nrt VBR SBR rt VBR SBR UBR N o especifica
242. s Esse atraso sempre maior nos fluxos de classe EM e depende essencialmente do n vel de concentra o e da largura de banda da porta de sa da do concentrador Em termos de efici ncia de multiplexagem ser sempre conveniente a utiliza o de um Concentrador uma vez que a largura de banda associada aos fluxos agregados dos Adaptadores de terminal pode n o estar totalmente ocupada Esta particularidade foi j ilustrada na Figura 5 9 Os valores absolutos dos atrasos dos v rios fluxos est o directamente relacionados com o d bito do tr fego agregado de sa da Deste modo o desempenho do Concentrador em termos de atraso condicionado pelo n mero de fontes e seus d bitos m dios e quantidade de Adaptadores de terminal utilizados No caso do n vel de concentra o ser tal que implique a perda de pacotes os fluxos de classe EM ser o afectados Neste caso a Aplica o de controlo ter de possuir mecanismos que permitam lidar com esta situa o An lise de desempenho do sistema 6 6 Avalia o global da solu o proposta As sec es anteriores apresentaram o estudo efectuado para a avalia o dos Algoritmos de escalonamento do Adaptador de terminal e do Concentrador Os resultados obtidos foram baseados na simula o destes m dulos usando um sistema de testes que consiste num conjunto de modelos simplificados dos m dulos apresentados no cap tulo 5 Na sec o 6 2 foi apresentada uma configura o de
243. s M rida Venezuela 2001 Anthonis J Ramon H Bardemaeker J Implementation of an Active Horizontal Suspension on a Spray Boom Transactions of the ASAE Vol 43 2 pp 213 220 2000 Arioli machines for fabric finishing product catalog http www arioli biz 2005 Bibliografia ATM94 ATM97 ATM99a ATM99b Aud05 Bea95 Bin00 Bla95 Blu03 Boe99 Cab95 Cab05 Car86 Cen97 182 ATM Forum AF UNI 0010 002 User to Network Interface Specification Version 3 1 Setembro de 1994 ATM Forum AF VTOA 0078 000 ATM Circuit Emulation Service Intereoperability Specification Version 2 0 Janeiro de 1997 ATM Forum AF VTOA 0113 000 ATM Trunking using AAL 2 for Narrowband Services Fevereiro de 1999 ATM Forum AF TM 0121 000 Traffic Management Specification Version 4 1 Mar o de 1999 Audon Electronics UK electronics and software design http www audon co uk 2005 Beaulah S Zaid S Intelligent real time fault diagnosis of greenhouse sensors IFAC Artificial Intelligence in Agriculture Wageningen pp 245 250 1995 Bing B High Speed Wireless ATM and LANs Artech House 2000 Black Uyless D ATM Foundation for Broadband Networks Prentice Hall Series in Advanced Communications Technologies Maio de 1995 Specification of Bluetooth System Including Core V 1 2 Novembro de 2003 Boed V Networking a
244. s FieldBUS ssessnicessnassisossan ias n bn seas dedsuans laseooveeed cnbusds sa 56 3 2 3 Process Network P NET ss ssicasassicasisenisiosesa ve iuapiasiogua viado asiasiobamasa aia aia iakaat 60 3 2 4 Factory Instrumentation Protocol FIP eee 60 3 3 O Modo de Transfer ncia Ass ncrono ATM ie carara ae areeenanaareraaaraanaa 62 3 3 1 Princ pios b sicos do ATM eee r arena near eee aeee aa areananaarenaaaaaaa 64 3 3 1 1 Categorias de Servi os ATCs e Classes de Servi o 65 3 3 1 2 ACamada ATM iii rr tea aiea cena E narra 69 3 3 1 3 A Camada de Adapta o eee arara i e eaa iiit 72 3 3 1 4 A Camada F SICA ses cross issstastsos neste beni a e USAS dae US a R LES ps En 82 3 3 1 5 Configura es de Refer ncia eee reareeea arara anareaana 86 4 ADAPTA O DE TR FEGO DE BAIXO D BITO EM APLICA ES DE CONTROLO cccceceeeseseeeeeseeeseeeeeseseseseeesaeaeaes 91 4 1 Caracteriza o do problema ii daei naarraanaas 91 4 1 1 Cen rios de Aplica o ninina a lana ENE EREA REET E ana es 92 4 1 2 Tipos de dispositivos a interliQar eee eeseeeeeeeeeeeeeneeeeeeeeeeeeeeeseeaeeeeeeeeeeetneeeeneaaes 96 4 1 3 Referenciais de QoS suportados rare arena near a aaaraanaareaana 98 44 4 Arquitectura de refer ncia s seis ces ieee sessed deen ri osn arise e RT pero 100 4 2 Caracter sticas funciona
245. s de um compromisso entre estes dois factores e Encapsulamento CPS Os octetos resultantes da leitura do FIFO escolhido pelo algoritmo de escalonamento sao passados para este bloco que vai adicionar o cabe alho de acordo com o explicado na sec o 5 2 1 S o calculados os campos CID LI UUI e HEC num total de 3 octetos O pacote de informa o em seguida enviado para o bloco seguinte e Encapsulamento CPS SDU Este m dulo tem como fun o principal a segmenta o da informa o recebida do bloco anterior em blocos de 48 octetos de forma a poderem ser mapeados no campo de informa o das c lulas ATM Este procedimento foi tamb m j explicado na sec o 5 2 1 S o calculados os campos OSF SN e P e introduzido padding quando n o houver informa o til para preencher a c lula e Temporizador No sistema de simula o todos os m dulos s o sincronizados pelo rel gio do sistema operativo que fun o do rel gio do CPU Num sistema real este seria o rel gio de rede e Recolha de dados Neste m dulo ser o recolhidos todos os elementos necess rios avalia o do desempenho dos algoritmos a simular Este m dulo recolhe informa o de todos os restantes m dulos ao longo de toda a simula o Os principais valores recolhidos s o os seguintes Atraso m ximo de cada fluxo Tamanho maximo de cada FIFO e Numero de octetos gerado por cada fonte e N mero de octetos gerados nos m du
246. s digitais s ncronos diferem dos sistemas de transmiss o plesi cronos PDH na sincroniza o no modo de multiplexagem dos canais transportados em cada n vel hier rquico e nas capacidades de opera o e manuten o OAM Operation and Maintenence As tramas dos n veis superiores da hierarquia do sistema SDH s o constitu das por justaposi o das tramas dos n veis inferiores sem inclus o de cabe alhos adicionais uma vez que os d bitos s o sincronizados por um rel gio comum A multiplexagem baseada extensivamente em apontadores podendo as estruturas mapeadas numa trama STM 1 STM 1 Synchronous Transport Module 1 flutuar umas em rela o s outras As capacidades de OAM s o suportadas pela provis o de cabe alhos nos contentores virtuais e nas tramas STM A Tabela 2 2 apresenta o d bito e a capacidade de cada tribut rio nos sistemas de transmiss o e multiplexagem s ncronos Cada m dulo STM 1 consiste num campo de informa o e um cabe alho inclu dos numa trama constitu da por 9 x 270 octetos como mostra a Figura 2 3 O cabe alho da trama SOH Section Overhead tem 9 x 9 octetos independentemente das combina es de contentores virtuais transportados no campo de informa o da trama No cabe alho da trama STM 1 existe um apontador para a unidade administrativa do contentor virtual VC 4 15 Capitulo 2 Tabela 2 2 N veis de multiplexagem e velocidades de transmiss o da Hierarquia Digital Sincr
