Analýza výkonnosti v IP průmyslových komunikačních sítích
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract
S rostoucím počtem řídicích systémů a jejich distribuovanosti získávájí komunikační sítě na důležitosti a objevují se nové výzkumné trendy. Hlavní problematikou v této oblasti, narozdíl od dřívějších řídicích systémů využívajících dedikovaných komunikačních obvodů, je časově proměnné zpoždění měřicích a řídicích signálů způsobené paketově orientovanými komunikačními prostředky, jako např. Ethernet. Aspekty komunikace v reálném čase byly v těchto sítích již úspěšně vyřešeny. Nicméně, analýzy trendů trhu předpovídají budoucí využití také IP sítí v průmyslové komunikaci pro časově kritickou procesní vyměnu dat. IP komunikace má ovšem pouze omezenou podporu v instrumentaci pro průmyslovou automatizace. Tato výzva byla nedávno technicky vyřešena v rámci projektu Virtual Automation Networks (virtuální automatizační sítě - VAN) zapojením mechanismů kvality služeb (QoS), které jsou schopny zajistit měkkou úroveň komunikace v reálném čase. Předložená dizertační práce se zaměřuje na aspekty výkonnosti reálného času z analytického hlediska a nabízí prostředek pro hodnocení využitelnosti IP komunikace pro budoucí průmyslové aplikace. Hlavním cílem této dizertační práce je vytvoření vhodného modelovacího rámce založeného na network calculus, který pomůže provést worst-case výkonnostní analýzu časového chování IP komunikačních sítí a jejich prvků určených pro budoucí použití v průmyslové automatizaci. V práci byla použita empirická analýza pro určení dominantních faktorů ovlivňujících časového chování síťových zařízení a identifikaci parametrů modelů těchto zařízení. Empirická analýza využívá nástroj TestQoS vyvinutý pro tyto účely. Byla navržena drobná rozšíření rámce network calculus, která byla nutná pro modelování časového chování používaných zařízení. Bylo vytvořeno několik typových modelů zařízení jako výsledek klasifikace různých architektur síťových zařízení a empiricky zjištěných dominantních faktorů. U modelovaných zařízení byla využita nová metoda identifikace parametrů. Práce je zakončena validací časových modelů dvou síťových zařízení (přepínače a směrovače) oproti empirickým pozorováním.
With the growing scale of control systems and their distributed nature, communication networks have been gaining importance and new research challenges have been appearing. The major problem, contrary to previously used control systems with dedicated communication circuits, is time-varying delay of control and measurement signals introduced by packet-switched networks, such as Ethernet. The real-time issues in these networks have been tackled by proper adaptations. Nevertheless, market trend analyses foresee also future adoptions of IP-based communication networks in industrial automation for time-critical run-time data exchange. IP-based communication has only a limited support from the existing instrumentation in industrial automation. This challenge has recently been technically tackled within the Virtual Automation Networks (VAN) project by adopting the quality of service (QoS) architecture delivering soft-real-time communication behaviour. This dissertation focuses on the real-time performance aspects from the analytical point of view and provides means for applicability assessment of IP-based communication for future industrial applications. The main objective of this dissertation is establishment of a relevant modelling framework based on network calculus which will assist worst-case performance analysis of temporal behaviour of IP-based communication networks and networking devices intended for future use in industrial automation. Empirical analysis was used to identify dominant factors influencing the temporal performance of networking devices and for model parameter identification. The empirical analysis makes use of the TestQoS tool developed for this purpose. Minor extensions to the network calculus framework were proposed enabling to model the required temporal behaviour of networking devices. Several exemplary models were inferred as a result of classification of different networking device architectures and empirically identified dominant factors. A novel method for parameter identification was used with the modelled devices. Finally, two temporal models of networking devices (a switch and a router) were validated against empirical observations.
With the growing scale of control systems and their distributed nature, communication networks have been gaining importance and new research challenges have been appearing. The major problem, contrary to previously used control systems with dedicated communication circuits, is time-varying delay of control and measurement signals introduced by packet-switched networks, such as Ethernet. The real-time issues in these networks have been tackled by proper adaptations. Nevertheless, market trend analyses foresee also future adoptions of IP-based communication networks in industrial automation for time-critical run-time data exchange. IP-based communication has only a limited support from the existing instrumentation in industrial automation. This challenge has recently been technically tackled within the Virtual Automation Networks (VAN) project by adopting the quality of service (QoS) architecture delivering soft-real-time communication behaviour. This dissertation focuses on the real-time performance aspects from the analytical point of view and provides means for applicability assessment of IP-based communication for future industrial applications. The main objective of this dissertation is establishment of a relevant modelling framework based on network calculus which will assist worst-case performance analysis of temporal behaviour of IP-based communication networks and networking devices intended for future use in industrial automation. Empirical analysis was used to identify dominant factors influencing the temporal performance of networking devices and for model parameter identification. The empirical analysis makes use of the TestQoS tool developed for this purpose. Minor extensions to the network calculus framework were proposed enabling to model the required temporal behaviour of networking devices. Several exemplary models were inferred as a result of classification of different networking device architectures and empirically identified dominant factors. A novel method for parameter identification was used with the modelled devices. Finally, two temporal models of networking devices (a switch and a router) were validated against empirical observations.
Description
Citation
BERAN, J. Analýza výkonnosti v IP průmyslových komunikačních sítích [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2010.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Kybernetika, automatizace a měření
Comittee
prof. Ing. Pavel Jura, CSc. (předseda)
doc. Ing. Peter Hubinský, Ph.D. (člen)
doc. Dr. Ing. Zdeněk Hanzálek - oponent (člen)
prof. Ing. Miroslav Švéda, CSc. - oponent (člen)
doc. Ing. Jan Bílek, CSc. (člen)
prof. Ing. Vilém Srovnal, CSc. (člen)
doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D. (člen)
prof. Ing. František Zezulka, CSc. (člen)
Date of acceptance
2010-12-20
Defence
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení