Reti locali cablate e wireless

Università degli Studi di Palermo

Facoltà di Ingegneria - Corso di Laurea in Ingegneria InformaticaA.A. 2007/2008

TESINAdi

Reti Locali, Cablate e Wireless

The Road to an End-to-End Deterministic Ethernet

Prof.del corso: Orazio Mirabella

A cura dello studente: Salvatore Gino La Tona.

Copyright © Salvatore La Tona

INTRODUZIONE

o Negli ultimi anni abbiamo mostrato che Ethernet commutato è sulla buona strada per raggiungere una posizione predominante nel mondo dell’automatizzazione. Dal punto di vista della comunicazione l’introduzione della priorizzazione standard del traffico IEEE 802.1p è un’importante pietra miliare sulla strada verso l’Ethernet deterministico, che ha reso possibile prevedere la peggiore latenza di un’infrastruttura Ethernet commutato.

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Corso di Reti Locali Cablate e WirelessCopyright © Salvatore La Tona

Vantaggi nell’uso di Ethernet

• Tecnologia universalmente accettata• Grande mercato a costi bassi• Affidabilità lungamente testata• Grande velocità ( 10 o 100 Mbit/sec)• Innovazione: gigabit Ethernet



Svantaggi nell’uso di Ethernet

• Grande overhead e spreco di banda• Non è deterministico: possibili collisioni e

ritrasmissioni• E’ “democratico”: tutti i nodi possono accedere

alla rete con le stesse opportunità• E’ statico: non possiamo prevedere quando un

messaggio perverrà a destinazione a causa delle code.



Code di Attesa Negli Switch

Quando vengono inviati messaggi si generano code di attesa negli switch.

Velocità di trasmissione e di inoltro spesso differenti provocano code e nella peggiore delle ipotesi la perdita del pacchetto.

L’introduzione di nuove regole può al massimo evitare il peggior caso di latenza.



Code nei drop links e nei nodi

Da quando alcuni standard propongono di trasferire i dati in tempo reale, si creano code tra lo switch e il nodo, in sostenza si creano code di drop link.

Da quando il pacchetto trascorre un ampia percentuale del suo tempo totale end to end all’interno del nodo, è necessaria la priorizzazione dei pacchetti interni.


Copyright © Salvatore La Tona Corso di Reti Locali Cablate e Wireless

Uno Standard per la Priorità e per la Distribuzione

Standard IEEE 802.1PE’ stato introdotto per alleviare il problema delle

code negli switches.Specifica un meccanismo a 2 livelli: dati di

missione critica e dati di missione non critica.



Standard IEEE 802.1Q

• Supportate le VLAN (virtual lan) 12 bit, limitando domini broadcast e riducendo il traffico broadcast sull’ intera rete. Le VLAN rimuovono il traffico nei drop link.

• Campo Extra TCI (TAG Control Info)• 3 bit di Priority Field nel mac header per gestire

8 livelli di priorità.



Svantaggi di IEEE 802.1Q

costi hardware extra associati all’ aumento di lunghezza del frame ethernet(1522 byte).

Problemi di compatibilità con i legacy ethernet networks. È una configurazione accettabile se la latenza del pacchetto nello switch si può predire e se un overload non compromette i processi hard real time



IEEE 802.1Q



Ulteriori Impedimenti per l’Alta Priorità

La priorità dipende anche dalle infrastrutture di rete che si occuperanno dell’inoltro e del trasporto del messaggio

Esempio di Fast Ethernet 100 Mb/s: il messaggio potrebbe perdere dallo 0,1% al 20% di tempo in transito sul canale.

Ritardi dovuti all’adattamento del software allo stack protocollare

Problema di code create a livello di driver (Ethernet)



Soluzioni 1

Se potessimo sospendere i pacchetti a bassa priorità nel momento in cui arriva un pacchetto ad alta priorità, avremmo la soluzione perfetta.

Non potendolo fare, una prima soluzione potrebbe essere:

Inserire un identificatore ID con la priorità del processo.

Per fare ciò bisognerebbe rendere il software rientrante.



Soluzioni 2

Eventuale altra soluzione accettabile sarebbe:

Introdurre un campo di flag (LOW) quindi aspettare che compaia un pacchetto nella coda a più alta priorità ed attendere che il flag LOW sia settato. Processare il pacchetto e resettare il flag.



Ulteriore Soluzione

Una soluzione per la gestione delle priorità a livello di driver ethernet potrebbe essere quella di implementare due code: una coda software ed una hardware. Nella coda software vengono inseriti i pacchetti a bassa priorità, mentre in quella hardware quelli ad alta. Se non ci sono richieste real time da servire viene spostato il primo pacchetto a bassa priorità della coda software a quella hardware e viene processato. Oppure se ci sono poche richiesta ad alta priorità si sposta un pacchetto a bassa ogni volta che ne viene processato uno ad alta.



Misurazione dei ritardi, introduzione

• Il principio di misurazione è abbastanza semplice. Consiste nel generare un messaggio a livello dell’applicazione nel nodo da testare (il “nodo master da testare”), il tempo di stamparlo, spedirlo in un nodo di test compagno (il “ nodo di test slave”) che immediatamente riporta il messaggio e il tempo stampando il messaggio riportato nel nodo del test di master. La differenza tra i due tempi di stampa rappresenta il messaggio totale round trip delay.



Misurazione dei Ritardi 1

Nell’invio di un messaggio end-to-end con l’utilizzo dei processi sopra elencati i ritardi a cui si è soggetti sono sicuramente dati da:

1. Nodo master trasmette allo stack protocollare, bufferizzazione.

2. ritardo di invio dal nodo master al nodo slave.3. ritardo del nodo slave per ricevere e bufferizzare

(stack protocollare).4. tempo del nodo slave per creare il messaggio di

ritorno (livello applicazione)



Misurazione dei Ritardi 2

5. Tempo di ritrasmissione del nodo slave stack protocollare + buffer

6. Ritardo di ritrasmissione al nodo master.7. ritardo del nodo master per lo stack + il buffer



Conclusioni

L’introduzione dello standard di priorizzazione del

traffico IEEE 802.1p ha reso possibile calcolare il caso peggiore di latenza attraverso un’infrastruttura di ethernet commutato. L’assunto è che il modello di traffico in tempo reale usando le code ad alta priorità è conosciuto, incluso il numero di switch di spedizione e che il traffico non critico usa una più bassa priorità presenta una soluzione per tenere sotto controllo la latenza nei nodi finali introducendo un meccanismo QoS negli stack di protocollo.



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