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 : [email protected] (#)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. AADECA 2004 – XiX Congreso Argentino de Control Automático 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. AADECA 2004 – XiX Congreso Argentino de Control Automático 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. AADECA 2004 – XiX Congreso Argentino de Control Automático Figura 5 Modelo Simulink del ruteador Figura 6 Automata de estado finito del ruteador AADECA 2004 – XiX Congreso Argentino de Control Automático 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) AADECA 2004 – XiX Congreso Argentino de Control Automático 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.