I Vortrag zum Dissertationsvorhaben Algorithmen zur Optimierung der

I. Vortrag zum Dissertationsvorhaben Algorithmen zur Optimierung der Verkehrsbeziehungen in switched realtime-Netzen Überblick: • • kurze Vorstellung der Fachgruppe Motivation der Thematik erste Analyse (graphentheoretisch) weitere Vorgehensweisen & Ansätze 21. 01. 2005 Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 2 Vorstellung der Fachgruppe Motivation 1. Analyse (Graphen) weiteres Vorgehen & Ansätze Leitung: Prof. Dr. Roland Wismüller seit 2004 an der Universität Siegen, zuvor am Bode-Institut der TU München F&E-Interessen: Grid-Computing, Monitoring, Source-Level Debugging, Leistungsanalyse, Sicherheit und Kryptologie Andreas Hoffmann Regina Syska Manfred Stettner Adrian Kacso Meral Tökeabut Michael Schuh Frank Dopatka Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Motivation der Thematik Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 4 Pyramide der Automatisierungstechnik Fachgruppe Motivation I Intranet-Busse IAONA-Klasse 1 und 2 Nutzdaten im k. B/MB-Bereich Aktualisierung: sek bis d 1. Analyse (Graphen) weiteres Vorgehen & Ansätze II traditionelle Feldbusse IAONA-Klasse 3 und 4 Nutzdaten im Byte-Bereich Aktualisierung im µs-Bereich Flüs, H. ; Hübner, D. ; Kell, H. ; Moayeri, B. ; Simon, T. : Ethernet in Industrie-Umgebungen, 2004, <http: //www. comconsult-research. de/bilder/EIU-Probe. pdf> (14. 01. 2005), S. 2 -80 Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 5 Reduzierung auf 2 Ebenen Fachgruppe Motivation 1. Analyse (Graphen) weiteres Vorgehen & Ansätze • Ebene I: Vom ERP-System bis zur SPS - 100 Mbit/1 Gbit-Ethernet vorherrschend - Sub-Netz für die Produktion mit Zugangsberechtigung des ERP-Systems - Ziel: mittelfristige Kontrolle und Archivierung der Fertigungsdaten im Workflow des Unternehmens - Stichworte: Produktion on demand, Shop-Anbindung, Produktionsüberwachung, Störmeldungen per e-Mail & SMS • Ebene II: Von der SPS bis zum Feld - einige Feldbusse sind weit verbreitet (Profibus, MPI, Data. Highway, CAN, . . . ) - horizontale Integration im Feld weitgehend gelungen - Trend der vertikalen Integration: Ebene I + II vereinigen - Ziel: einheitliche, einfache & kostengünstige Anbindung aller Teilnehmer Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 6 ERP - SPS - Feld Fachgruppe Motivation 1. Analyse (Graphen) weiteres Vorgehen & Ansätze • Stern-Struktur, Bus wird emuliert (einfache Verkabelung) • Bündelung in den Switches teilweise anlagenabhängig Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 7 Hauptproblem & zentrale Fragestellung Fachgruppe Motivation 1. Analyse (Graphen) weiteres Vorgehen & Ansätze • Hauptproblem: mangelne Echtzeitfähigkeit! CSMA/CD mit nichtdeterministischer Backoff-Strategie • einige Ansätze zur Lösung: Ether. CAT, Sercos, Ethernet/IP, Profi. Net, Jet. Sync, EPL, . . . Können Algorithmen gefunden werden, mit denen alle Anforderungen der Teilnehmer an das Netzwerk erfüllt werden? Beispiel: TN a fordert. . . senden von max. zyklisch alle mit max. Jitter von an die Teilnehmer x Byte y µs z ns f, g, h, . . . Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

erste Analyse. . . Graphentheoretischer Ansatz Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 9 Eigenschaften des Netzwerkes Fachgruppe Motivation 1. Analyse (Graphen) weiteres Vorgehen & Ansätze • Baum-Struktur: Knoten -> Switches (SW), Blätter -> Teilnehmer (TN) • keine alternativen Wege -> kein Routing • statische Verdrahtung der Anlage • Sendeanforderungen der TN im Vorfeld bekannt • heute oft: gemeinsamer, finiter Takt über das Netz Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 10 Wer sendet an wen? Fachgruppe Motivation 1. Analyse (Graphen) 1 2 3 4 weiteres Vorgehen & Ansätze • Def. „Konflikt“: Mindestens 1 Port eines SW wird von 2 Kommunikationen zeitgleich verwendet! Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 11 Wer sendet an wen: Kollisionen! Fachgruppe Aufbau von Kommunikations-Linien KL (Taktzeitengraph): Taktfahrpläne s. Guckert, 1996 Motivation 1. Analyse (Graphen) weiteres Vorgehen & Ansätze 2 2 v 3 1 • Färbung eines Kollisions-Graphen: Baum -> Komplex. -Klasse p, nicht np • Farben direkt aus den KL entnehmbar: chromatische Zahl x = 3 Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de 1 v 2 v 3 3