247. s do meio f sico constituem a subcamada de Meio F sico PM Physical Medium e as fun es de adapta o camada ATM formam a subcamada de Converg ncia para a Transmiss o TC Transmission Convergence 3 3 1 1 Categorias de Servi os ATCs e Classes de Servi o Os procedimentos de estabelecimento de uma liga o e a implementa o de mecanismos de controlo de tr fego requerem uma grande flexibilidade na camada de gest o da rede Lue98 Para lidar com a diversidade de par metros de tr fego e de desempenho o ITU T Study Group 13 definiu dois conceitos distintos e ATC ATC ATM Transfer Capability ITU97a e Classes de Servi o ITU96f 65 Capitulo 3 Uma ATC descreve os par metros da camada ATM a serem especificados e os procedimentos aplic veis As Classes de Servi o especificam quais os aspectos funcionais relacionados com a adapta o dos servi os rede e g fragmenta o adapta o de rel gios multiplexagem Para se cumprir um determinado contrato de tr fego o utilizador selecciona uma dada ATC e os valores dos par metros relevantes o descritor de tr fego de fonte e toler ncias associadas e selecciona uma Classe de Servi o Com a especifica o do contrato de tr fego a rede e o utilizador sabem o que esperar A rede garante as caracter sticas da liga o enquanto que a fonte ter de operar de acordo com as condi es do contrato de tr fego estabelecido Uma ATC descreve as c
248. s pacotes t m j a identifica o do Canal CID a que correspondem a identifica o do Adaptador de terminal a que est o ligados UUI e da prioridade associada classe de tr fego que lhes atribu da a entrada UUI Os pacotes CPS ser o agora segmentados agrupados em blocos de 48 octetos ATM_SDUs de forma a serem encapsulados em c lulas ATM 123 Capitulo 5 e Encapsulamento ATM SDU O formato dos pacotes ATM SDU recordado novamente na Figura 5 5 Start Field CPS PDU Payload gt OSF Offset Field 6 bits SN Sequnce Number 1 bit CPS PDU P Parity 1 bit lt gt PAD Padding 0 a 47 bytes Figura 5 5 Formato dos pacotes ATM SDU Esta estrutura de multiplexagem destina se a juntar os diversos pacotes CPS de diversos tamanhos num nico pacote ATM SDU Estes pacotes necessitam de um temporizador de forma a organizar o seu escalonamento para transmiss o A natureza do tr fego de entrada pode ter exig ncias temporais restritas o que faz com que um pacote n o possa esperar mais do que um valor temporal bem definido Assim se o valor deste temporizador for baixo as c lulas ATM poder o ficar parcialmente preenchidas uma vez que o d bito de chegada de pacotes CPS baixo relativamente ao rel gio de multiplexagem No caso contr rio as c lulas ser o totalmente preenchidas mas o atraso de empacotamento aumentar Existe um rel gio de uso combinado Timer CU CU Combined Use de
249. s que v o sendo processados s o aceites ou rejeitados em fun o do c lculo do Sindroma Se o n mero de erros for igual ou inferior a 1 os pacotes s o aceites e no caso contr rio ser o rejeitados Ap s o controlo de erros do cabe alho dos pacotes CPS s o extra dos os campos CID UUI e LI Para cada pacote CPS recebido s o escritos LI octetos na fila correspondente ao canal indicado pelo campo CID 127 Capitulo 5 Extrai cabe alho Calcula Sindroma Calcula padr o do erro cabegalho corrigido cabegalho rejeitado Figura 5 8 Controlo de erros no cabe alho dos pacotes CPS 5 3 Concentrador O Concentrador semelhan a do Adaptador de terminal pode ser considerado como um conjunto de m quinas de estado de concentra o e expans o que funcionam de uma forma independente O m dulo de concentra o efectua a multiplexagem dos pacotes CPS provenientes de v rias fontes e de v rios Adaptadores de terminais num fluxo agregado maximizando a efici ncia de transmiss o O m dulo de expans o efectua a desmultiplexagem dos pacotes CPS em fluxos separados de acordo com o Adaptador de terminal de destino O m dulo de concentra o necessita de recuperar a estrutura dos pacotes CPS dos v rios fluxos de entrada para efectuar nova multiplexagem optimizando assim a taxa de preenchimento das c lulas ATM e o consequente aumento da efici ncia de transmiss o na rede semelhan a do Adaptado
250. s tecnol gicas que impossibilitam obter informa o directa de muitos dos fen menos fisiol gicos importantes Algumas destas t cnicas baseiam se na digitaliza o de imagens das folhas para medir as suas reas na aplica o de impulsos t rmicos no caule e na utiliza o da resson ncia magn tica nuclear para medir os fluxos de gua e nutrientes Pee96 Shi96 A aplica o de sensores de imagem e de t cnicas de aquisi o e processamento de imagem por computador na agricultura t m tamb m vindo a acentuar se ao longo dos ltimos anos podendo referir se como exemplo o desenvolvimento de dispositivos munidos de sistemas de vis o guiada para aplica o selectiva de herbicidas Lei02 Uma outra rea de aplica o que recentemente come ou a ser automatizada a da classifica o e selec o de frutos com base nos atributos da dimens o e cor Nesta rea de aplica o da vis o por computador o ser humano substitu do por m quinas para efectuar as opera es de inspec o visual que com base na cor mede a qualidade do fruto e com base na dimens o efectua a selec o do calibre Cru02 93 Capitulo 4 A recolha de grandes quantidades de informa o requer sistemas de processamento capazes de gerar em tempo real as decis es mais adequadas ao processo produtivo Dada a interdepend ncia e a complexidade dos v rios factores envolvidos na gest o dos processos agro industriais os sistemas de supervis
