Documento descargado de htt://www.elsevier.es el 9/05/016. Coia ara uso ersonal, se rohíbe la transmisión de este documento or cualuier medio o formato. ISSN: 1697-791. Vol. 6, Núm. 3, Julio 009,. 101-109 Un modelo ara el análisis de la confiabilidad de Ethernet Industrial en toología de anillo www. revista-riai.org Guillermo R. Friedrich*, Jorge R. Ardenghi** * Deartamento de Ingeniería Electrónica, Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Bahía Blanca, 11 de Abril 461, 8000, Bahía Blanca, Argentina. (e-mail: gfried@frbb.utn.edu.ar) ** Deartamento de Ciencias e Ingeniería de la Comutación, Universidad Nacional del Sur, Avenida Alem 153, 8000, Bahía Blanca, Argentina. Laboratorio de Investigación en Sistemas Distribuidos (LiSiDi), miembro del IICyTI (Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología Informática). (e-mail: jra@cs.uns.edu.ar) Resumen: Ethernet Industrial es cada vez más utilizada ara alicaciones de automatización, tanto en industrias de manufactura como de rocesos. Además de los reuerimientos de ancho de banda y manejo de tráfico en tiemo real, estos entornos también resentan reuerimientos muy fuertes en cuanto a la confiabilidad, debido a los riesgos inherentes a tales actividades. La toología de anillo es de alicación habitual en este tio de redes, debido a ue, or tener un enlace redundante, rovee una cierta caacidad de tolerancia a fallas. En el resente trabajo se analiza la confiabilidad de Ethernet Industrial en toología de anillo, con el objetivo de obtener resultados ue favorezcan al diseño y selección de comonentes, como así también ue ermitan estimar los reuerimientos de mantenimiento correctivo. El modelo lanteado considera en rimera instancia solamente a los enlaces, a fin de analizar la confiabilidad de la comunicación entre conmutadores. Posteriormente se incluyen los conmutadores y se analiza la confiabilidad de la comunicación entre disositivos de camo a través de la red. El tiemo de resuesta ara la solución de una falla es uno de los comonentes básicos del modelo considerado. Coyright 009 CEA. Palabras Clave: confiabilidad de la red, toologías de red, análisis de confiabilidad, tiemo medio entre fallas (MTBF), tolerancia a fallas. 1. INTRODUCCIÓN Luego de haberse imuesto en el mercado de las redes locales ara oficinas, Ethernet ha ido ganando terreno en el camo de las alicaciones industriales, a esar de ue en sus comienzos no había sido ensada ara tal fin. La evolución tecnológica de Ethernet ha dado lugar a mayores velocidades de transmisión: 100 Mbs, 1 Gbs y más. El comortamiento robabilístico del rotocolo CSMA/CD ha sido dejado de lado en las redes totalmente conmutadas con conexiones full-dulex (Jaserneite, 00). Asimismo se ha desarrollado un mecanismo de rioridades, IEEE 80.1, a fin de mejorar su desemeño en alicaciones con restricciones de tiemo como la multimedia. Se ha evaluado su desemeño ara tiemo real y se han rouesto mejoras (Lingyan, 008). Incluso existen rouestas ara introducir algunas variantes al rotocolo 80.1 ue osibiliten el manejo de las colas alicando EDF (Zhan, 005). En el ámbito industrial las exigencias de robustez y confiabilidad se ven acrecentadas, debido a los riesgos inherentes a los sistemas y rocesos bajo control. Una falla uede tener consecuencias en érdida de vidas humanas, érdidas económicas y/o daños medioambientales. La imlantación de Ethernet en la automatización de lantas de rocesos uímicos y etrouímicos también imlica cumlir con rigurosas normas de seguridad y rotección (Fritsch, 007). Si bien tales cuestiones caen fuera del alcance del resente trabajo, merecen ser mencionadas or la imortancia ue tienen en la ráctica. La robustez de un sistema imlica ue éste continúe oerativo a esar de la falla de algunos comonentes. La confiabilidad de un sistema es la robabilidad de ue éste no falle, y deende de la confiabilidad de sus comonentes y la interrelación entre ellos. Una estrategia habitual ara aumentar la robustez y la confiabilidad es la redundancia. En el caso de las redes, es usual disoner de enlaces redundantes, debido a ue en general son los elementos más exuestos a sufrir erturbaciones y daños. Si bien Ethernet no es una red de anillo, es habitual ue se utilice esta toología dado ue ermite tolerar la falla de un enlace. Si se la comara con redes concebidas ara funcionar esecíficamente en anillo, como Token Ring o FDDI, se uede observar ue en éstas los vínculos son unidireccionales y las