Uma arquitectura para adaptação de tráfego de baixo débito em aplicações de controlo

Abstract

Esta tese descreve o trabalho de investigação efectuado sobre a adaptação de tráfego de baixo débito em aplicações de controlo, e inclui a proposta e análise de uma arquitectura de um sistema que integra Adaptadores de terminal e um Concentrador interligados, através de uma rede de comunicação, a uma Aplicação de controlo. O tráfego gerado em redes de sensores e actuadores, sistemas de controlo distribuído ou por sistemas de aquisição de dados tem sido habitualmente suportado em redes específicas, como os vulgarmente designados Barramentos de Campo, de que são exemplos o CAN e o PROFIBUS. Estas tecnologias apresentam bastantes limitações, principalmente em aspectos relacionados com a integração de serviços e sistemas, largura de banda e área abrangida. Por outro lado, a adaptação de serviços de muito baixo débito em redes de comunicação tem subjacente o controlo do atraso no preenchimento dos pacotes e o respectivo escalonamento, aspectos que têm um impacto significativo na Qualidade de Serviço. Para a resolução destes problemas foi proposta e especificada uma arquitectura modular de um sistema que permite multiplexar vários fluxos de informação, gerados por serviços de muito baixo débito, num único fluxo agregado. Foi seleccionada para o efeito a tecnologia ATM, pelas propriedades que apresenta no que se refere à eficiência de multiplexagem e ao controlo do atraso de empacotamento. Para efectuar a agregação de tráfego foram desenvolvidos Algoritmos de escalonamento temporal para o Adaptador de terminal e Concentrador, de forma a satisfazer dois objectivos principais: garantir o cumprimento do atraso de serviços com restrições temporais e aumentar a eficiência de transmissão na rede. A análise de desempenho foi baseada num sistema simplificado, implementado por um conjunto de programas em linguagem C que permitiram avaliar, duma forma objectiva, os Algoritmos de escalonamento de tráfego propostos. Os resultados obtidos evidenciam um desempenho do sistema compatível com os requisitos da grande maioria das aplicações de controlo. Foi ainda possível identificar um conjunto de temas passíveis de desenvolvimento em trabalhos futuros, que incluem a especificação final e construção de um sistema baseado na arquitectura proposta.

This thesis describes the research work carried out for adapting low bit rate traffic in control applications. It includes the proposal and analysis of a system’s architecture that integrates Terminal adapters and a Concentrator interconnected, through a communication network, to a control application. The traffic generated in sensor and actuator networks, distributed control or data acquisition systems has been supported in specific networks, commonly called Fieldbuses. Examples of Fieldbus technologies are CAN and PROFIBUS. These technologies present many limitations, particularly in aspects related with the integration of services and systems, bandwidth and covered area. On the other hand, adapting services of low bit rate traffic in communication networks is concomitant with the control of delay in fulfilling and scheduling the packets: these aspects have a significant impact in the Quality of Service For the resolution of these problems a modular architecture of a system was proposed and specified that allows multiplexing several information flows, generated by services of low bit rate traffic, in one sole added flow. For this effect, the ATM technology was selected for the properties it presents related with the multiplexing efficiency and the control of packetization delay. To perform traffic aggregation, Scheduling Algorithms for the Terminal Adapter and Concentrator have been developed in order to satisfy two main goals: to guarantee commitment delay for the services, with time restrictions, and to increase the network transmission efficiency. The performance analysis was based on a simplified system; implemented by a set of programs in C language that allows the evaluation, in an objective way, of the proposed traffic Scheduling algorithms. The results obtained show a system performance compatible with the requirements of the great majority of control applications. It was still possible to identify a set of subjects of possible developments in future works that include the final specification and implementation of a system based on the proposed architecture.