INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DO PORTO

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1 INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DO PORTO Departamento de Engenharia do Porto 5º Ano Disciplina:Projecto Arquitectura de Comunicações Baseadas em Ethernet/IP (Ethernet /Industrial Protocol) Projecto realizado sob a orientação do Eng.º Eduardo Tovar Paulo Manuel Baltarejo de Sousa Julho de 2003

2 Agradecimentos Gostaria de agradecer às pessoas cujo o apoio foi determinante à realização deste relatório. Agradeço a todos os professores que, ao longo do curso, ajudaram na aquisição do conhecimento e das aptidões necessárias para o desenvolvimento deste relatório. Em especial, ao meu orientador, Eng.º Eduardo Tovar pelo apoio dado através das suas sugestões e também por permitir a realização deste relatório no âmbito do grupo de investigação IPP-HURRAY. Aos colaboradores do IPP-HURRAY que se mostraram sempre disponíveis, em particular Luís Miguel Pinho e Nuno Pereira. Aos meus amigos e colegas pelas sugestões dadas. Finalmente agradeço a todos os meus familiares, em especial à minha mulher Elisa Cristina e à minha filha Bárbara Rita, pela compreensão e carinho, se os quais não teria conseguido realizar este relatório. II

3 Acrónimos ATM Asynchronous Transfer Mode Attribute ID Atribute Identifier CID Connection ID CIP Control Information Protocol Class ID Class Identifier CLNP ConnectionLess Network Protocol COTS Commercial Of The-Self CRC Cyclic Redundancy Check CSMA/CD Carrier sense Multiple Access with Collision Detection DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DM Deadline Monotonic DNS Domain Name Server DQDB Distributed Queue Dual Bus EDF Earliest Deadline First Ethernet/IP Ethernet/Industrial Protocol FCFS First Come First Served FDDI Fiber Distributed Data Interface FTP File Transfer Protocol HTTP HyperText Transfer Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers IETF Internet Engeneering Task Force INDEPTH Industrial Ethernet Protocols Under Holistic Analysis Instance ID Instance Identifier IPP-HURRAY Intstituto Politécnico do Porto-HUgging Real-time and Reliable Architecture IPv4 Intenet Protocol versão 4 IPv6 Intenet Protocol versão 6 IPX Internet Packet Exchange ISDN Integrated Services Digital Network ISEP Instituo Superior de Engenharia do Porto ISO International Organization for Standardization LAN Local Area Network LPC Link Consumer Object LPO Link Producer Object MAC Medium Access Control MAC ID Media Acess Control Identifier MAN Metropolitam Area Network III

4 NIC ODVA/CI OSI PC RM SMTP SNMP TCP TCP/IP UCMM UDP VLAN WAN Network Interface Card Open DeviceNet Vendor Association / Controlnet International Open Systems Interconnection Personal Computer Rate Monotonic Simple Mail Transport Transfer Protocol Simple Network Management Protocol Transmission Control Protocol Transmission Control Protocol/internet Protocol UnConnected Message Manager User Datagram Protocol Virtual Local Area Network Wide Area Network IV

5 Índice geral Agradecimentos... II Acrónimos... III Índice geral... V Índice de figuras... VIII Índice de tabelas... IX Objectivos Introdução Sistemas de Tempo Real Introdução A tarefa Pre-empção Tempo de resposta Escalonamento Rate Monotonic (RM) Análise de Escalonabilidade Análise de escalonabilidade em sistemas distribuídos (tarefas comunicantes) Arquitecturas de rede Introdução Modelo de referência OSI A arquitectura TCP/IP Camada Data link Camada Internet Camada Transport Camada Application IEEE Ethernet Introdução Controlo do acesso ao meio físico Equipamentos Repeaters...20 V

