Modelo Simulink de una Intranet para procesos a lazo cerrado

AADECA 2004 – XiX Congreso Argentino de Control Automático
Modelo Simulink de una Intranet para procesos a lazo cerrado
Mario R. Modesti(*), José F. Postigo(#)
(*)Grupo de Investigaciones en Informática para Ingeniería,
Universidad Tecnológica Nacional
Facultad Regional Córdoba
CC 36 - X5016ZAA - Suc 16 Córdoba - Argentina
e-mail : mmodesti@scdt.frc.utn.edu.ar
(#)Instituto de Automática ( INAUT ) Universidad nacional de San Juan
Av. Libertador San Martin1109 oeste JS400ARI San Juan Argentina
Resúmen : Este trabajo presenta un modelo de simulación de una
Intranet, por medio de Simulink que permite estudiar el comportamiento
en la transmisión de datos en vistas de ser utilizado en un el lazo de un
sistema de control. Esta simulación permite, por medio de la interpretación
de los protocolos intervinientes en la transmisión de datos, conformar
paquetes de diferente envergadura encapsulados para ser tratados en las
diferentes capas de servicio. La transmisión de una señal senoidal se
evalúa en diferentes condiciones de tráfico de la misma, a través de un
ruteador ( router ) modelado por medio de Stateflow que es una
herramienta de Matlab. Se muestran los resultados obtenidos en
simulación y se esbozan conclusiones al respecto.
Palabras clave : Intranet, LAN, Ethernet, CSMA/CD, UDP/IP, TCP/IP, ruteador, colas de servicio.
1
Introducción
La utilización cada vez más intensa de
redes de datos como parte del sistema de
transmisión de datos de en sistemas de
control realimentado obliga a disponer de
modelos de simulación que permitan la
evaluación en fase de proyecto de compensadores.
Tomando como base el modelo de
Ethernet 10base-T de 10 MHz [1], el modelo
de referencia dispone de un segmento
conteniendo 4 NIC´s Ethernet denominada
LAN1, que se comunica con otro semejante de
igual cantidad de NIC´s denominado LAN2
por medio de un ruteador capaz de permitir a
los nodos de una red comunicarse con los
nodos pertenecientes al segundo segmento de
red.
Este modelo de simulación permite
encontrar modelos de comportamiento simplificados que puedan ser incorporados a los
sistemas de control y modelados matemáticamente por teoría de colas u otras
técnicas aceptadas en esta disciplina.
También se ofrece otra alternativa de
simulación a la técnica de modelos incrustados por medio de xPCTarget. Esta última
herramienta también perteneciente al entorno
Matlab dispone de un sistema operativo en
tiempo real que permite incrustar modelos
simulink en PC, para su simulacion en tiempo
real por medio de conectividad UDP/IP
standard en el paquete[2].
2
Objetivos del trabajo
Se plantea como objetivo primario
disponer de una plataforma de simulación de
transmisión de datos apta para la comunicación de lazo cerrado y realimentación en
sistemas de control que pueda enriquecerse
con futuros desarrollos. El estudio de retardos
de red en la aplicación de sistemas de control
realimentado requiere de modelos que
permitan generar estos retardos en forma
aleatoria y configurable como en realidad
suceden en una red de tipo de difusión.
Este trabajo se continuará
hasta
disponer de una inter-red donde se puedan
evaluar las mismas condiciones, y que
además puedan ser empeoradas por el
aumento de tráfico y posibilidades de
conectividad.
Disponiendo de un modelo preliminar
de LAN [1], se puede considerar la obtención
de un modelo de ruteador que vincule dos
redes de características semejantes, como es
el aporte primario de este trabajo.
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Figura 1
Estructura de capas
3
Estructura de capas del modelo
propuesto
Basado en una estructura de capas
jerárquicas
propuesto por la normativa
ISO/OSI [3], el modelo que se propone
presenta los diferentes niveles de red con los
respectivos protocolos utilizados.
La figura 1 muestra las capas que
intervienen en la estructura propuesta en el
modelo para comunicar dos unidades de
mando que pueden ser los nodos de un
proceso de control a lazo cerrado.
4
Protocolos utilizados
En esta sección se discuten los
protocolos utilizados a fin de conformar el
datagrama entre ambos nodos. A nivel físico,
el enlace se lleva a cabo por medio de una red
Ethernet estándar disponible masivamente en
todas las instalaciones industriales y de
gestión modernas.
Los nodos disponen de una dirección
que permite una conexión punto a punto entre
dispositivos del mismo segmento.
Figura 2
Conformación del datagrama
La figura 1 evidencia la estructura de
capas del modelo Intranet con los protocolos
intervinientes en cada una.
El protocolo de la capa física es
CSMA/CD [4], standard IEEE 802.3 propuesto
por el modelo básico[1] con capacidad de
transmisión, recepción y detección de colisiones, con una capacidad máxima de transmisión de hasta 1518 octetos excluídos los
necesarios para el protocolo.