251. s v rios segmentos de rede enquanto que na Tabela 6 3 feita a sua descri o Adaptador Ea de Terminal de Rede de Comunica o Controlo Concentrador Figura 6 5 Configura o de refer ncia para determina o dos tempos de transmiss o do sistema Tabela 6 3 Defini o dos atrasos de transmiss o parciais Atraso da informa o provocado pelo escalonamento efectuado no Adaptador de terminal T2 Tempo de propaga o no tro o de liga o entre o Adaptador de Terminal e o Concentrador Ts Atraso da informa o provocado pelo escalonamento efectuado no Concentrador T4 Tempo de propaga o no tro o de liga o entre o Concentrador e a Rede de Comunica o Ts Atraso no interior da Rede de Comunica o Te Tempo de propaga o no tro o de liga o entre a Rede de Comunica o e a Aplica o de Controlo Tempo de processamento da informa o na Aplica o de Controlo Dos atrasos apresentados na Tabela 6 3 podemos considerar dois grupos de acordo com a sua ordem de grandeza O primeiro grupo composto pelas componentes T2 T4 e Te caracteriza se por o atraso ser aproximadamente fun o da dist ncia No segundo grupo constitu do pelas componentes T T3 Ts e T7 o atraso depende dos seguintes factores escalonamento filas de espera e g comutadores empacotamento e processamento de informa o e g Aplica o de controlo Este ltimo grupo composto por componentes cuja ordem de grandeza
252. ser apresentada a especifica o do sistema proposto constitu da por dois m dulos fundamentais o Adaptador de terminal e o Concentrador Estes m dulos s o descritos com detalhe assim como s o apresentadas as fun es principais da Aplica o de controlo No cap tulo 6 analisa se o desempenho do sistema apresentando e discutindo resultados dos diversos testes efectuados aos Algoritmos de escalonamento estudados para definir a solu o a adoptar Finalmente no cap tulo 7 apresentam se as Conclus es deste trabalho perspectivando alguns desenvolvimentos pass veis de trabalho futuro Redes de telecomunicacoes Um s culo ap s a descoberta do telefone as redes de telecomunica es sofreram uma profunda transforma o com o consequente aparecimento de um grande n mero de novos e atractivos servi os A evolu o tecnol gica no dom nio da micro electr nica permitiu a introdu o das t cnicas digitais ao n vel da transmiss o e comuta o A introdu o das fibras pticas permitiu melhorar a qualidade das liga es e g menores taxas de erros baixa atenua o aumentar o seu d bito transportar um maior e diversificado n mero de servi os e alargar a rea geogr fica abrangida As redes p blicas de comunica o eram caracterizadas por uma especializa o de acordo com o tipo de servi o transportado Vejamos alguns exemplos de redes p blicas e Rede de telex Esta rede transporta mensagens
253. siisa toes Petistas isa senna gas a ss Te assa ads eed de ea eaaa 39 Formato duma trama MAC do protocolo Ethernet e 44 Formato duma trama MAC com carrier extensions eeens 47 Interliga o el ctrica entre os diversos m dulos CAN 52 Formato de uma trama de dados CAN CAN Data Frame 53 Mecanismo de resolu o de colis es do protocolo CAN 55 M todo de passagem do token e comunica o Mestre Escravo num barramento PROFIBUS assi eri dos es ethos TEA 57 Processamento de mensagens de alta e baixa prioridade 59 Modelo de Refer ncia de Protocolos e rreeeearaeeaeeanaaeaareranaaa 64 Formato de uma c lula ATM s sus ss sine iiidid iiet 69 Estrutura do cabegalho da c lula ATM nas interfaces de utilizador UNI e de rede NNI 70 Rela o entre Canais Virtuais e Caminhos Virtuais 70 Comuta o de Caminhos Virtuais VP e Canais Virtuais VC 71 Unidade de dados do protocolo para a subcamada SAR do AAL 1 73 Modelo de Refer ncia de Protocolos para o AAL 2 e rereaaaaa 75 Unidade de dados do protocolo para a subcamada CPS do protocolo AAL 2 76 Formato do CPS PDU do AAL 2 ter reernaaaaraeaaaaraaaaar anna naarananaaa 76 Exemplo da multiplexagem de pacotes de comprimento vari vel na camada AAL 2 77 Subcamadas do protocolo AAL 3 4 oo eeeseeeeeeeeeeeeeneeeceeneeeeeeneeeeeseaeee
254. sitivos m veis Nestas circunst ncias se fosse usado o AAL 1 o atraso no preenchimento de c lulas aumentaria proporcionalmente com a taxa de compress o O protocolo AAL 2 foi desenvolvido para suportar tr fego VBR Classe B orientado liga o e com baixo atraso de propaga o As caracter sticas deste protocolo foram definidas a partir das necessidades da rea da telefonia celular onde se procurava integrar eficientemente servi os do tipo voz e v deo comprimidos em tempo real sendo especificado nas recomenda es 1 363 2 ITU97b e 1 366 1 ITU98 criadas no final da d cada de 90 A estrutura do protocolo AAL 2 pode ser dividida em duas subcamadas a subcamada inferior que fornece os servi os comuns da camada AAL designada de CPS CPS Common Part Sublayer e a subcamada superior que fornece os chamados servi os de converg ncia espec ficos da aplica o designada de SPCS SPCS Service Specific Convergence Sublayen como pode ser observado no modelo de refer ncia de protocolos da Figura 3 17 74 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo AAL 2 AAL 2 CPS Comunica o Ponto a Ponto CPS SAR e CPCS SAR e CPCS ATM Figura 3 17 Modelo de Refer ncia de Protocolos para o AAL 2 A recomenda o 1 363 2 atribuiu subcamada CPS do protocolo AAL 2 os servi os de Segmenta o e Reuni o de c lulas SAR e a parte dos servi os comuns de Converg ncia CP
255. so M ximo soilbojay sp Jopeydepy M dulo de Emiss o og ds20y ap ojnpow Rede de Comunica o Figura 5 1 Estrutura Funcional do Adaptador de terminal e M dulo de Configura o O m dulo de configura o permite ao utilizador efectuar a defini o das caracter sticas de tr fego e de QoS dos dispositivos a ligar ao Adaptador de terminal Os par metros de entrada s o os seguintes e N mero de canais de entrada e sa da activos e D bito m dio de entrada sa da e Atraso M ximo 120 Especifica o do sistema proposto O primeiro indica de todos os canais disponiveis quantos vao estar activos O segundo especifica qual o d bito m dio no caso de o canal ser de d bito constante este valor igual ao valor m dio Finalmente o terceiro especifica o atraso maximo quando requerido de cada canal 5 2 1 M dulo de Emiss o O m dulo de emiss o implementa as fun es de multiplexagem necess rias agrega o dos diversos fluxos de entrada num nico fluxo ATM SDU ATM Service Data Unit O escalonamento dos fluxos de entrada fundamental para se respeitarem os atrasos m ximos e assim garantir a QoS requerida Este escalonamento mat ria de discuss o do cap tulo 6 onde ser o abordadas as quest es do dimensionamento dos v rios m dulos funcionais do sistema As fun es de multiplexagem usam como suporte os pacotes CPS do protocolo AAL 2 Deste modo a subca