6 Hubs Bridges Switches Routers Tempo Real e IEEE Ethernet O tráfego IEEE Ethernet e a Ethernet/IP Control Information Protocol (CIP) Introdução Modelo de objectos Estrutura do sistema Topologia Lógica Endereçamento Os identificadores Rede CIP I/O Connections Explicit Messaging Connections Modelo de Objectos de um produto CIP Protocolo para envio de mensagens Estabelecimento de uma conexão Acesso aos dados do objecto Comportamento das I/O Connections Comportamento das Explicit Messaging Connection Modelo de rede Produtor/Consumidor Introdução O modelo de rede Origem/Destino O novo paradigma Ethernet/Industrial Protocol (Ethernet/IP) Introdução...49 VI

7 8.2. Protocolo de Encapsulamento Uso do TCP e UDP Encapsulamento de mensagens Formato comum Fases de uma sessão TCP Mapeamento das Explicit e I/O Messaging no TCP/IP Visão geral do encapsulamento Conclusões...55 Referências... XI Índice remissivo... XIII VII

8 Índice de figuras Figura 1: Dados das tarefas (fonte [12])....5 Figura 2: Análise gráfica - sistema escalonável....7 Figura 3: Análise gráfica Sistema não escalonável...8 Figura 4: Envio de uma mensagem entre dois nós...10 Figura 5: Conceitos do método token-passing Figura 6: Tráfego necessário para as três transacções Figura 7: Camadas do modelo OSI (fonte [18]) Figura 8: Arquitectura protocolar TCP/IP em relação ao modelo de referência OSI (fonte [3])..15 Figura 9: Formato de um pacote IPv4 (fonte [3]) Figura 10: Formato dos segmentos do protocolo UDP (fonte [3]) Figura 11: Formato dos segmentos do protocolo TCP (fonte [3]) Figura 12: Posicionamento de vários protocolos da arquitectura TCP/IP(fonte [3]) Figura 13: Trama Ethernet(fonte [17]) Figura 14: Colisão numa rede CSMA/CD(fonte [3]) Figura 15: Posicionamento de um repeater em relação à arquitectura TCP/IP(fonte [3])...21 Figura 16: Interligação de host com um hub(fonte [3]) Figura 17: Posicionamento funcional das pontes face ao modelo OSI (fonte [3]) Figura 18: Diagrama de blocos de uma bridge (fonte [3]) Figura 19: Várias comunicações simultâneas numa rede Ethernet com um switch(fonte [3])...24 Figura 20: Exemplo de configuração de VLANs numa LAN (fonte [3]) Figura 21: Cenário de interligação de redes de diferentes tecnologias e âmbitos (fonte [3]) Figura 22: Posicionamento funcional dos routers face à arquitectura TCP/IP (fonte [3]) Figura 23: Configuração de uma rede com uma única VLAN(fonte [5])...29 Figura 24: Configuração de uma rede com duas VLANs (fonte [5]) Figura 25: Exemplo de Routing Multicast (fonte [5]) Figura 26: Arquitectura Ethernet/IP(fonte [5]) Figura 27: Estrutura de rede topologia (fonte [1]) Figura 28: Estrutura de rede lógica(fonte [1]) Figura 29: Exemplo de endereçamento de um objecto(fonte [1]) VIII