En la capa de transporte el protocolo
utilizado es UDP [4]. En las operaciones de
transmisión de datos en sistemas a lazo
cerrado TCP [4] resulta demasiado oneroso en
consumo de recursos debido la cantidad de
controles de datagrama. Por un lado garantizan la entrega y secuencia del dato, que de
no prosperar será retransmitido, pero en el
caso que se aborda, el dato es único de doble
precisión para el lazo directo y de
realimentación. Por esta razón el dato puede
reenviarse varias veces en el tiempo
transcurrido entre muestreos del sistema.
A nivel de red, el protocolo es IP[4],
que tendrá sentido cuando el dato deba
emigrar entre una LAN y otra, para lo cual será
necesaria la intervención del ruteador que se
encargará de proveer por medio de su tabla de
asignaciones la dirección del destino final.
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En la figura 1 pueden apreciarse los
diferentes protocolos descriptos para el
modelo y la intervención en la correspondiente
capa.
En la figura 2 se puede apreciar la
conformación definitiva del datagrama que
alojará el dato a transmitir. Este datagrama
que en fase de simulación se construye como
un vector fila que contiene la información
requerida para que el sistema en las diferentes
capas pueda adoptar las decisiones necesarias para la entrega del dato en destino final.
5
Modelo del ruteador
En un ambiente multired, la necesidad
de conexión de dispositivos de diferentes
tecnologías es esencial desde el punto de
vista de la conectividad, el dispositivo que
realiza esta tarea es el ruteador (router),
proveyendo la conmutación de caminos y
conectando de esta manera dos o más redes y
direccionando los paquetes de datos en ellas.
Cuando los datos llegan desde uno de
los diferentes segmentos que constituyen la
intranet, el ruteador decide de acuerdo con
una tabla de asignaciones a que segmento los
direccionará este dispositivo, permitiendo la
comunicación de datos, en el caso del modelo
propuesto, de dos redes diferentes. En la
figura 3 se muestra la tabla de asignaciones
propuestas para el modelo.
Red 1
Eth_Addr
110
120
130
140
Los datagramas permanecen en el
ruteador en una cola esperando la disponibilidad del procesador para inspeccionar el
paquete, y la correspondiente evaluación del
camino a seguir. La figura 4 presenta un
esquema de ruteador básico para la
asignación entre dos redes.
La dirección de destino del datagrama
es utilizada a continuación por el ruteador para
determinar el enlace óptimo, basado en una
tabla de ruteo. Entonces el paquete es
colocado a la salida de la cola con el camino
en el siguiente enlace de destino.
Port
IP_Addr UDP
11000
1000
12000
2000
13000
3000
14000
4000
Red 2
Eth_Addr IP_Addr Port
UDP
180
18000
8000
170
17000
7000
160
16000
6000
150
15000
5000
Figura 3
Asignaciones de ruteo
Los nodos evidenciados en la tabla de
la figura 3, corresponden al último nodo de
cada red del modelo [1], que conforman los
respectivos enlaces de cada red de la Intranet
con el ruteador encargado de vincularlas. Es
decir, corresponde a alojar dos tarjetas de red
en un nodo encargado del direccionamiento
de acuerdo a la dirección de destino final.
Este procesador de comunicaciones
es utilizado para determinar el camino que un
datagrama realizará desde el host de inicio
hasta el de destino.
Figura 4
Esquema de un router
Además del camino tabulado que dispone el router, también es necesario adjudicar
una política de atención de los paquetes que
requieren el servicio. A los efectos de proveer
una política de ruteo simple se propone un
servicio FIFO (first in, first out), dada la
disponibilidad del procesador.
6
Construcción del modelo
El aporte sustancial de este trabajo
está centrado en el modelo de router y su
comportamiento modelado por una máquina
de estado finito, o impulsado por eventos. Este
modelo de ruteador se desarrolla utilizando las
capacidades de Stateflow. A continuación,
en la figura 5 se muestra el modelo de
Simulink con dos colas de entrada y dos
colas de salida para vincular las dos redes
Ethernet propuestas en [1].
El modelo de cola asignado puede ser
modificado de acuerdo al diagrama de flujo
que se propone, además en la teoría de colas
estará el fundamento analítico que permitirá
incorporar las ecuaciones que gobiernan el
funcionamiento propuesto.
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Figura 5
Modelo Simulink del ruteador
Figura 6
Automata de estado finito del ruteador
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El modelo propuesto de ruteador se
muestra en la figura 5 y dispone de dos colas
de entrada (una por cada red que conforma la
intranet), son leídas una en continuación de la
otra, por lo que puede ser considerada como
una única cola de entrada. De igual manera
se dispone de dos colas de salida que
permiten la reasignación de camino para los
paquetes de dato que deben cambiar de
segmento de red. Las colas tiene una política
de servicio FIFO y un búfer que puede
considerarse infinito para la simulación.
El autómata de eventos discretos que
modela el funcionamiento se representa en la
figura 6. El mismo contiene dos estados
importantes a destacar: el primero correspondiente a la evaluación de las colas de
entrada y el segundo la conexión con la
correspondiente cola de salida por medio de la
asignación propuesta en la tabla de la figura 3.
