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Comunicação em tempo real

09/03/2017 15:57 Redes de Comunicação 2

Sistema

a

Controlar

(Ambiente)

Sistema

de

Controle

SENSOR

ATUADOR

INTERFACE

estímulo

resposta

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 detempo impostos pelo próprio ambiente.

Introdução à comunicação em tempo real


Redes de Difusão tem métodos de acesso ao meio compartilhados

Mensagens pendentes em cada estação devem ser entreguesa seu destino antes de um prazo limite (deadline) associado.

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

Protocolos de acesso ao meio


Alocação fixa: alocam o meio às estações por determinados intervalosde 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 porDetecção de Portadora). Em caso de envio simultâneo por mais de umaestação, ocorre uma colisão e as estações envolvidas tem quetransmitir suas mensagens após a resolução do conflito resultante(protocolos de contenção);



Alocação controlada: cada estação tem direito de acesso apenasquando de posse de uma permissão, que é entregue às estaçõessegundo alguma seqüência predefinida (ex.: Token-Passing, Master-Slaves);

Alocação por reserva: para poder usar o meio, as estações tem quereservar banda com antecedência, enviando pedidos a uma estaçãocontroladora 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.


Protocolos determinísticos: possuem a possibilidade de definir umlimite de tempo para a entrega de uma dada mensagem (mesmo quesomente em pior caso).

Possuem direito ao acesso independentemente das necessidades detransmissão de cada nó da estação (alocação fixa).

Possuem um baixo desempenho.


Protocolos não-determinísticos: competem entre estações pelo direitode acessar o meio de transmissão.



Protocolos não-determinísticos

CSMA p-persistente

CSMA/CD

CSMA 1-persistente

CSMA não persistente

Protocolos determinísticos

TDMA

Token passing

Mestre escravo

Árbitro de barramento

CSMA/DCR

Protocolos MAC



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 paraa seleção do direito de acesso a este.

CSMA p-persistente

CSMA 1-persistente


CSMA/CD




1 Início

2 Nova mensagem?

3 Canal disponível?

4 Transmite dados

5 Espera um tempo aleatório

6 Fim



CSMA 1-persistente

1 Início

2 Nova mensagem?


4 Transmite dados

5 Fim

Quando mais de uma estação esteja a espera de uma oportunidade de enviar dados ocorre uma colisão.



CSMA p-persistente

1 Início

2 Nova mensagem?


4 Calcula um valor p

5 p < probabilidade de envio?

6 Transmite dados

7 Aguarda um tempo determinado

8 Fim



tempo

np

P-p

1-p

CSMA 1-persistente: faz melhor uso da banda, mas tem grande chancede gerar colisões

CSMA não persistente: faz pior uso da banda, mas tem menorprobabilidade de gerar colisões

CSMA p-persistente (p<1): compromisso entre as soluções anteriores.



CSMA/CD (CSMA with Collision Detection)

emissor

emissor receptor

emissor

• Se mais de uma estação está pronta para emitir uma mensagem com omeio livre, gera-se uma colisão.

• A primeira estação que detectar a colisão interrompe transmissão,reiniciando-a após um tempo aleatório → improvável ocorrência denova colisão.



• Métodos de acesso CSMAconvencionais: tempo de reação nãopode ser exatamente determinado (nãodeterminismo).

• Não se sabe de antemão:

1) se haverá colisões;

2) quantas colisões seguidaspodem ocorrer;

3) o tempo (aleatório) de esperaem caso de colisão.

• Tempo de espera é randomizadosegundo algoritmo BEB (BinaryExponential Backoff)

Probabilidade de colisão

Tráfego x número estações

CSMA/CD



1 Início

2 Nova mensagem?

3 𝑛𝑐 = 0


5 Transmite dados

6 Detectou colisão?

7 𝑛𝑐 = 𝑛𝑐 + 1𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡 = 2𝑛𝑐 − 1

𝑊𝑎𝑖𝑡 = 𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜𝑚[0, 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡]

8 Fim

CSMA/CD



Protocolos determinísticos

Métodos de acesso determinísticos são aqueles com tempo de respostadeterminável, ao menos ao pior caso.