9 Figura 30: I/O Connection(fonte [1]) Figura 31: Explicit Messaging Connections (fonte [1]) Figura 32: Modelo de objectos de um produto CIP(fonte [1]) Figura 33: Conexões e Connections IDs(fonte [1]) Figura 34: Estabelecimento de uma Explicit Messaging Connections(fonte [1])...38 Figura 35: Criação e configuração de uma I/O Connection(fonte [1]) Figura 36: Connection Object(fonte [1]) Figura 37: Connections Path(fonte [1]) Figura 38: Acesso aos objectos por I/O Connections(fonte [1]) Figura 39: Diagrama de transições de uma I/O Connection (fonte [1]) Figura 40: Diagrama de transições de estado de uma instância de um objecto Explicit Messaging Connection (fonte [1]) Figura 41: Relação eventos / estado de Explicit Messaging Connection Figura 42: Mensagem típica do modelo Origem/Destino(fonte [14]) Figura 43: Mensagem típica do modelo Produtor/Consumidor(fonte [14]) Figura 44: Arquitectura TCP/IP e a Ethernet/IP(fonte [1]) Figura 45: Passos para o encapsulamento de uma mensagem Índice de tabelas Tabela 1: Dados das tarefas...6 Tabela 2: Tempo de resposta da análise gráfica sistema Escalonável...7 Tabela 3: Dados das tarefas...8 Tabela 4: Tempo de resposta da análise gráfica sistema não escalonável...8 Tabela 5: Dados das tarefas do nó Tabela 6: Resposta temporal das tarefas do nó Tabela 7: Intervalos de valores aplicáveis aos Class ID(fonte [1]) Tabela 8: Relação eventos / estado de I/O Connection Tabela 9: Estrutura de encapsulamento de um pacote Tabela 10: Formato comum dos pacotes de encapsulamento...52 IX

10 Tabela 11: Formato do campo Endereço e Dados do pacote comum...52 Tabela 12: Formato do pacote de encapsulamento de uma mensagens implícita ou explicita..53 X

11 Objectivos O objectivo final deste trabalho é o estudo de uma nova arquitectura de comunicações para ambientes industriais. Ethernet/Industrial Protocol (Ethernet/IP) é a designação dessa nova arquitectura que surgiu em Com este trabalho pretende-se fazer uma compilação dos conceitos e das tecnologias base assim como outros aspectos considerados relevantes. Este trabalho insere-se por um lado, num projecto do grupo I&D IPP-HURRAY do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP), por outro lado, num trabalho curricular da cadeira de Projecto do 5ºano da licenciatura em Engenharia Informática do mesmo estabelecimento de ensino. 1

12 1. Introdução Em Setembro de 1980 surgiu a primeira norma comercial da Ethernet. Em 1985 o Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) publicou o primeiro conjunto de normas da Ethernet com o título: Carrier sense Multiple Access with Collision Detection(CSMA/CD). Esta norma foi mais tarde adoptada pelo International Organization for Standardization (ISO). Isto fez com que esta tecnologia seja o meio mais utilizado nas Local Area Network (LAN). Estas redes não têm, geralmente, necessidades prementes em termos de requisitos temporais. Em Janeiro de 1998 Eric Byres afirmou I think we may see completely take over the industrial bus and network market in the next ten years [13]. Hoje em dia cada vez mais existem dispositivos que necessitam de informação em tempo útil. Nomeadamente os Sistemas de Tempo Real. Será que é possível utilizar a tecnologia Ethernet em ambientes cujas as aplicações tem estas necessidades? O Ethernet/IP (Ethernet/ Industrial Protocol) pretende dar resposta a esta questão. O Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP), através do grupo I&D IPP-HURRAY (http://www.hurray.isep.ipp.pt/) tem vindo desde 2003 a participar activamente no projecto Industrial Ethernet Protocols Under Holistic Analysis (INDEPTH), em parceria com a Rockwell Automation TM, no âmbito do qual se insere este trabalho. O relatório está estruturado da seguinte forma. No capítulo 2 é feita uma breve descrição dos dos conceitos e definições aos Sistemas de Tempo Real. No capítulo 3 é feita uma abordagem às arquitecturas de rede, nomeadamente uma breve descrição do modelo Open Systems Interconnection (OSI) e da arquitectura Transmission Control Protocol/internet Protocol (TCP/IP). No capítulo 4 é feita uma descrição da evolução da tecnologia IEEE Ethernet assim como das suas principais características. O capítulo 5 faz a ponte entre a tecnologia IEEE Ethernet e a pilha de protocolos Ethernet/IP. Neste capítulo é abordado como é possível a utilização do standard Ethernet (IEEE 802.3) em ambientes com restrições temporais, isto é, em Sistemas de Tempo Real. No capítulo 6 faz-se uma descrição do que é o Control Information Protocol (CIP). Não pretendendo ser muito exaustivo também não se pretende uma abordagem muito superficial. No capítulo 7 é descrito um novo paradigma importante associado a este tipo de redes: o modelo de rede Produtor/Consumidor. O capítulo 8 trata do que dá título a este relatório, Ethernet/IP. Não é muito exaustivo porque ainda não existe muita informação. Neste capítulo é descrito como é feito o encapsulamento das mensagens. Finalmente, no capítulo 9 são descritas as conclusões e são feitas algumas comparações com tecnologias concorrentes. Em algumas situações são usados estrangeirismos. Este facto deve -se essencialmente a dois motivos. Por um lado, por vezes, é complicado traduzir para português mantendo o significado. Por outro lado, como nas figuras e em algumas tabelas aparecem as expressões em inglês, manteve-se as expressões em inglês nos textos para permitir uma melhor e mais rápida 2

13 relação entre eles. Em relação as figuras, na legenda é colocada a fonte. Nalgumas figuras houve necessidade de fazer algumas alterações ou mesmo criá-las. Mesmo as que foram criadas é referida a fonte. 3

14 2. Sistemas de Tempo Real 2.1. Introdução Na medida em que o uso de sistemas informáticos prolifera na sociedade actual, as aplicações com requisitos de tempo real tornam-se cada vez mais comuns [12]. Essas aplicações variam muito em relação à complexidade e às necessidades de garantia de restrições temporais. Entre os sistemas mais simples, estão os controladores inteligentes inseridos nos electrodomésticos comuns, tais como máquinas de lavar, fogões, frigoríficos, etc.. Na outra extremidade do espectro de complexidade estão os sistemas militares e defesa, os sistemas de controlo de fábricas industriais (químicas, nucleares, e outras) e o controlo de tráfego aéreo e/ou ferroviário. Algumas aplicações de tempo real apresentam restrições de tempo mais rigorosas do que outras. Entre essas, encontram-se os sistemas responsáveis por monitorizar pacientes em hospitais, sistemas de supervisão e controlo em fábricas industriais e os sistemas inseridos em robôs e veículos (desde automóveis até aviões e sondas espaciais). Entre as aplicações que não apresentam restrições tão críticas, normalmente, são citadas as consolas de jogos, as teleconferências através da Internet e as aplicações multimédia. Todas as aplicações que apresentam a característica adicional de estarem sujeitas a restrições temporais, são consideradas como Sistemas de Tempo Real. Um sistema computacional de tempo real depende não só da correcção do resultado lógico mas também da produção atempada do resultado. Geralmente pensa-se que os Sistemas de Tempo Real têm que ser computacionalmente muito rápidos. A rapidez de cálculo aumenta o desempenho do sistema, minimizando o tempo de resposta médio de um conjunto de tarefas (o conceito de tarefa será explicado com mais detalhe a seguir). No entanto, o principal objectivo não é o desempenho médio mas sim o global. Isto é, pretende-se que todas as tarefas cumprem as restrições temporais associadas. Para estes sistemas, mais importante que a rapidez é a previsibilidade. E para prever é necessário conhecer a priori o comportamento do sistema, nomeadamente os tempos de máximos de execução das tarefas. A arquitectura de hardware, o sistema operativo e as linguagens de programação são importantes para determinar o tempo máximo de execução. Por exemplo, o mecanismo de memória cache, as funções recursivas e o garbage collector do Java são elementos que dificultam o determinismo. Ora se é difícil determinar qual o tempo máximo de execução de uma tarefa, então torna-se complicado fazer previsões com alguma exactidão. De seguida, vamos abordar conceitos básicos de Sistemas de Tempo Real para escalonamento de processos num sistema computacional multi-processo e uni-processador [15] A tarefa Neste contexto, uma tarefa é uma entidade que pode ser implementada como um processo ou thread para a execução de uma determinada funcionalidade. 4