256. solvida atrav s da inser o remo o de pacotes vazios na trama de informa o isto pacotes que n o cont m informa o til Todas estas alternativas t m uma caracter stica comum que garante o seu sucesso ou seja a possibilidade de transportar qualquer servi o independentemente das suas caracter sticas tais como d bito requisitos de qualidade ou a natureza bursty Esta ltima vantagem foi uma das motiva es mais fortes para o ITU T adoptar o ATM como o modo de transfer ncia para a RDIS de Banda Larga Uma rede baseada num modo de transfer ncia independente do servi o n o ter as desvantagens dos outros modos de transfer ncia descritos anteriormente depend ncia do servi o incapacidade de adapta o a novos servi os inefici ncia no uso dos recursos dispon veis fraca adapta o a fontes do tipo bursty etc Deste modo podem enumerar se as principais vantagens do ATM e Flexibilidade e capacidade de evolu o Os avan os no estado da arte dos algoritmos de codifica o e da tecnologia VLSI tendem a reduzir os requisitos de largura de banda dos servi os existentes Novos servi os poder o surgir com caracter sticas ainda desconhecidas Todas estas transforma es poder o vir a ser suportadas com sucesso sem nenhuma altera o e sem perda de efici ncia na rede ATM Os sistemas ATM transmiss o comuta o e multiplexagem n o necessitam de ser modificados e Uso eficiente dos recursos
257. soma dos valores m dios dos d bitos de entrada das portas do concentrador Deste modo n o haver perda de pacotes devido ao efeito de concentra o A partir de um valor do Loopclock acima do calculado na equa o 6 7 a fila de pacotes de classe EM come ar a crescer at ocorrer overflow com a consequente perda de pacotes desta classe A perda de pacotes EM estar relacionada com a diferen a entre a soma dos d bitos m dios de entrada e o d bito de sa da 171 Capitulo 6 172 Analise de resultados 1 Verifica se atrav s da observa o da Tabela 6 11 que o atraso introduzido pelo Concentrador bastante reduzido para as fontes de classe AM excepto quando n o existem fontes de outro tipo O atraso introduzido depende de dois factores disciplina de escalonamento implementada pelo algoritmo e o valor do Loopclock Os pressupostos que conduziram especifica o do Algoritmo de escalonamento do Concentrador foram totalmente satisfeitos na pr tica verificando se uma boa resposta satisfa o dos requisitos de atraso das diversas fontes de tr fego Conclus es 1 Como era de prever verificou se que o Algoritmo de escalonamento do Concentrador cumpre com relativa facilidade o objectivo de satisfazer os requisitos de atraso dos fluxos associados s fontes de classe AM A prioridade dada aos fluxos de classe AM reflecte se na introdu o de um maior atraso aos fluxos das outras duas classe
258. ssegurar eficazmente os objectivos pretendidos 175 Conclusoes Ao estudar a adapta o de tr fego de baixo d bito em aplica es de controlo foi poss vel identificar v rias limita es dos actuais sistemas de aquisi o de dados designadamente ao n vel dos d bitos capacidades de endere amento e rea de cobertura A adapta o de servi os de muito baixo d bito tem subjacente o controlo do atraso no preenchimento dos pacotes e o respectivo escalonamento aspectos que t m um impacto significativo na Qualidade de Servi o Em resposta a estes problemas foi proposta e especificada uma arquitectura modular de um sistema que permite multiplexar v rios fluxos de informa o gerados por servi os de muito baixo d bito num nico fluxo agregado Foi seleccionada para o efeito a tecnologia ATM pelas propriedades que apresenta no que se refere efici ncia de multiplexagem e ao controlo do atraso de empacotamento O Modo de Transfer ncia Ass ncrono al m de permitir multiplexar um n mero muito elevado de fontes de tr fego garante a QoS negociada no estabelecimento ou durante a fase activa das liga es A capacidade de multiplexar um elevado n mero de fontes de tr fego de baixo d bito pode ser assegurada nomeadamente pelo protocolo da camada de adapta o AAL 2 Por outro lado a capacidade de endere amento oferecida pela camada ATM permite identificar um n mero de elementos terminais como se
259. st a tentar transmitir Spu00 O tempo de conten o definido como duas vezes o tempo que a mensagem leva para se propagar de um extremo ao outro do condutor ou seja o equivalente a 64 octetos Spu00 De notar que a dura o de um bit diferente dependendo da velocidade da rede Ethernet sendo de 100ns para 10Mbit s e 10ns para 100Mbit s O tempo de conten o significa o m ximo tempo que uma esta o demora a detectar se houve colis o na sua mensagem Assim passado esse tempo a esta o tem certeza que n o sofrer interfer ncia de outras esta es Por exemplo suponhamos uma esta o num extremo do cabo a iniciar uma transmiss o no instante to Algum tempo depois os primeiros bits da mensagem v o atingir a extremidade oposta do cabo Se uma segunda esta o na extremidade oposta do cabo ouvir o meio f sico um pequeno instante antes de to 5 vai achar que o meio est livre e come ar a sua transmiss o A segunda esta o vai detectar quase imediatamente a colis o mas a primeira esta o s vai detectar essa colis o quando os bits enviados pela segunda tiverem chegado to 5 5 por esta raz o que o tempo de conten o igual a 25 A Tabela 3 2 mostra os tempos de espera da interface de rede de 10Mbit s no caso de colis o Spu00 Uma esta o n o transmite v rios pacotes intermitentemente sendo obrigada a esperar um tempo conhecido como IFG IFG Inter Frame Gap equivalente a
