Reti locali cablate e wireless

Università degli Studi di Palermo
Facoltà di Ingegneria - Corso di Laurea in Ingegneria Informatica
A.A. 2007/2008
TESINA
di
Reti Locali, Cablate e Wireless
The Road to an End-to-End Deterministic Ethernet
Prof.del corso: Orazio Mirabella
A cura dello studente: Salvatore Gino La Tona.
Copyright © Salvatore La Tona

INTRODUZIONE
o Negli ultimi anni abbiamo mostrato che Ethernet commutato
è sulla buona strada per raggiungere una posizione
predominante nel mondo dell’automatizzazione. Dal punto di
vista della comunicazione l’introduzione della priorizzazione
standard del traffico IEEE 802.1p è un’importante pietra
miliare sulla strada verso l’Ethernet deterministico, che ha
reso possibile prevedere la peggiore latenza di
un’infrastruttura Ethernet commutato.
Università Degli Studi di Palermo
Corso di Reti Locali Cablate e WirelessCopyright © Salvatore La Tona

Vantaggi nell’uso di Ethernet
• Tecnologia universalmente accettata
• Grande mercato a costi bassi
• Affidabilità lungamente testata
• Grande velocità ( 10 o 100 Mbit/sec)
• Innovazione: gigabit Ethernet

Svantaggi nell’uso di Ethernet
• Grande overhead e spreco di banda
• Non è deterministico: possibili collisioni e
ritrasmissioni
• E’ “democratico”: tutti i nodi possono accedere
alla rete con le stesse opportunità
• E’ statico: non possiamo prevedere quando un
messaggio perverrà a destinazione a causa
delle code.

Code di Attesa Negli Switch
Quando vengono inviati messaggi si generano
code di attesa negli switch.
Velocità di trasmissione e di inoltro spesso
differenti provocano code e nella peggiore delle
ipotesi la perdita del pacchetto.
L’introduzione di nuove regole può al massimo
evitare il peggior caso di latenza.

Code nei drop links e nei nodi
Da quando alcuni
standard propongono di
trasferire i dati in
tempo reale, si creano
code tra lo switch e il
nodo, in sostenza si
creano code di drop
link.
Da quando il pacchetto
trascorre un ampia
percentuale del suo
tempo totale end to
end all’interno del
nodo, è necessaria la
priorizzazione dei
pacchetti interni.
Copyright © Salvatore La Tona Corso di Reti Locali Cablate e Wireless

Uno Standard per la Priorità e per la
Distribuzione
Standard IEEE 802.1P
E’ stato introdotto per alleviare il problema delle
code negli switches.
Specifica un meccanismo a 2 livelli: dati di
missione critica e dati di missione non critica.

Standard IEEE 802.1Q
• Supportate le VLAN (virtual lan) 12 bit, limitando
domini broadcast e riducendo il traffico
broadcast sull’ intera rete. Le VLAN rimuovono il
traffico nei drop link.
• Campo Extra TCI (TAG Control Info)
• 3 bit di Priority Field nel mac header per gestire
8 livelli di priorità.

Svantaggi di IEEE 802.1Q
 costi hardware extra associati all’ aumento di
lunghezza del frame ethernet(1522 byte).
 Problemi di compatibilità con i legacy ethernet
networks. È una configurazione accettabile se la
latenza del pacchetto nello switch si può predire
e se un overload non compromette i processi
hard real time

IEEE 802.1Q

Ulteriori Impedimenti per l’Alta Priorità
La priorità dipende anche dalle infrastrutture di
rete che si occuperanno dell’inoltro e del
trasporto del messaggio
Esempio di Fast Ethernet 100 Mb/s: il
messaggio potrebbe perdere dallo 0,1% al 20%
di tempo in transito sul canale.
Ritardi dovuti all’adattamento del software allo
stack protocollare
Problema di code create a livello di driver
(Ethernet)

Soluzioni 1
Se potessimo sospendere i pacchetti a bassa
priorità nel momento in cui arriva un pacchetto
ad alta priorità, avremmo la soluzione perfetta.
Non potendolo fare, una prima soluzione potrebbe
essere:
Inserire un identificatore ID con la priorità del
processo.
Per fare ciò bisognerebbe rendere il software
rientrante.

Soluzioni 2
Eventuale altra soluzione accettabile sarebbe:
 Introdurre un campo di flag (LOW) quindi
aspettare che compaia un pacchetto nella
coda a più alta priorità ed attendere che il
flag LOW sia settato. Processare il pacchetto
e resettare il flag.

Ulteriore Soluzione
 Una soluzione per la gestione delle priorità a livello di
driver ethernet potrebbe essere quella di
implementare due code: una coda software ed una
hardware. Nella coda software vengono inseriti i
pacchetti a bassa priorità, mentre in quella hardware
quelli ad alta. Se non ci sono richieste real time da
servire viene spostato il primo pacchetto a bassa
priorità della coda software a quella hardware e
viene processato. Oppure se ci sono poche richiesta
ad alta priorità si sposta un pacchetto a bassa ogni
volta che ne viene processato uno ad alta.

Misurazione dei ritardi, introduzione
• Il principio di misurazione è abbastanza semplice.
Consiste nel generare un messaggio a livello
dell’applicazione nel nodo da testare (il “nodo
master da testare”), il tempo di stamparlo, spedirlo
in un nodo di test compagno (il “ nodo di test slave”)
che immediatamente riporta il messaggio e il tempo
stampando il messaggio riportato nel nodo del test di
master. La differenza tra i due tempi di stampa
rappresenta il messaggio totale round trip delay.

Misurazione dei Ritardi 1
Nell’invio di un messaggio end-to-end con l’utilizzo
dei processi sopra elencati i ritardi a cui si è soggetti
sono sicuramente dati da:
1. Nodo master trasmette allo stack protocollare,
bufferizzazione.
2. ritardo di invio dal nodo master al nodo slave.
3. ritardo del nodo slave per ricevere e bufferizzare
(stack protocollare).
4. tempo del nodo slave per creare il messaggio di
ritorno (livello applicazione)

Misurazione dei Ritardi 2
5. Tempo di ritrasmissione del nodo slave stack
protocollare + buffer
6. Ritardo di ritrasmissione al nodo master.
7. ritardo del nodo master per lo stack + il buffer

Conclusioni
L’introduzione dello standard di priorizzazione del
traffico IEEE 802.1p ha reso possibile calcolare il caso
peggiore di latenza attraverso un’infrastruttura di
ethernet commutato. L’assunto è che il modello di
traffico in tempo reale usando le code ad alta priorità
è conosciuto, incluso il numero di switch di spedizione
e che il traffico non critico usa una più bassa priorità
presenta una soluzione per tenere sotto controllo la
latenza nei nodi finali introducendo un meccanismo
QoS negli stack di protocollo.

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