Comunicação em tempo real

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1 Comunicação em tempo real

2 Introdução à comunicação em tempo real Um STR é um sistema computacional que deve reagir a estímulos (físicos ou lógicos) oriundos do ambiente dentro de intervalos de tempo impostos pelo próprio ambiente. INTERFACE Sistema de Controle estímulo SENSOR ATUADOR resposta Sistema a Controlar (Ambiente) 09/03/ :57 Redes de Comunicação 2

3 Introdução à comunicação em tempo real Redes de Difusão tem métodos de acesso ao meio compartilhados M1 DL = 10 End. 01 M2 DL = 15 End. 02 M3 DL = 50 End. 03 M4 DL = 25 End. 04 M5 DL = 5 End. 05 MAC? - Com colisão - Sem Colisão - Prioridade Mensagens pendentes em cada estação devem ser entregues a seu destino antes de um prazo limite (deadline) associado. 09/03/ :57 Redes de Comunicação 3

4 Alocação fixa: alocam o meio às estações por determinados intervalos de tempo, independentemente de haver ou não necessidade de acesso (ex.: TDMA = Time Division Multiple Access); Alocação aleatória: permitem acesso aleatório das estações ao meio (ex.: CSMA = Carrier Sense Multiple Access ou Acesso Múltipli por Detecção de Portadora). Em caso de envio simultâneo por mais de uma estação, ocorre uma colisão e as estações envolvidas tem que transmitir suas mensagens após a resolução do conflito resultante (protocolos de contenção); 09/03/ :57 Redes de Comunicação 4

5 Alocação controlada: cada estação tem direito de acesso apenas quando de posse de uma permissão, que é entregue às estações segundo alguma seqüência predefinida (ex.: Token-Passing, Master- Slaves); Alocação por reserva: para poder usar o meio, as estações tem que reservar banda com antecedência, enviando pedidos a uma estação controladora durante um intervalo de tempo pré-destinado e este fim (ex.: CRMA = Cyclic Reservation Multiple Access); Híbridos: consistem de 2 ou mais das categorias anteriores. 09/03/ :57 Redes de Comunicação 5

6 Protocolos determinísticos: possuem a possibilidade de definir um limite de tempo para a entrega de uma dada mensagem (mesmo que somente em pior caso). Possuem direito ao acesso independentemente das necessidades de transmissão de cada nó da estação (alocação fixa). Possuem um baixo desempenho. Protocolos não-determinísticos: competem entre estações pelo direito de acessar o meio de transmissão. 09/03/ :57 Redes de Comunicação 6

7 CSMA p-persistente Protocolos não-determinísticos CSMA 1-persistente CSMA não persistente CSMA/CD Protocolos MAC Protocolos determinísticos TDMA Token passing Mestre escravo Árbitro de barramento CSMA/DCR 09/03/ :57 Redes de Comunicação 7

8 Protocolos não-determinísticos CSMA (Carrier Sense Multiple Access ou Acesso Múltiplo por detecção de Portadora) Protocolo pertencente à classe de protocolos de detecção de portadora (carrier sense), basea-se no conceito de escuta do meio de transmissão para a seleção do direito de acesso a este. CSMA não persistente CSMA 1-persistente CSMA p-persistente CSMA/CD 09/03/ :57 Redes de Comunicação 8

9 CSMA não persistente 1 Início 2 Nova mensagem? 3 Canal disponível? 4 Transmite dados 5 Espera um tempo aleatório 6 Fim 09/03/ :57 Redes de Comunicação 9

10 CSMA 1-persistente Quando mais de uma estação esteja a espera de uma oportunidade de enviar dados ocorre uma colisão. 1 Início 2 Nova mensagem? 3 Canal disponível? 4 Transmite dados 5 Fim 09/03/ :57 Redes de Comunicação 10

11 CSMA p-persistente 1 Início 2 Nova mensagem? 3 Canal disponível? 4 Calcula um valor p 5 p < probabilidade de envio? 6 Transmite dados 7 Aguarda um tempo determinado 8 Fim 09/03/ :57 Redes de Comunicação 11

12 CSMA 1-persistente: faz melhor uso da banda, mas tem grande chance de gerar colisões CSMA não persistente: faz pior uso da banda, mas tem menor probabilidade de gerar colisões CSMA p-persistente (p<1): compromisso entre as soluções anteriores. np P-p 1-p tempo 09/03/ :57 Redes de Comunicação 12

