Using the ethernet protocol for real-time communications in embedded systems - Carreiro, Francisco Borges (2011)
Os Sistemas Computacionais de Controlo Distribuído (SCCD) estão muito disseminados em aplicações que vão desde o controlo de processos e manufactura a automóveis, aviões e robôs. Muitas aplicações são de natureza tempo-real, ou seja, impõem fortes restrições às propriedades subjacentes aos sistemas de controlo, gerando a necessidade de fornecer um comportamento temporal previsível durante períodos alargados de tempo. Em particular, dependendo da aplicação, uma falha em garantir as restrições pode causar importantes perdas económicas ou mesmo pôr vidas humanas em risco. Actualmente, a quantidade e funcionalidade dos modernos SCCD têm crescido firmemente. Esta evolução é motivada por uma nova classe de aplicações que requer maior demanda de recursos tais como aplicações de multimedia (por exemplo visão), bem como pela tendência em usar grande número de processadres simples e interconectados, em vez de poucos e poderosos processadores, encapsulando cada funcionalidade num único processador. Consequentemente, a quantidade de informação que deve ser trocada entre os nós da rede também cresceu drasticamente nos últimos anos e está agora atingindo os limites que podem ser obtidos por tradicionais barramentos de campo, como por exempo CAN, WorldFIP, PROFIBUS. Outras alternativas são pois requeridas para suportar a necessidade de largura de banda e a manutenção de exigências dos sistemas de comunicação tempo-real: previsibilidade, pontualidade, atraso e variação de período limitados. Uma das linhas de trabalho tem apostado na Ethernet, tirando vantagem dos baixos custos dos circuitos, da elevada largura de banda, da fácil integração com a Internet, e da simplicidade em promover expansões e compatibilidade com redes usadas na estrutura administrativa das empresas industriais. Porém, o mecanismo padronizado de acesso ao meio da Ethernet (CSMA/CD) é destrutivo e não determinístico, o que impede seu uso directo ao nível de campo ou pelo menos em aplicações de comunicação tempo-real. Apesar disso, muitas abordagens diferentes têm sido propostas e usadas para obter comportamento tempo-real em Ethernet. As abordagens actuais para dotar de comportamento tempo-real Ethernet partilhada apresentam desvantagens tais como: exigência de hardware especializado, fornecimento de garantias temporais estatísticas, ineficiência na utilização da largura de banda ou na reposta tempo-real. São ainda por vezes inflexíveis com respeito às propriedades de tráfego bem como com as políticas de escalonamento. Podem exigir processadores com elevado poder de cálculo. Finalmente não permitem que estações tempo-real possam coexistir com estações Ethernet standard no mesmo segmento. Uma proposta recente, o algoritmo hBEB, permite a coexistência de estações tempo-real e standard no mesmo segmento. Contudo, apenas uma estação tempo-real pode estar activa, o que é inaceitável para aplicações de automação e controlo. Esta tese discute uma nova solução para promover tempo-real em Ethernet partilhada, baseando-se na passagem implícita de testemunho de forma similar à usada pelo protocolo P-NET. Esta técnica é um mecanismo de acesso ao meio físico pouco exigente em termos de processamento, sendo portanto adequada para implementar uma rede de dispositivos baseados em processadores de baixo poder de cálculo e controladores Ethernet standard. Esta tese apresenta ainda uma proposta de implementação do VTPE em IP core para superar algumas dificuldades derivadas de funcionalidades que não são suportadas por controladores standard, nomeadamente a arbitragem do meio físico durante a transmissão de uma trama. Esta nova proposta pode aumentar muito a eficiência do VTPE no uso da largura de banda. O VTPE, assim como P-NET ou protocolos similares, permite a uma estação apenas comunicar uma vez por cada circulação do testemunho. Esta imposição pode causar bloqueios de comunicação por períodos inaceitáveis em aplicações com tráfego isócrono, por exemplo multimedia. Uma solução proposta permite que uma estação possa aceder ao meio físico mais de uma vez por cada circulação do token. Os resultados experimentais a as análises desenvolvidas mostram que o bloqueio pode ser drasticamente reduzido. Por último esta tese discute uma variante do protocolo VTPE, o VTPE/h- BEB, que permite que mais de uma estação hBEB possa coexistir com diversas estações Ethernet standard num mesmo segmento partilhado. Um demonstrador para prova de conceito bem como uma aplicação foram também implementados.