Folie 12 Wer sendet wie lange? Fachgruppe • Kollisionen durch zeitliche Verschiebung auflösen. . . 2 Motivation weiteres Vorgehen & Ansätze 2 v 3 1 1. Analyse (Graphen) 1 v 2 v 3 • jeder Port eines SW kann als Betriebsmittel gesehen werden, 3 das von Tasks angefordert wird -> Scheduling eines Multiprozessor-Systems • Tasks sind im Vorfeld bekannt -> Offline-Scheduling kritischer Pfad Parallelität innerhalb der Farben Gesamt-Zykluszeit Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 13 Wer sendet wie lange: zeitliche Kompression Fachgruppe 2 Motivation 1. Analyse (Graphen) 2 v 3 1 v 2 v 3 1 1 v 2 v 3 weiteres Vorgehen & Ansätze 3 • alternative Farben bei grossen Graphen nicht mitführbar -> Verteilung von Alternativen im Rahmen einer Heuristik -> abschließender Vergleich mit geforderter Zykluszeit • Vorteil: nicht immer kollidiert eine KL mit allen KL einer anderen Farbe -> partielle Verschiebung möglich • Achtung: die max. Verschiebung wird durch die Taktvorgabe beeinflusst („alle y µs; max. Jitter von z ns“) Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 14 Wer sendet an wen: Ausnahmen & Probleme Fachgruppe Motivation 1. Analyse (Graphen) weiteres Vorgehen & Ansätze • dies ist nur im Halb-Duplex-Betrieb eine Kollision -> Halb-Duplex ist jedoch bei SW nicht üblich • SW können max. n/2 Verbindungen bei n Ports kollisionsfrei vollduplex aufrecht erhalten (Cross-Bar) • Problem: Einsparungen durch Backplane (interner Bus im SW) -> nicht bei jedem SW n/2 Verbindungen gleichzeitig -> unterschiedlichen Verzögerungen -> Jitter ->die Interna jedes SW müsen sehr gut bekannt sein • Taktzeitengraph: 1 Kabel/Zugverbindung = 1 Takt hier: 1 Kommunikationslinie = 1 Takt Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 15 generelle Fragestellungen Fachgruppe Motivation 1. Analyse (Graphen) weiteres Vorgehen & Ansätze • Existiert eine Lösung für alle Anforderungen? Nein -> Welche KL oder welcher SW ist das Problem? • Gibt es Lösungen unterschiedlicher Güte? -> Wie lässt sich die Güte einer Lösung messen? -> Nach welchen Kriterien wird die Güte bestimmt? • Welche Nebenbedingungen sind sinnvoll? -> grosser Zeitslot für Standard-Ethernet-Traffic -> zusätzlich Zeit als Sicherheit für die Übertragung • Wer übernimmt die Vergabe der Zeit-Slots und die Synchronisation? 1. modifizierter Switch ähnlich PROFINET-Asic 2. externer Arbiter & Standard-Switches 3. Kontrolle liegt bei den Teilnehmern selbst -> Was ändert die Architektur am Scheduling? -> Welche Vor-/Nachteile besitzen die Methoden? Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

weitere Vorgehensweisen und Ansätze Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 17 Erstellung eines Frameworks zur Simulation Fachgruppe 1. Erstellung eines Netzwerkes & dessen Parametrierung Motivation 2. Qo. S-Anfragen der TN eingeben 1. Analyse (Graphen) weiteres Vorgehen & Ansätze 3. Software beinhaltet ein allgemeines Interface zur Ankopplung der Scheduling-Algorithmen. . . 4. Netz, Parametrierung & Qo. S-Anfragen werden an das Interface geschickt 5. der ausgewählte Algorithmus berechnet die Schedule 6. das Ergebnis wird abgespeichert & getestet -> Analyse der Güte des Ergebnisses Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 18 Erstellung eines Frameworks zur Simulation Fachgruppe Motivation 1. Analyse (Graphen) weiteres Vorgehen & Ansätze Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Folie 19 weitere Ansätze zum Scheduling Fachgruppe Motivation 1. Analyse (Graphen) weiteres Vorgehen & Ansätze • Weiterführung des graphentheoretischen Ansatzes: Scheduling & Kompression auf Grundlage des gefärbten Kollisionsgraphen -> Zeitbezug herstellen • Entwicklung des Simulators mit allgemeinem Interface für die Algorithmen • rekursives Backtracking der Kommunikationslinien (wird im Anschlussvortrag präsentiert) • Antz-Ansatz (wird im Anschlussvortrag präsentiert) • statische und mobile Agenten (bislang nur skizziert) • bilden der Schedule mit Hilfe eines neuronalen Netzes: Eingangsparameter & zu lernendes Resultat ist bekannt (bislang nicht weiter verfolgt) • genetische evolutionäre Algorithmen (bislang nicht weiter verfolgt) Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de

Das wars. . Fragen oder Anregungen ? Dipl. -Inform. Frank Dopatka M. Sc. Frank. Dopatka@uni-siegen. de