15 As propriedades mais importantes das tarefas são (figura 1): o C Máximo tempo de computação de uma tarefa; o T Periodicidade de uma tarefa (ou o menor intervalo entre duas activações consecutivas de uma tarefa); o D - Deadline (meta temporal) relativo da tarefa; o O Offset (instante da primeira activação da tarefa no sistema). Figura 1: Dados das tarefas (fonte [12]). Num sistema computacional podem existir N tarefas, t1, t2,..., tn, sendo então cada uma delas caracterizada da seguinte forma (geralmente não se coloca o Offset): t i =(C i, T i,d i) As tarefas, quanto à periodicidade, podem ser de três tipos: o Periódicas aquelas que tem um T associado; o Esporádicas aquelas que apresentam como característica um intervalo mínimo conhecido entre duas activações consecutivas; o Espontâneas aquelas que tem como característica a aleatoriedade das activações, uma vez que são activadas por eventos internos ou externos. As tarefas, quanto à utilização de recursos, podem ser de dois tipos: o Independentes que não utilizam recursos que são partilhados por outras tarefas; o Dependentes que utilizam recursos que são partilhados por outras tarefa Pre-empção No caso de o ambiente ser pre-emptivo, a tarefa pode ser interrompida por uma outra de maior prioridade (interferência) até ao fim da sua execução. Num ambiente não pre-emptivo uma tarefa não pode ser interrompida enquanto não terminar a sua execução. Isto pode provocar bloqueio nas tarefas de maior prioridade Tempo de resposta O tempo de resposta de uma tarefa corresponde ao intervalo de tempo desde que ela é lançada no sistema até acabar a sua execução. 5

16 2.5. Escalonamento Rate Monotonic (RM), Deadline Monotonic (DM), Earliest Deadline First (EDF) e First Come First Served (FCFS) são nomes de políticas de escalonamento de processos (ou tarefas). O escalonamento FCFS, como o próprio nome indica (primeiro a chegar primeiro a ser servido), consiste numa política de escalonamento em que a sequência de execução a ordem de chegada da instância da tarefa ao sistema. Além de não permitir pre-empção não tem em atenção outros pormenores como T ou D, o que faz com que não seja apropriado para sistemas de tempo real. Ao contrário, as outras políticas de escalonamento referidas atrás são apropriadas para estes sistemas. O RM consiste num esquema em que as prioridades são estáticas. Neste caso as prioridades mais altas são para as tarefas mais frequentes, isto é, aquelas que tem o T mais baixo. Tal como o RM, o escalonamento DM consiste num esquema em que as prioridades são estáticas. No entanto, as prioridades mais altas são para as tarefas que tem o D mais baixo. O EDF ao contrário do RM e do DM, o escalonamento é feito com base em prioridades dinâmicas. As prioridades alteram-se em tempo de execução. A prioridade mais alta é atribuída às instâncias das tarefas que têm o D absoluto mais próximo. Isto é, a instância da tarefa que tem que terminar mais cedo em relação ao instante actual é aquela que é atribuída a prioridade mais alta. Destas só a política RM irá ser descrita com pormenor na secção seguinte, por ser a mais utilizada em sistemas Commercial Of The-Self (COTS ). Para que um sistema seja escalonável é necessário, para cada tarefa, que o Tempo de Resposta seja inferior ou igual ao respectivo D Rate Monotonic (RM) Análise de Escalonabilidade Por forma do problema a simplificar o problema da análise de escalonabilidade de tarefas ignoram-se algumas latências como sendo o tempo de mudança de contexto, acessos à memória, etc. Considere um conjunto de quatro tarefas, caracterizadas da seguinte forma: Tarefa C T D A B C D Tabela 1: Dados das tarefas. O escalonamento RM consiste num esquema em que as prioridades são estáticas. Neste caso as prioridades mais altas são para as tarefas mais frequentes, isto é, aquelas que tem o T mais baixo. Portanto, no conjunto de tarefas apresentado, a tarefa de maior prioridade é a tarefa A, e a de menor prioridade a tarefa D. Para analisar a priori se um conjunto de tarefas é escalonável de acordo com o RM, podem utilizar-se métodos analíticos ou gráficos. 6

17 De forma analítica temos duas possibilidades: através da análise da utilização do processador; ou através da análise da resposta temporal da tarefa. Estas análises têm que ser feitas em função do ambiente, se pre-emptivo ou não, e se as tarefas são ou não independentes. Caso não sejam independentes qual a política de prioridades em relação aos recursos Herança de prioridades ou Tecto de prioridades. A seguir é apresentada a análise gráfica para um ambiente pre-emptivo e tarefas independentes. Para efectuar análise gráfica e determinar o tempo de resposta (R) de uma tarefa temos que considerar a pior situação (instante crítico) para o sistema. A pior situação para este método acontece quando todas as tarefas chegam ao mesmo tempo ao sistema. Figura 2: Análise gráfica - sistema escalonável. Para que um sistema seja escalonável todas as tarefas têm que apresentar: Ri D i Como se pode ver pela tabela seguinte, nenhuma tarefa perdeu o D. Então este conjunto de tarefas é escalonável para um ambiente pre-emptivo com tarefas independentes e cuja politica de escalonamento é o RM. Tarefa C T D R A B C D Tabela 2: Tempo de resposta da análise gráfica sistema Escalonável. 7

18 Considere a seguinte alteração em relação à tabela 1: Tarefa C T D A B C D Tabela 3: Dados das tarefas. Só se alterou a periodicidade (T) e o deadline (D) da Tarefa D para 25 unidades de tempo. Como se pode ver pela análise gráfica, este conjunto de tarefas deixa de ser escalonável. Figura 3: Análise gráfica Sistema não escalonável. De facto, a Tarefa D perde o D, isto é, o tempo de resposta é maior que o respectivo D. A tabela 4 apresenta os resultados. Tarefa C T D R A B C D Tabela 4: Tempo de resposta da análise gráfica sistema não escalonável. Ora, caso o sistema tenha muitas tarefas, como é normal, torna-se complicado fazer a análise de escalonabilidade desta forma. Para tal o mais simples e com menos probabilidade de erro é fazer a análise de escalonabilidade de forma analítica. Relembra-se que estamos perante um ambiente pre-emptivo com tarefas independentes e a politica de escalonamento é o RM. O objectivo é verificar se existe alguma tarefa cujo o R seja maior do que o D: Ri D i Para tal é necessário efectuar uma série de cálculos. De seguida descreve-se todo o processo para chegar ao resultado: 8

19 R = C + I i i em que R corresponde à resposta temporal da tarefa i e I corresponde à interferência que a tarefa i pode sofrer. A interferência total corresponde ao somatório das interferências causadas por todas as tarefas j com prioridade maior ou igual à da tarefa i (j hp (i)): I i = j hp(i) R i C Tj Então, substituindo I i na equação (2) tem que, para o RM, caso pre-emptivo e tarefas independentes, o tempo de resposta de uma tarefa i é dado pela equação seguinte: R i = C i + j hp(i) i R T i j j C O que se pretende determinar R i, aparece dos dois lados da equação, e não é possível reformular a equação de forma a ter R i só do lado esquerdo (a função de ceiling não é uma função linear...). Estamos por isso perante uma equação recorrente (incógnita está dos dois lados da equação). Daí que a equação passa a ser a seguinte: R n+ 1 i = C i + j hp( i) Ri T n j j C j Começam-se as iterações com : e quando: 0 R i = C i n+1 i R = R está encontrada a solução. Para que o número de iterações seja finito é necessário que a utilização do processador seja: N i= 1 C T i i n i Análise de escalonabilidade em sistemas distribuídos (tarefas comunicantes) Se considerarmos os Sistemas de Tempo Real em ambiente distribuídos, como é normal em sistemas industriais, a comunicação desempenha um papel importantíssimo nos tempos de resposta das tarefas nestes sistemas. Os objectivos de protocolos de comunicação em Sistemas de Tempo Real são diferentes dos sistemas que não são de tempo real. Em sistemas convencionais, não de tempo real, o aumento do desempenho é feito com base no aumento das taxas de transferência (bit rate). Na comunicação em sistemas de tempo real o que se procura é a obtenção de altas probabilidades que uma mensagem será entregue dentro de um 9