Métodos de comando centralizadomestre-escravo

Métodos de comando distribuídotoken-passingvariantes determinísticas do CSMA



mestre/escravo

• Comando centralizado

• Mestre é a estação detentora do direito de transmissão;

• Escravo é a estação que recebe o direito de transmissão da estaçãomestre por um tempo limitado.

escravo escravo escravo escravo

Exemplo:Controle PID



mestre/escravo

Sendo conhecida a taxa de transmissão e o formato dos quadrosusados pelo mestre para realizar a varredura e pelos escravospara responder, é possível determinar a duração de um ciclo devarredura completo.



token-bus / token-passing

receptor

emissorficha

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.



Estação

Interfacep/ anel

anel unidirecional

TAP

Token

token-ring é uma variação do token-passing com uma topologia em anel



TDMA (Time Division Multiple Acess)

E1 E2 E3 E4 E1 E2 E3 E4 E1 E2 E3 E4 ...

t gu

ard

a/2

E1

t gu

ard

a/2

• Meio físico compartilhado por todas as estações

• Divisão temporal

• Cada estação possui controle total sobre o meio em um slot detempo

• TDMA dinâmico – alocação sob demanda de slots de tempo

reduzir problemas de interferência entreas estações devido à pequenos desvios nasincronização.



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 demensagens (Q)



CSMA/DCR

• O tamanho da árvore binária q é a menor potencia de 2 maior ou iguala 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 ocorrernova 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.



CSMA/DCR

Índice 2 Índice 3 Índice 5

Índice 12 Índice 15Índice 14

Considere uma rede que possui 16 fontes de mensagens, das quais 6tentam transmitir simultaneamente, gerando uma colisão.

𝑄 = 16

𝑞 = 16 = 24

𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 á𝑟𝑣𝑜𝑟𝑒 = log2 16 = 4



CSMA/DCR

[0,7]

[0,3]

[0,1] [2,3]

[4,7]

[4,5] [6,7]

[8,15]

[8,11] [12,15]

[8,9] [10,11] [12,13] [14,15]

3

1

2

4 5

6

7 8

9

10

11 12

13

14 15

[0,15]

Os números entre colchetes indicam a faixa de índices considerada.Os números no interior dos círculos indicam a sequencia de execução dabusca na árvore.


12 C14,15W= 14L=15

0 C2,3,5,12,14,15W= 2,3,5L=12,14,15

1 C2,3,5W= 2,3L=5

2 C2,3W=L=2,3

3 V 4 C2,3W=2L=3

5 T2

6 T3

7 T5

8 C12,14,15W=L=12,14,15

9 V10 C12,14,15W= 12L=14,15

11 T12

13 T14

14 T15


CSMA/DCRAté o início da transmissãodo índice 5:4 colisões + 1 vazio + 2transmissões.Se slot-time = 40 μs e cadaquadro tenha 6 slot-times.

𝑡𝑖𝑛í𝑐𝑖𝑜(5) = 4.40 + 1.40 + 2.6.40 = 680 μs

O tempo de espera até o início da transmissão de mensagem da fonte 5 é:


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)


𝑡é𝑝𝑜𝑐𝑎 = 7.40 + 2.40 + 6.6.40 = 1800 μ𝑠

Portanto, após 1,8 ms, todas as estações envolvidas no conflito terãotransmitido suas mensagens.

Qual o tempo quando todas estações decidem transmitir ao mesmo tempo?

CSMA/DCR



CSMA/DCR

φ (v) = número de ramos da árvore binária percorridos por uma mensagemproveniente de um nó com índice vq = menor potência de 2 maior ou igual ao maior índice disponívelσ(v) = número de potências de 2 contidas em vs = 1 slot-time (2 vezes o tempo de propagação do sinal na rede)μ = tempo máximo de transmissão da uma mensagem no meio físico (dependedo comprimento da mensagem em bits e da taxa de transmissão)Onde, para uma mensagem participando de uma determinada época:

φ (v) = log2 q + v - σ(v)Tespera (v) = φ(v).s + v.μ

Tem-se que:Tépoca = φ(q-1).s + Q.μ

Uma vez que, no pior caso, uma mensagem pode chegar à fila logo após o iníciode uma época, tem-se que, para o pior caso:

Tespera (v) = Tépoca + φ(v).s + vμ


Se o slot-time é de 60 ms e o tamanho de quadro é de 10 slot-times, avalie setodas 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


Exercício de CSMA/DCR

Dica: Se deadline > tempo de espera, a mensagem é transmitida



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 derecebimento) 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?

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