13 CSMA/CD (CSMA with Collision Detection) Se mais de uma estação está pronta para emitir uma mensagem com o meio livre, gera-se uma colisão. A primeira estação que detectar a colisão interrompe transmissão, reiniciando-a após um tempo aleatório improvável ocorrência de nova colisão. emissor receptor emissor emissor 09/03/ :57 Redes de Comunicação 13

14 CSMA/CD Métodos de acesso CSMA convencionais: tempo de reação não pode ser exatamente determinado (não determinismo). Não se sabe de antemão: 1) se haverá colisões; 2) quantas colisões seguidas podem ocorrer; 3) o tempo (aleatório) de espera em caso de colisão. Tempo de espera é randomizado segundo algoritmo BEB (Binary Exponential Backoff) Probabilidade de colisão Tráfego x número estações 09/03/ :57 Redes de Comunicação 14

15 CSMA/CD 1 Início 2 Nova mensagem? 3 nc = 0 4 Canal disponível? 5 Transmite dados 6 Detectou colisão? 7 nc = nc + 1 limit = 2 nc 1 Wait = random[0, limit] 8 Fim 09/03/ :57 Redes de Comunicação 15

16 Protocolos determinísticos Métodos de acesso determinísticos são aqueles com tempo de resposta determinável, ao menos ao pior caso. Métodos de comando centralizado mestre-escravo Métodos de comando distribuído token-passing variantes determinísticas do CSMA 09/03/ :57 Redes de Comunicação 16

17 mestre/escravo Comando centralizado Mestre é a estação detentora do direito de transmissão; Escravo é a estação que recebe o direito de transmissão da estação mestre por um tempo limitado. Exemplo: Controle PID escravo escravo escravo escravo 09/03/ :57 Redes de Comunicação 17

18 mestre/escravo Sendo conhecida a taxa de transmissão e o formato dos quadros usados pelo mestre para realizar a varredura e pelos escravos para responder, é possível determinar a duração de um ciclo de varredura completo. 09/03/ :57 Redes de Comunicação 18

19 token-bus / token-passing token retention time: tempo limitado que cada estação retêm o token. token rotation time: tempo que o token leva para passar por todas as estações uma vez e voltar à estação inicial. receptor ficha emissor 09/03/ :57 Redes de Comunicação 19

20 token-ring é uma variação do token-passing com uma topologia em anel TAP Interface p/ anel Estação anel unidirecional Token 09/03/ :57 Redes de Comunicação 20

21 t guarda /2 t guarda /2 Protocolos de acesso ao meio TDMA (Time Division Multiple Acess) Meio físico compartilhado por todas as estações Divisão temporal Cada estação possui controle total sobre o meio em um slot de tempo TDMA dinâmico alocação sob demanda de slots de tempo E1 E2 E3 E4 E1 E2 E3 E4 E1 E2 E3 E4... E1 reduzir problemas de interferência entre as estações devido à pequenos desvios na sincronização. 09/03/ :57 Redes de Comunicação 21

22 CSMA/DCR (CSMA with Deterministic Collision Resolution) Busca em árvore binária balanceada quando ocorrem colisões. Opera como CSMA/CD até a ocorrência de uma colisão. Para operar corretamente cada estação deve conhecer: 1) O status do barramento Livre Ocupado com transmissão Ocupado com colisão 2) Seu próprio índice 3) O número total de índices consecutivos alocados a fontes de mensagens (Q) 09/03/ :57 Redes de Comunicação 22

23 CSMA/DCR O tamanho da árvore binária q é a menor potencia de 2 maior ou igual a Q. Todas as estações envolvidas na colisão se classificam em dois grupos: W (winners) ou L (losers). W = índices entre [0,q/2] L = índices entre [q/2,q] As estações do grupo W tentam uma nova transmissão. Se ocorrer nova colisão, é realizada uma nova divisão em grupo. W = índices entre [0,q/4] L = índices entre [q/4,q/2] Em caso do grupo W vazio, ocorre a subdivisão em L. 09/03/ :57 Redes de Comunicação 23