260. stema efici ncia m xima No caso de n o existirem octetos em nenhuma fila o escalonador n o formar nenhum pacote CPS e o algoritmo retorna ao ponto de partida Uma vez que os fluxos de baixo d bito de classe AM podem produzir pouca informa o relativamente aos fluxos de outras classes poder acontecer que devido necessidade de atender estes servi os com alguma prioridade n o seja poss vel preencher os pacotes com o tamanho m ximo Nestes casos a perda de efici ncia de multiplexagem associada cria o de pacotes mais pequenos derivada da necessidade de satisfazer os requisitos de atraso destes servi os Avalia o do comportamento do algoritmo com o cen rio 1 Para efectuar a avalia o do algoritmo com o cen rio 1 ser necess rio atribuir uma classe de tr fego a cada fluxo de acordo com as caracter sticas do servi o a suportar A Tabela 6 5 apresenta uma poss vel atribui o das classes de tr fego definidas no cap tulo 4 a cada um dos servi os definidos para o cen rio 1 Tabela 6 5 Caracter sticas de tr fego dos servi os de acordo com o cen rio 1 Especifica o da classe de tr fego e do atraso m ximo associado Servi o Caracter sticas D bito m dio Classe de tr fego Atraso M ximo ms S1 Voz d bito constante 16kbit s AM 15 Sensor d bito constante 800bit s Dados d bito vari vel 16kbit s Interruptores d bito constante 80bit s Video
261. te 138 An lise de desempenho do sistema Quando se inicia a simula o a informa o gerada por cada fonte armazenada num FIFO FIFO First In First Out implementado no sistema operativo atrav s de um named pipe que permite a comunica o entre o processo associado fonte e o processo do escalonador Mais frente na sec o 6 3 ser o descritas com mais detalhe as caracter sticas principais das fontes de tr fego usadas assim como os modelos escolhidos para a sua representa o e Escalonador Este m dulo respons vel pelo escalonamento de informa o de acordo com o algoritmo usado Para efectuar o escalonamento da informa o ou seja decidir qual a fila a atender cada algoritmo tem acesso aos seguintes elementos e o instante de chegada dos octetos a cabe a de cada FIFO e o tamanho actual de cada FIFO e a classe de tr fego Em fun o dos elementos anteriores o algoritmo de escalonamento ir escolher a fila a atender Uma vez escolhida a fila a atender o escalonador ir ler do FIFO correspondente o maior n mero de octetos poss vel de modo a preencher um pacote CPS CPS Convergence Packet Sublayer Nesta fase podem acontecer tr s situa es A primeira corresponde ao n mero de octetos lido ser inferior ao valor m ximo do tamanho de pacotes CPS Neste caso o pacote ter um comprimento correspondente ao n mero de octetos lido A segunda situa o corresponde ao preenchimento
262. te todas as c lulas com erros no cabe alho s o rejeitadas mantendo se o receptor no modo de detec o Quando ocorrer um cabe alho sem erros o receptor volta ao modo de correc o Devido a este procedimento o receptor tem possibilidades de reagir s situa es de erros isolados ou em rajadas O mecanismo de delimita o de c lula tem o diagrama de estados indicado na Figura 3 28 Este diagrama de estados ocorre na recep o e tem o estado de Fora de Sincronismo como estado inicial Cabe alho correcto Pr Sincronismo Sincronismo Cabe alho incorrecto ALFA Cabe alhos incorrectos consecutivos DELTA Cabe alhos correctos consecutivos Figura 3 28 Diagrama de estados para o processo de delimita o de c lulas 83 Capitulo 3 O procedimento para se atingir o estado est vel de funcionamento Sincronismo a partir do estado inicial o seguinte no estado Fora de Sincronismo verificado bit a bit se a codifica o do HEC em rela o ao valor do resto do cabe alho est correcta Assim que se encontrar um valor correcto presume se que se est em presen a de um cabe alho correctamente delimitado e passa se ao estado Pr Sincronismo Este mecanismo repete se at que se encontrem HEC s correctos durante DELTA c lulas consecutivas passando se nessa altura ao estado Sincronismo considerando se o processo de delimita o da c lula conclu do Perder se esta delimita o se ocorr
263. te com informa o de sinaliza o e o plano de gest o usado para fazer a coordena o entre os planos e executar fun es operacionais De acordo com o ITU T as camadas podem ser divididas tal como se apresenta na Tabela 3 5 As fun es das camadas superiores do PRM s o dependentes dos servi os e a camada de adapta o AAL AAL ATM Adaptation Layer executa fun es dependentes dos servi os suportados pelas camadas superiores 64 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo Tabela 3 5 Fun es e subcamadas do PRM Camadas Superiores Converg ncia Segmenta o e Reuni o Controlo Global de Fluxo Gera o e Extrac o do Cabe alho da C lula Comuta o Multiplexagem e Desmultiplexagem de C lulas Desacoplamento do d bito de c lula Verifica o Cria o da sequ ncia do HEC do Cabe alho Delinea o de C lulas TC Adapta o para a transmiss o de tramas PL Inser o e extrac o de c lulas em tramas 2 a Extrac o do Rel gio de bit PM Meio F sico A camada ATM independente dos servi os e da camada F sica associada ao meio de transmiss o Na camada AAL as fun es dependentes dos servi os constituem a subcamada de converg ncia CS Convergence Sublayer e as fun es de adapta o camada ATM formam a subcamada de Segmenta o e Reuni o SAR Segmentation and Reassembly Sublayer Na camada F sica PL PL Physical Layer as fun es dependente