20 deadline específico. Para que seja possível determinar se um determinado conjunto de tarefas é ou não escalonável, será necessário conhecer qual a latência máxima que uma mensagem pode sofrer. A figura 4 ilustra o envio de uma mensagem. Figura 4: Envio de uma mensagem entre dois nós. A comunicação entre processos em diferentes nós num sistema distribuído requer o envio e a recepção de mensagens sobre o meio que permite a interligação do sistema. Para enviar uma mensagem os nós têm que competir pelo acesso ao meio. Vamos assumir que o modelo de rede é composto por N nós ligados por um bus. Para controlar o acesso ao meio, é utilizado o método Token-passing. Neste método existe um token que permite, a quem o possuir, efectuar uma transacção (enviar um pedido e receber a resposta). O token passa de nó em nó mediante uma qualquer heurística. Assuma que sempre que um nó tem o token pode efectuar, no máximo, uma transacção. Se C é o tempo necessário para efectuar uma transacção (em função do tamanho em bits da transacção e do bit rate da rede), então o tempo entre duas posses consecutivas do token, geralmente designado de visita, por um determinado nó é dado pela fórmula: V = N C A figura 5 ilustra os conceitos associados ao envio de mensagens com o método tokenpassing. 10

21 Figura 5: Conceitos do método token-passi ng. Admita uma rede de comunicações na qual existem três nós. Cada transacção pode corresponder, no máximo, à transferência de 2000 bits. No nó 3 existem três tarefas cujas as características são apresentadas na tabela 5: Tarefa C (ms) T=D(ms) A 2 5 B 1 7 C 2 9 Tabela 5: Dados das tarefas do nó 3. Estas tarefas são escalonadas de acordo com o RM pre-emptivo. Os pedidos gerados são colocados numa fila de pedidos pendentes do tipo FCFS. Os pedidos são sempre gerados pelas tarefas no início da sua execução. Qual seria o bit rate mínimo da rede para que em nenhum instante existam mais de três pedidos na fila (um pedido referente a cada tarefa) de pedidos pendentes. Considera-se desprezível o tempo de rotação do token. Para resolver este problema seria necessário determinar os tempos de resposta de cada tarefa. Como já foi referido, pode-se calcular o tempo de resposta de duas formas: analítica e gráfica. Uma vez que já foi demonstrado com se efectuam, apresentam-se os resultados (tabela 6). Tarefa C T=D R A B C Tabela 6: Resposta temporal das tarefas do nó 3. Como se pode ver pelos resultados o conjunto de tarefas é escalonável. E para que não existam mais do que três pedidos na fila é necessário que o nó possua o token com um intervalo inferior a 5 ms. Isto porquê. Porque se o nó receber o token com essa frequência é garantido que nunca existiram mais do que três pedidos na fila. Então qual será o bit rate mínimo para que isto aconteça. O gráfico da figura 6 permite visualizar o processo. Salienta-se que se deve considerar a pior situação, que neste caso será quando o nó possui o token e 11