24 CSMA/DCR Considere uma rede que possui 16 fontes de mensagens, das quais 6 tentam transmitir simultaneamente, gerando uma colisão. Índice 2 Índice 3 Índice 5 Índice 12 Índice 14 Índice 15 Q = 16 q = 16 = 2 4 altura da árvore = log 2 16 = 4 09/03/ :57 Redes de Comunicação 24

25 CSMA/DCR 1 [0,15] [0,7] 2 [8,15] 9 [0,3] 3 [4,7] 6 [8,11] [12,15] [0,1] [2,3] [4,5] [6,7] [8,9] [10,11] [12,13] [14,15] Os números entre colchetes indicam a faixa de índices considerada. Os números no interior dos círculos indicam a sequencia de execução da busca na árvore. 09/03/ :57 Redes de Comunicação 25

26 CSMA/DCR 2 C 2,3 W= L=2,3 1 C 2,3,5 W= 2,3 L=5 0 C 2,3,5,12,14,15 W= 2,3,5 L=12,14,15 7 T 5 9 V 8 C 12,14,15 W= L=12,14,15 10 C 12,14,15 W= 12 L=14,15 Até o início da transmissão do índice 5: 4 colisões + 1 vazio + 2 transmissões. Se slot-time = 40 μs e cada quadro tenha 6 slot-times. 3 V 4 C 2,3 W=2 L=3 11 T C 14,15 W= 14 L=15 5 T 2 6 T 3 13 T T 15 O tempo de espera até o início da transmissão de mensagem da fonte 5 é: t início(5) = = 680 μs 09/03/ :57 Redes de Comunicação 26

27 CSMA/DCR O tempo total de duração da época é: 7 colisões = 7.slot-times 2 vazios = 2.slot-times 6 transmissões = 6.(tamanho do quadro em slot-times) t época = = 1800 μs Portanto, após 1,8 ms, todas as estações envolvidas no conflito terão transmitido suas mensagens. Qual o tempo quando todas estações decidem transmitir ao mesmo tempo? 09/03/ :57 Redes de Comunicação 27

28 CSMA/DCR φ (v) = número de ramos da árvore binária percorridos por uma mensagem proveniente de um nó com índice v q = menor potência de 2 maior ou igual ao maior índice disponível σ(v) = número de potências de 2 contidas em v s = 1 slot-time (2 vezes o tempo de propagação do sinal na rede) μ = tempo máximo de transmissão da uma mensagem no meio físico (depende do comprimento da mensagem em bits e da taxa de transmissão) Onde, para uma mensagem participando de uma determinada época: φ (v) = log 2 q + v - σ(v) T espera (v) = φ(v).s + v.μ Tem-se que: T época = φ(q-1).s + Q.μ Uma vez que, no pior caso, uma mensagem pode chegar à fila logo após o início de uma época, tem-se que, para o pior caso: T espera (v) = T época + φ(v).s + vμ 09/03/ :57 Redes de Comunicação 28

29 Exercício de CSMA/DCR Se o slot-time é de 60 ms e o tamanho de quadro é de 10 slot-times, avalie se todas as estações irão transmitir as mensagens em tempo. M1 DL = 10 End. 00 M2 DL = 15 End. 01 M3 DL = 50 End. 02 M4 DL = 25 End. 03 M5 DL = 5 End. 04 Dica: Se deadline > tempo de espera, a mensagem é transmitida 09/03/ :57 Redes de Comunicação 29

30 Exercício de CSMA/DCR Índice 3 Deadline: 1500 s Índice 4 Deadline: 800 s Índice 7 Deadline: 1100 s Índice 8 Deadline: 1300 s Índice 9 Deadline: 1500 s Índice 12 Deadline: 2500 s Índice 15 Deadline: 1800 s Índice 16 Deadline: 1700 s Índice 17 Deadline: 2500 s Assumindo o slot-time de 40μs, que o quadro tem tamanho fixo de 7 slot-times, que o deadline se refere ao tempo máximo de envio da mensagem (sem aviso de recebimento) e que existem 18 estações (índices 0 a 17), se pede: a) O tempo de início da transmissão da estação 15; b) O tempo total de duração da época no pior caso; c) Quais das estações enviarão as mensagens no prazo? d) No pior caso possível, se a estação 10 quiser enviar uma mensagem com deadline de 9ms, essa mensagem conseguiria ser enviada no prazo? 09/03/ :58 Redes de Comunicação 30