264. tes Cabe alho do 0 24 bits n Cauda do R CPCS PDU CPCS PDU AL Alignment Etag Ending tag BASize Buffer Allocation Size Length Length of CPCS PDU Payload Btag Beginning tag PAD Padding CPCS Common Part Convergence Sublayer PDU Protocol Data Unit CPI Common Part Indicator Figura 3 25 Unidade de dados do protocolo para a subcamada CPCS do AAL 3 4 80 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo AAL Tipo 5 Este tipo de AAL suporta servi os de d bito vari vel em que existe uma rela o temporal entre fonte e destino Classe D e caracteriza se por suportar duma forma eficiente a transfer ncia de grandes blocos de informa o atrav s da utiliza o da totalidade da capacidade da unidade de dados do protocolo SAR PDU A grande diferen a entre este e o AAL 3 4 reside na impossibilidade do AAL 5 suportar directamente a fun o de multiplexagem O AAL 5 subdividido nas subcamadas SAR e CS de forma id ntica ao AAL 3 4 Figura 3 21 A subcamada SAR aceita SDUs de tamanho m ltiplo de 48 octetos da subcamada CPCS Nenhum campo de controlo adicionado aos SDUs recebidos ao n vel da SAR sendo apenas efectuadas as fun es de segmenta o e reuni o Para detectar o in cio e o fim de um SAR PDU recorre se ao par metro AAU ver sec o 3 3 1 2 O valor 1 do campo PT PT Payload Type do cabe alho da c lula ATM indica o fim enquanto que o valor O o in cio ou a continua o de um SAR
265. tes de acordo com o cen rio 2 Especifica o do atraso m ximo e classe de tr fego ASSOCIACA cccceceeeeeeeeececeeeeeeeeeeeecaeeeeeeeeeseceaeaaeeeeeeeeeeeees 165 Resultados da avalia o do algoritmo orientado s classes de tr fego usando o cen rio 2 Variante Arira ayaa cated tee ay eaten ened ada do our gds ceed Dea sta dna 166 Resultados da avalia o do algoritmo orientado s classes de tr fego usando o cen rio 2 Variante B s sismos ice a qua sb LEA alga ASS UO ARS DEE ads indeibigds nara das A E nE ANEAN 166 Resultados da avalia o do algoritmo orientado s classes de tr fego usando o cen rio 2 Variante B modificado us cs sce escisecetec cece ssa sas dacesdanii nano siena i ua dives dese da e iaeiei 167 Resultados da avalia o do Algoritmo de escalonamento do Concentrador 171 Lista de Acronimos AAL ATM Adaptation Layer AAU ATM User to ATM User Indication ABR Available Bit Rate ABT ATM Block Transfer ANSI American National Standards Institute ATC ATM Transfer Capability ATD Asynchronous Time Division ATM Asynchronous Transfer Mode BCE Base Communication Equipment B NT1 Broadband Network Termination 1 B NT2 Broadband Network Termination 2 BOM Beginning Of Message BSC Base Station Controller BSS Base Station Subsystem B TA Broadband Terminal Adapter B TE1 Broadband Terminal Equipment 1 BTS Base Transceiver Station CAN Controller Area Network CBR Constant
266. tetos Quando uma esta o pretender enviar dois pacotes consecutivos dever esperar um tempo chamado IFG equivalente a 12 octetos Esta medida serve para libertar o meio f sico e permitir que outras esta es tamb m possam transmitir as suas tramas A defini o de cada campo da trama feita a seguir e Pre mbulo uma sequ ncia de 7 octetos para sincroniza o entre emissor e receptor Cada octeto constitu do pelo padr o de bits 10101010 A codifica o Manchester para esse padr o produz uma onda quadrada de 10MHz durante 5 6us e Delimitador Inicial da trama DI um octeto com o padr o 10101011 indicando o in cio da trama e Endere o de destino e endere o de origem cada trama cont m um campo de 6 octetos que indica o endere o da esta o de destino e outro que indica o endere o da esta o de origem da informa o A norma prev endere os de 2 ou 6 octetos mas o protocolo Ethernet utiliza somente endere os de 6 octetos O bit mais significativo do endere o destino 0 para endere os normais e 1 para endere os de grupo Endere os de grupo permitem que v rias esta es escutem o meio de transmiss o atrav s do mesmo 44 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo endere o Quando uma trama enviada para um endere o desse tipo todas as esta es pertencentes quele grupo a recebem Enviar uma mensagem para um endere o de grupo chamado multicasting Um ende
267. to e Overload frame usadas para solicitar o aumento do intervalo de tempo entre tramas sucessivas ou seja solicitar a diminui o do d bito de informa o no barramento A estrutura de uma trama de dados ilustrada na Figura 3 7 1 bit 11 bit 1bit 1bit 1bit 4 bit 0 64 bit 15 bit 1 bit 1 bit 1 bit 7 bit enim o e oe oeno ces ein eo Arbitration Field Control Field CRC Field ACK Field itration Fiel a a a Figura 3 7 Formato de uma trama de dados CAN CAN Data Frame e SOF Start Of Frame Indica o in cio da trama 0 53 Capitulo 3 e Base Identifier sequ ncia de 11 bits que permite identificar de uma forma un voca uma dada mensagem e RTR Remote Transmission Request Permite distinguir as Data frames RTR 0 das Remote frames RTR 1 e Control Field composto pelos bits rv1 e rv2 e pelo campo DLC Data Length Code Os primeiros est o reservados para futura normaliza o rv1 rv2 0 e s o seguidos por 4 bits do campo DLC que podem assumir um valor bin rio dentro do intervalo 0 8 e indicam o comprimento do campo de dados Data Field e Data Field Este campo transporta os dados a serem transmitidos O seu comprimento varia entre O e 8 octetos de acordo com o campo DLC descrito anteriormente e CRC Field composto por uma sequ ncia de 15 bits de um c digo c clico redundante CRC Cyclic Redundancy Code usado pelos receptores par
268. toda a banda dispon vel Esta situa o preocupa bastante os operadores pois tem um efeito directo sobre a qualidade de servi o fornecida Uma das solu es impor prioridade baixa a este tipo de tr fego sempre que a satura o da rede se aproxima 2 5 Redes de comunica o sem fios As tecnologias de comunica o sem fios t m sofrido nos ltimos anos uma profunda evolu o de tal forma que em alguns pa ses o n mero de telefones celulares superior aos da rede fixa Em menos de 10 anos o n mero de assinantes de telefones m veis atingiu n veis que demoraram cerca de um s culo a atingir nos da rede fixa Sha00 Embora as aplica es iniciais das redes sem fios sejam baseadas em servi os de voz tem se assistido ultimamente a uma grande desenvolvimento nos servi os de dados e Internet de que s o exemplos o Bluetooth e o IEEE 802 11 Com o aparecimento dos sistemas celulares de 3 gera o tem sido feito um esfor o no sentido de integrar estas duas filosofias e proporcionar ao utilizador o acesso a servi os diversificados de voz dados e multim dia com a introdu o de um conceito fundamental a mobilidade Os par grafos seguintes fazem uma breve descri o das principais funcionalidades das redes sem fios existentes nos dias de hoje 2 5 1 GSM Em 1982 a Confer ncia Europeia de Correios e Telecomunica es CEPT Conference European Post and Telegraphf da qual participavam as administra