Se considera el caso de una cola
M/M/1 [5] constituída por tres partes fundamentales a detallar en la figura 7. En la misma,
se evidencia la correspondencia de recursos
con la notación Kendall [5], que en un caso
general puede disponer de n servidores.
7
Resultados obtenidos
Se realizaron diferentes transmisiones
entre nodos de un segmento y simulaciones
para diferentes cargas de trabajo (que puede
simularse por medio de incorporación de
operaciones de transmisión de datos en los
nodos de cada segmento de red [1] que
componen la Intranet propuesta). Esto se logra
simplemente incorporando la generación de
datos aleatorios al módulo de transmisión de
los nodos que no participan del enlace bajo
estudio, con una tasa de transmisión tan
elevada cuanto se desee proveer de tráfico.
La opción de transmitir una señal
periódica responde a la posibilidad de
interpretar la distorsión ocasionada por la
influencia del retardo en la reconformación de
la información en el nodo destino.
Los resultados de este modelo de
simulación son comparables a lo que sucede
en la realidad para diferentes condiciones de
tráfico
Figura 7
Modelo de Cola M/M/n
El modelo responde en nuestro caso
a una cola con un proceso Markoviano simple,
cuya función de distribución para los arribos es
de tipo Poisson. Dispone de un único servidor
(n=1), y la capacidad del buffer de entrada es
grande, pudiéndose considerar infinito para el
régimen de tráfico de la aplicación aquí
experimentada.
La política de servicio es FCFS (First
Come First Served) o FIFO. Con esta política,
los clientes son atendidos en estricto orden de
llegada.
Cabe acotar que el modelo propuesto
es el más utilizado para simulación de
sistemas de datos en redes, no obstante es el
modelo más simple.
(a)
(b)
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9
Agradecimientos
El autor desea expresar su agradecimiento al “c&s communications & systems
group” (Fachhoschschule Braunschweig / Wolfenbüttel, Germany) en la persona de su
director Prof-Dr. Ing. Wolfhard Lawrenz , en
cuyo laboratorio fue llevado a cabo este
trabajo con el aporte financiero del DAAD
(Deutscher Akademischer Austausch Dienst)
de la República Federal de Alemania y al GIII
(Grupo de Investigaciones en Informática para
la Ingeniería ), UTN Córdoba.
(c)
Figura 8
Respuestas del modelo
Se presentan en la figura 8 tres
resultados correspondientes al impacto de la
variabilidad de retardo aleatoria producida por
los cambios en el tráfico en los nodos de las
redes que componen el sistema.
Los gráficos de la figura 8 representan
la señal de entrada del nodo transmisor y la
señal de arribo en el nodo destino, en una
simulación de 10 [mseg] de duración.
La figura 8(a) corresponde a una
situación de baja carga de red, donde el dato
sufre un retardo prácticamente constante y fijo;
en 8(b) se puede apreciar la diferencia de
tiempo de retardo entre muestras debido al
aumento de congestión y en 8(c) el empeoramiento verificado por una respuesta en
mayor tiempo y con mayor variabilidad del
retardo, lo que hace aún más notable la
distorsión en el nodo de destino de la señal
transmistida.
8
Trabajos futuros
Este modelo que a pesar de representar el comportamiento de una red como la
propuesta es bastante fiel a la realidad, no es
de mayor utilidad para la simulación de
procesos a lazo cerrado, ya que debido a su
tiempo de simulación vinculado a una red
10baseT (1 MHz), requiere tiempos sumamente grandes para una corrida.
Se propone como trabajo a futuro la
confección de un modelo simplificado que
pueda representar estos resultados en
tiempos comparables con los necesarios para
la evaluación del proceso en cuestión. En
estas condiciones se procederá a obtener el
modelo matemático que en el caso de la
propuesta realizada en el presente trabajo
incluirá teoría de colas [6].
10
Referencias
[1] Matlab Central, Stateflow Model of the
10Base-T Ethernet and CSMA/CD protocol,
Stuart McGarrity, 2002
[2]
Real time platform for evaluation of
processes with networks included in the loop,
Mario R. Modesti, X RPIC. pp. 670-675, Vol II,
San Nicolás, Bs.As., Oct 2003.
[3] OSI / ISO Model
http://www.csihq.com/~mike/students/networki
ng/iso/isomodel.html
[4] Redes globales de información con internet
y TCP/IP, Principios básicos y arquitectura,
Douglas Comer, 1996, Prentice Hall
[5] Performance Modelling of Communication
Networks and computer Architectures, Peter
G. Harrison, Nasresh M. Patel. (International
computer Science Series), 1993.
[6] Principles of Performance Engineering for
Telecommunication and Information systems
Ghabari, Hughes, Sinclair, Eade, Published by
The Institution of electrical Engineers , London,
1997
[7] Real-Time control systems with delays,
Johan Nilsson, Department of automatic
control, Lund Institute of Technology, Sweden,
1998.