22 começa uma transacção referente a um pedido que está na fila, e chegam os três pedidos em simultâneo. Como se pode ver pelo gráfico é necessário um tráfego de bits para que o nó 3 consiga efectuar as transacções referentes às tarefas. Ora para que não existam mais de três tarefas na fila o bit rate da rede deve ser de forma a permitir a transferência de bits em menos de 5 ms. Fazendo os cálculos o bit rate deve ser superior a 4Mbps. Figura 6: Tráfego necessário para as três transacções. Importa referir que este modelo apresentado neste exercício está muito simplificado para facilitar a compreensão dos problemas associados à análise de escalonabilidade em ambiente distribuído. 12

23 3. Arquitecturas de rede 3.1. Introdução A interligação de sistemas abrange um leque alargado de aspectos, alguns dos por si só, comportando um considerável nível de complexidade [3]. Os principais problemas relativos à comunicação entre sistemas relacionam-se, directa ou indirectamente, com os seguintes aspectos: o Comunicação entre processos possibilitar a troca de informação e a sincronização de várias actividades entre tarefas; o Representação de dados definição da forma de representação da informação trocada entre sistemas, estabelecendo uma sintaxe comum aos sistemas comunicantes; o Armazenamento de dados estabelecimento das formas de armazenamento, temporário ou não, e as formas de acesso remoto a dados; o Gestão de recursos e de processos controlo da aquisição, inicialização e utilização de recursos nos sistemas origem/destino de informação e no sistema de comunicação; o Segurança definição de procedimentos para autenticação, integridade, confidencialidade e não repúdio da comunicação entre entidades. A definição destes e de outros aspectos para a interligação de sistemas constitui um modelo ou arquitectura de comunicação. Uma arquitectura de comunicação define e descreve um conjunto de conceitos como, por exemplo, camadas, serviços, protocolos, modos de comunicação, identificadores, nomes e endereços aplicáveis à comunicação entre sistemas reais, compostos por hardware, processos físicos, software de comunicação, processos de aplicação e utilizadores humanos Modelo de referência OSI O modelo de referência OSI resulta de um projecto de grande envergadura conduzido ISO durante os anos 70 e 80. O objectivo inicial do projecto era o de desenvolver um enquadramento que permitisse a elaboração de normas para a interligação de sistemas abertos, isto é, de sistemas modulares totalmente independentes de fabricantes. Este objectivo não foi totalmente atingido por várias razões. No entanto tornou-se um modelo de referência. O modelo de referência OSI agrupa as funcionalidades de comunicação em sete camadas, de acordo com critérios de afinidade, abrangendo aspectos que vão desde o equipamento de interface com os meios físicos, até aos protocolos de aplicação. A figura 7 representa as diversas camadas constituintes do modelo. 13

24 Figura 7: Camadas do mode lo OSI (fonte [18]) A arquitectura TCP/IP Curiosamente, a arquitectura TCP/IP - a arquitectura protocolar da Internet - atingiu, com enorme êxito, os objectivos primordiais inicialmente estabelecido para o modelo OSI da ISO: independência relativamente a fabricantes de equipamento, abertura e universalidade. A sua concepção, no entanto, seguiu uma metodologia totalmente diversa da metodologia utilizada no desenvolvimento modelo OS [3] I. No caso da arquitectura TCP/IP, privilegiou-se uma abordagem simples, pragmática e, normalmente, precedida de experimentação e comprovação em ambiente real. Deste modo, a arquitectura TCP/IP conduziu a soluções despidas de complexidade que não fosse justificado por necessidades concretas. Esse mesmo facto é patente na arquitectura protocolar resultante, que é composta por apenas cinco níveis ou camadas (em alguma documentação aparece quatro camada porque não consideram a camada do nível físico), em vez das sete camadas preconizadas pelo modelo OSI da ISO. A figura 8 representa a arquitectura protocolar TCP/IP, ao lado da arquitectura OSI, sendo visível a correspondência entre camadas. 14

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