269. transmitida com sucesso Para ilustrar este mecanismo Tov99 considere se o conjunto de mensagens ilustrado no exemplo da Tabela 3 4 Tabela 3 4 Exemplo de uma sequ ncia de mensagens CAN Identifier Field 01000111111 pee 01000011111 01000001111 ose H 01000000111 A Figura 3 8 ilustra como efectuado o mecanismo de resolu o de colis es De notar que entre duas tramas com identificadores diferentes o de mais alta prioridade aquele que apresenta o identificador de valor bin rio mais baixo Suspende a transmiss o Suspende a transmiss o uspende a transmiss o Resto da mensagem Valor L gico 4 do Barramento 0 Tempo bits Figura 3 8 Mecanismo de resolu o de colis es do protocolo CAN No caso de serem transmitidas simultaneamente uma Data Frame e uma Remote Frame com o mesmo identificador a Data Frame tem prioridade mais alta Essa distin o feita atrav s do bit RTR Para tal num dado sistema a cada tipo de mensagem deve ser atribu do um nico identificador uma Data Frame com um dado identificador e um DLC diferente de zero pode apenas ser transmitido por um n As Remote Frames apenas podem ser transmitidas com um DLC igual ao da Data Frame correspondente As transmiss es simult neas de Remote Frames com identificadores iguais e DLCs diferentes provocam colis es sem resolu o 55 Capitulo 3 3 2 2 PROFI
270. ulo 6 120 r r T r r r r I I l I l I I i I I I I I I O Algoritmo 1 l I 1 I I x Algoritmo 2 ia WOT ge Algontmo 3 p esp Sp E ee Se e Algoritmo 4 j i i i I 1 I I I 1 I I I I I I I I OS o ee ee 3 3 I 1 I I I I I g 1 I I 1 I I I EE I I I I I I I e Dn Ent Sc Sl ES a nn Se l I l I I l I I I I I I 1 ER AT Spe ag gee eee ae SS ee ee l I l I l 9 l I I I I I I I I I I I I I I Apr FE E de Ace Ui Ea E e cnn yeaa l I I I mal t I I 1 I I I I tie F I i l I l 0 L t L t t t t 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Loopclock ms Figura 6 13 Varia o do quociente entre o Atraso Maximo e M dio em fun o do Loopclock 7 2 T T T T T T T I I I I I i I 18 a I I I Algor 1 l tab a p SS Bee e ee See a O era e e Ea l I I x Algor 2 1 I I I l I Algor3 I Tiaare Sy Sys NOS Sy Sy ey SR AOA E PRE I I I I l I I Pot I I l I I CO ee eines eta RG ac A a be oe i ee t T Rahs SL qu e na alc NA ar RR aN a a a ad m I I I I I l I EM 3 I I I i I I I o ds 2 eee Es oes oe es E oe Es SK Se Se T BoA es ies Pegs cx eh 267 4 I l nn S I I I I I I I o I l I l I l I ES TE SS GS Ss ps re Sed Sa I I I 1 I I I Eos che seus SS else ci cs Soe rosy ca Ml lise ed l I l I I I l I I I I I I I Ba StS So pio ee Se eS Sub Sp ey I I I I I I I I l I I I l I AoA da SS Sds prece SS E oa I I I I I I I 62 t t t t fi fi t 0 0 5 1
271. ulture state of the art and future perspectives Proceedings of the Congress on ICT applications in Agriculture pp 359 367 1996 Per03 Pim90 Pix02 PRO94 Pre92 Pry95 Qua92 Roc98 Ruf97 Set93 Sha00 Shi96 Bibliografia Pereira M R Amorim C L Castro M C Tutorial sobre Redes de Sensores Cadernos do IME Instituto de Matem tica e Estat stica Universidade do Estado do Rio de Janeiro S rie Inform tica 14 Junho de 2003 Pimentel J Communication Networks for Manufacturing Prentice Hall International Editions Englewood Cliffs New Jersey 1990 Pixord 100 120 Network Camera User s Manual PIXORD Corporation Rev 1 0 Software Version 1 14 Janeiro de 2002 PROFIBUS Nutzerorganisation e V Haid und Neu Str 7 Implementation Guide to DIN 19245 Part 1 Karlsruhe Alemanha Agosto de 1994 Press W H Teukolsky S A Vetterling W T Flannery B P Numerical Recipes in C The Art of Scientific Computing 2nd ed Cambridge University Press Cambridge 1992 Prycker M Asynchronous Transfer Mode Solution for Broadband ISDN Prentice Hall 3 Edi o 1995 Qualcomm Incorporated Introduction to CDMA and the Proposed common Air Interface Specification CAI for a Spread Spectrum Digital Cellular Standard An Overview of the Application of Code Division Multiple Access CDMA to Digital Cellular Systems and Personal Cellu
272. uportes de transmiss o digital 33 Capitulo 2 actualmente instalados e de crer que sejam utilizados durante alguns anos como suporte de transmiss o das redes p blicas de telecomunica es Ap s uma abordagens sobre os principais modos de comunica o foram descritas as Redes Telef nicas as Redes de Dados as Redes baseadas nos protocolos TCP IP e as principais Redes sem fios A evolu o tecnol gica e o aparecimento de um n mero elevado de novos servi os de telecomunica es conduzem necessidade de uma cada vez maior integra o de servi os possibilitando uma maior economia de custos de desenvolvimento manuten o e gest o Neste contexto foram descritas as Redes Digitais com Integra o de Servi os a RDIS be e a RDIS BL Esta ltima sendo baseada no modo de transfer ncia ass ncrono ATM ser apresentada no cap tulo seguinte juntamente com outras tecnologias de suporte da arquitectura do sistema proposto 34 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo As Redes de Area Local LAN Local Area Network t m sido usadas com alguma popularidade no suporte de sistemas de controlo industrial como alternativa a solu es suportadas por liga es ponto a ponto Deste modo os custos de opera o manuten o e instala o tornaram se mais reduzidos comparativamente s solu es tradicionais Al m dos aspectos econ micos o uso de LANs em sistemas de controlo industrial permite
273. v rios tipos garantindo os requisitos de atraso de cada fonte 2 Maximizar a ocupa o da largura de banda de forma a reduzir os custos de transmiss o 3 Integrar um n mero elevado de fontes de baixo d bito 142 An lise de desempenho do sistema Para tal foram definidos dois cen rios que permitir o avaliar a capacidade dos algoritmos de escalonamento atingirem os objectivos atr s mencionados O primeiro permitir avaliar a capacidade de cada algoritmo atingir os dois primeiros objectivos enquanto que o segundo permitir avaliar a capacidade de se atingirem os dois ltimos Cen rio 1 Este cen rio de simula o permite avaliar a capacidade dos algoritmos de escalonamento de suportarem a integra o de fontes com requisitos de tr fego e atraso diferentes assim como a capacidade de optimizar a ocupa o da largura de banda de transmiss o Para tal ser necess rio avaliar o comportamento dos algoritmos perante um cen rio em que as fontes usadas possam produzir resultados em que seja poss vel retirar informa o acerca da efici ncia de multiplexagem dos atrasos m ximos dos diferentes fluxos do tamanho das filas de espera associadas a cada fluxo e do valor do Loopclock m ximo que satisfaz os requisitos de todos os servi os Deste modo s o usadas como entradas um conjunto de fontes com as caracter sticas apresentadas na Tabela 6 1 Tabela 6 1 Caracteriza o das fontes do cen rio 1 D bito m
274. vas em rela o norma Ethernet s o o aumento do d bito de transmiss o 100Mbit s e o modo de transmiss o que pode ser half duplex ou full duplex No modo de opera o half duplex n o ocorreram modifica es no m todo de acesso CSMA CD No entanto no modo full duplex foram efectuadas as seguintes modifica es e Cria o de pause frames tramas que a esta o que est a receber informa o envia esta o de origem para a avisar que deve interromper a transmiss o durante um dado per odo de tempo 45 Capitulo 3 e Enquanto que na norma Ethernet uma esta o n o podia transmitir e receber informa o ao mesmo tempo na norma Fast Ethernet isso j poss vel e N o necess rio esperar o sil ncio da linha para transmitir a transmiss o efectuada quando o receptor est apto a receber informa o e Aumento da largura de banda 200Mbit s e Tipos de Cabos e Topologias Os cabos que podem ser utilizados s o e Coaxial fino e Par entran ado sem blindagem e Fibra ptica multimodo e monomodo As topologias suportadas s o e Barramento utilizando cabo coaxial fino e Estrela utilizando cabos de par entran ado sem blindagem Gigabit Ethernet e Caracter sticas Gerais O Gigabit Ethernet foi desenvolvido com o objectivo de manter a compatibilidade com a base instalada de dispositivos Ethernet e Fast Ethernet O d bito de transmiss o de 1Gbit s e na sua
275. visto por todos os outros n s quase simultaneamente Deste modo estamos em presen a de um canal do tipo broadcast A Figura 3 3 ilustra a topologia em barramento E ES E Esses Figura 3 3 Topologia em barramento Nesta topologia existem dois m todos principais de controlo de acesso ao meio e M todo determin stico consiste em passar um token de n em n sendo que s pode transmitir a esta o que possui o token usado por exemplo nas redes Token Bus IEEE 802 4 e M todo aleat rio qualquer esta o pode transmitir quando a rede est livre poss vel ocorrerem colis es se duas ou mais esta es detectarem a rede livre e come arem a transmitir quase simultaneamente Neste caso as esta es que detectam a colis o interrompem imediatamente a transmiss o e efectuam nova tentativa passado um tempo aleat rio ap s a colis o Este o m todo utilizado pelas redes Ethernet atrav s do 39 Capitulo 3 algoritmo CSMA CD CSMA CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection que ser analisado com mais detalhe na pr xima sec o 3 1 3 M todos de acesso ao meio Nesta sec o s o analisados duma forma geral as duas principais categorias de protocolos existentes com colis o e sem colis o ou seja quando se aceita a exist ncia de colis es ou quando se evita que elas ocorram 3 1 3 1 Com
276. work As principais fun es da CN s o as de implementar mecanismos de comuta o encaminhamento e transporte do tr fego de utilizador al m de garantir a manuten o das bases de dados e a gest o da rede A sua arquitectura uma evolu o da rede GSM com suporte GPRS e pode ser dividida em dois dom nios Comuta o de Circuitos CC e Comuta o de Pacotes CP Os elementos pertencentes ao dom nio da Comuta o de Circuitos s o o MSC VLR e a Gateway MSC e os elementos pertencentes ao dom nio de Comuta o de Pacotes s o o SGSN e o GGSN Outros elementos tais como o EIR HLR e AUC s o partilhados por ambos os dom nios 26 Redes de telecomunica es O modo de transfer ncia ass ncrono ATM foi definido como a tecnologia de suporte de transmiss o do UMTS e UTRAN A UTRAN permite a introdu o de servi os multim dia devido largura de banda dos seus canais r dio 5MHz em vez de 200kHz do sistema GSM e da utiliza o de um novo m todo de acesso CDMA CDMA Code Division Multiple Access t cnica de alargamento de espectro que permite aumentar a taxa efectiva de transfer ncia de informa o atrav s do uso de c digos que identificam conex es Qua92 deste modo poss vel a transfer ncia de informa o com d bitos at 2Mbit s A UTRAN implementa o interface r dio de acesso entre o equipamento de utilizador UE e a rede O novo m todo n o corresponde a uma evolu o do sistema GSM
277. zidas fun es de rede Foram usados diferentes nomes nas diversas solu es alternativas propostas por v rias organiza es Os nomes mais vulgares s o ATM ATM Asynchronous Transfer Mode que a designa o oficialmente usada pelo ITU T ATD ATD Asynchronous Time Division o nome originalmente usado pelo CNET CNET Centre National d Etudes des Telecommunications e mais tarde adoptado na Europa Cou83 e finalmente FPS FPS Fast Packet Switching a t cnica mais aprofundada nos Estados Unidos Tur83 1ITU T antigo CCITT Comit Consultative International de Tel phone et Tel graphe 2 Comuta o R pida de Pacotes em ingl s Fast Packet Switching T cnica adoptada pelo ITU T como suporte da RDIS de Banda Larga e posteriormente designada por Modo de Transfer ncia Ass ncrono ATM 62 Tecnologias de comunica o para sistemas de controlo O nome FPS era j aplicado anteriormente aos sistemas a operarem a taxas maiores que os sistemas de comuta o de pacotes tradicionais gra as s suas reduzidas funcionalidades Quer na sigla ATD quer na ATM a palavra Asynchronous tem sido usada pois esta t cnica al m de permitir uma opera o ass ncrona entre o rel gio de emiss o e o rel gio de recep o n o imp e uma rela o temporal pr definida entre os tempos de transmiss o de unidades consecutivas pacotes tramas c lulas etc A diferen a entre os dois rel gios pode ser facilmente re

José Manuel Tavares Vieira Cabral Uma Arquitectura para

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