tramas deben circular or todo el anillo hasta retornar al nodo de origen, donde son retiradas de la red. Por tal motivo, la manera de obtener redundancia de los vínculos es mediante un segundo anillo (Ocheltree, 1990). En otros trabajos se ha analizado el desemeño de Ethernet en alicaciones tíicas de automatización, ara la conexión de disositivos de camo con el nodo de control, usando toologías de línea, árbol y anillo (Rüing et all, 1999; Vonname et al, 000; Jaserneite, 001). El objetivo de estos trabajos era el análisis de la latencia ara distintas condiciones de funcionamiento y diferentes toologías, teniendo en cuenta los reuerimientos tíicos de tiemo real de estos sistemas. Los resultados obtenidos mostraban ue la toología de árbol es la ue resenta menor latencia, debido a ue los auetes deben atravesar una menor cantidad de conmutadores. Sin embargo, los citados trabajos destacan ue la toología de anillo tiene a su favor la redundancia, ue es una roiedad imortante ara muchas alicaciones críticas. En una línea similar está el trabajo
Documento descargado de htt://www.elsevier.es el 9/05/016. Coia ara uso ersonal, se rohíbe la transmisión de este documento or cualuier medio o formato. 10 Un Modelo ara el Análisis de la Confiabilidad de Ethernet Industrial en Toología de Anillo de (Lee, 004) ue calcula el máximo retardo de comunicación en una red Ethernet Industrial con múltiles conmutadores. Los resultados de dicho análisis se ueden extender a una toología de anillo, teniendo en cuenta ue en la eor condición una trama deberá atravesar todos los conmutadores. Teniendo en cuenta el beneficio de la toología de anillo, también existen rouestas ara imlementarla sin utilizar conmutadores, incororando las funciones de conmutación en un módulo Ethernet de doble uerto y emleando un rotocolo esecífico ara el manejo de la reconfiguración de la toología (Yoon, 006). En el resente trabajo se analiza la toología de anillo desde el unto de vista de la confiabilidad y robustez ue le aorta a una red Ethernet. Posteriormente se analiza su imacto sobre la oeración y mantenimiento de la red y se indican algunas autas de utilidad ara el diseño, selección de euiamiento y estimación del esfuerzo y costos del mantenimiento correctivo. El trabajo se ha orientado a contribuir con elementos de utilidad ara el ingeniero encargado del diseño de una red industrial. Si bien se resenta una breve reseña de técnicas ara el manejo de la redundancia, el trabajo está enfocado a estudiar el imacto ue tienen los elementos de la caa física y los disositivos ue forman el anillo sobre la confiabilidad de la red. 1.1 El manejo de la redundancia y la toología de anillo El mecanismo ue inicialmente fue introducido ara el manejo de la redundancia en redes Ethernet es Sanning Tree, esecificado or el estándar IEEE 80.1D (IEEE, 004). Puede resentar una latencia de entre decenas de segundos hasta minutos ara reconfigurar la toología activa. Posteriormente fue desarrollado Raid Sanning Tree, esecificado or el estándar IEEE 80.1w, ue resenta una latencia de hasta 3 s (Wojdak, 003). Como tales demoras ueden ser excesivas ara muchos sistemas de control, los rinciales fabricantes de euiamiento ara Ethernet Industrial han desarrollado sus roios rotocolos de redundancia, la mayoría basados en una toología de anillo (Prytz, 006). Estos rotocolos resentan una latencia inferior a 500 ms. Tíicamente deenden de la circulación de una trama testigo emitida eriódicamente or el conmutador maestro a través de uno de sus uertos. Si dicha trama es recibida or el maestro en el uerto ouesto significa ue el anillo está en condiciones normales, mientras ue la no receción indica ue existe alguna interrución en el mismo. En un anillo Ethernet en condiciones normales uno de los enlaces ermanece bloueado. Éste es activado luego de detectarse la caída de otro ue estaba activo, según se muestra en la Figura 1. Cada vez ue se realiza una reconfiguración en la toología, el maestro envía una notificación a todos los conmutadores, a fin de ue borren sus tablas de conmutación y comiencen nuevamente con el arendizaje de direcciones. Cabe señalar ue Sanning Tree y Raid Sanning Tree también ermiten el manejo de la redundancia sobre una toología de anillo. Dado ue las soluciones roietarias no son comatibles ni interoerables, el IEC ha estado trabajando durante los últimos años en la elaboración de un estándar ato ara los reuerimientos industriales. Se trata del royecto IEC 6439 High Availability Automation Networks, ronto a ser ublicado. Por otra arte, Ethernet en anillo no sólo es de interés en el ámbito de las redes industriales sino también en las de transorte de datos (1/10/40 y 100 Gbs) en reemlazo de SDH/SONET. Para este tio de redes la recomendación G.803 de la ITU-T esecifica un mecanismo ara el manejo de la redundancia denominado Ethernet Ring Protection, con una demora inferior a los 50 ms ara recuerarse de la interrución de un enlace (Ryoo, 008). 1. Alicaciones tíicas en la industria Debido a la forma en ue tíicamente se encuentran distribuidos los distintos untos a ser conectados mediante una red, ya sea en una lanta industrial, una lanta de rocesos, un oleoducto o gasoducto, la toología de anillo resenta características favorables (Zhao, 006). Si se diseña adecuadamente el tendido de los enlaces y se evita disoner en un mismo ducto o bandeja los cables o fibras corresondientes a dos enlaces, en caso de roducirse algún evento (or ej.: rotura, incendio, etc.) ue ocasione la falla de sólo uno de ellos, no se tendrá como consecuencia la érdida de conectividad a través de la red. Otra alicación ara un anillo de Ethernet Industrial es en la red ue conecta los disositivos de suervisión y control de oleoductos y gasoductos. En estos casos, una forma tíica ara imlementar el anillo es la ue se describe en la Figura, uniendo en forma alternada los conmutadores existentes a lo largo del recorrido. En este caso, una recaución ue se debería tomar es ue las dos fibras ue van tendidas entre cada ar de conmutadores lo hagan or distintos ductos, con una cierta distancia entre ellos. Esto tiene la finalidad de reducir el riesgo de ue se interruman dos enlaces a la vez (suele suceder ue al efectuar una excavación, or error o negligencia se corten los cables allí existentes). Figura. Desliegue de la toología de anillo a lo largo del tendido de un oleoducto o gasoducto. 1.3 Condiciones tíicas de oeración y mantenimiento. Figura 1. Anillo Ethernet: en condiciones normales con un enlace deshabilitado (izuierda) y con el enlace redundante habilitado luego de la falla de otro (derecha). Los sistemas de suervisión y control industrial ue tienen condiciones de oeración 4/7 le imonen similares reuerimientos a la red sobre la ue basan su funcionamiento. En casos como el control de una lanta de rocesos (or ej.: industria uímica o etrouímica) no es acetable ue se interruma la comunicación entre los disositivos de camo y
Documento descargado de htt://www.elsevier.es el 9/05/016. Coia ara uso ersonal, se rohíbe la transmisión de este documento or cualuier medio o formato. G. Friedrich, J. Ardengh 103 ue el sistema de control se encuentre obligado a detener el roceso. Sin embargo, como los elementos ueden fallar o averiarse es necesario adotar ciertas medidas reventivas y correctivas. En un anillo Ethernet la falla de un enlace no roduce una érdida de conectividad en la red, orue el enlace redundante lo reemlaza. El enlace averiado debe ser rearado con la menor demora osible, orue en el caso de interrumirse algún otro vínculo durante ese laso de tiemo, la red uedará fragmentada. Esto dará lugar a la érdida de conectividad entre ambas secciones de la red, según se ve en la Figura 3. Cabe mencionar ue en base a los resultados del resente trabajo también se uede realizar una estimación de la frecuencia con ue será necesario efectuar rearaciones, la ue sirve de base ara calcular los recursos necesarios ara su ejecución..1 Confiabilidad del anillo Considerando un anillo formado or N enlaces, en el ue cada enlace tiene una confiabilidad y una robabilidad de falla, or medio de la distribución binomial se uede calcular la robabilidad de ue en algún momento haya n enlaces averiados. N! n ( N n) P( n)!( )! n N n = (1) Figura 3. La red dividida en dos secciones disjuntas, debido a la falla simultánea de dos enlaces. A los fines del análisis se ha considerado ue un enlace averiado será rearado en un lazo máximo de 4 horas, lo ue es un criterio de alicación habitual ara este tio de redes. Por lo tanto, la robabilidad de falla del anillo deende de la robabilidad de ue dos o más enlaces fallen en un mismo día. Por otra arte, en función de la cantidad de enlaces y la robabilidad de falla de cada uno, es osible estimar la frecuencia con ue deberán realizarse trabajos de mantenimiento correctivo. Esto ermite hacer una revisión de los recursos humanos, reuestos y otros costos relacionados con estas tareas. Asimismo, como la confiabilidad de un enlace deende de la confiabilidad de sus comonentes (fibras, conectores, etc.), lo ue or lo general tiene relación directa con el recio, es osible comarar los costos del mantenimiento correctivo con los costos de imlementación usando elementos de diferentes calidades.. REDUNDANCIA Y CONFIABILIDAD DE LA TOPOLOGÍA DE ANILLO El análisis de la confiabilidad de un anillo Ethernet se uede considerar desde dos untos de vista ue se comlementan entre sí. Por una arte se tiene al anillo formado or N enlaces, cuya finalidad es dar conectividad entre sí a los N conmutadores. Por otra arte se considera al anillo comleto (N enlaces y N conmutadores), cuya finalidad es roveer conectividad a las alicaciones conectadas a cualuier ar de conmutadores. En el rimer caso, un resultado de interés es el tiemo medio entre fallas del anillo (MTBF RING ). Se considera ue una falla del anillo es auella ue roduce una érdida de conectividad y se resenta cuando hay simultáneamente dos o más enlaces interrumidos. Debido a ue esta condición uede acarrear érdidas económicas, daños ambientales y riesgos humanos otro resultado de interés es la robabilidad de ocurrencia de este tio de eventos a lo largo de un cierto eríodo de tiemo (or ejemlo un año). Esto ermite comarar el costo de las érdidas debidas una caída del anillo con el costo de utilizar elementos de mayor confiabilidad. Si tanto como están calculadas sobre una base diaria, entonces P(n) será la robabilidad de ue en un mismo día se hayan roducido fallas en n enlaces. Cabe tener en cuenta ue a los fines de este trabajo se ha asumido ue un enlace dañado será rearado en un lazo no mayor a 4 horas, y ue la caída de un único enlace no afecta a la conectividad. Por lo tanto, la condición ara ue haya degradación en la conectividad es ue dentro de algún eríodo de 4 horas se roduzcan fallas en dos o más enlaces. La robabilidad de ue esto suceda, denominada RING, se calcula de la siguiente manera: RING = P( > 1) = 1 [ P(0) + P(1)] () De este modo se uede estimar la eriodicidad con ue se esera ue ocurra este tio de eventos, o sea el tiemo medio entre fallas del anillo: MTBFRING 1 RING = (3) Si RING es la robabilidad de falla en un día, MTBF RING estará exresado en días. El unto de artida ara los cálculos recedentes es la confiabilidad de un enlace, o bien su robabilidad de falla. Por lo tanto, es fundamental oder contar con una buena estimación de estos valores. La confiabilidad de un enlace deende de la confiabilidad de sus comonentes, de las condiciones de instalación, oeración y mantenimiento, etc. No es igual ara un enlace de fibra ótica ue ara un enlace inalámbrico, como así también habrá diferencias ara distintas imlementaciones de cada uno de ellos. Cada caso deberá ser analizado en forma articular. Sin embargo, a fin de tener un ejemlo ue sirva como referencia, más adelante se considera un suuesto caso. La confiabilidad y la robabilidad de falla de un cierto elemento se ueden obtener a artir del MTBF, según la siguiente fórmula: ( T ) = e MTBF (4) Donde T es el eríodo de análisis considerado, exresado en las mismas unidades ue el MTBF. Este cálculo es de utilidad ráctica, debido a ue el MTBF es un arámetro habitualmente informado or los fabricantes. Luego se calcula la corresondiente robabilidad de falla:
Documento descargado de htt://www.elsevier.es el 9/05/016. Coia ara uso ersonal, se rohíbe la transmisión de este documento or cualuier medio o formato. 104 Un Modelo ara el Análisis de la Confiabilidad de Ethernet Industrial en Toología de Anillo =1 (5) En articular, ara las condiciones lanteadas ara el resente análisis se considera al MTBF exresado en días y T igual a un día. Debido a ue los valores de MTBF tíicos son mucho mayores ue 1, también se uede alicar una fórmula aroximada más simle ara obtener la robabilidad de falla: 1 = (6) MTBF Luego, la confiabilidad es: =1 (7) Cabe mencionar ue los concetos y fórmulas mencionadas son de alicación habitual a roblemas de confiabilidad (Dhillon, 006; sección 3.4). También lo es lo referido a la confiabilidad de un conjunto de comonentes disuestos en serie o en aralelo..1.1 Ejemlo: MTBF ara un anillo de fibra ótica. A fin de resentar algún ejemlo ue sirva como referencia y ermita orientar en la alicación a distintos casos, se considera un anillo en el ue cada segmento está comuesto or la fibra ótica (dos vías), una caja de emalme en cada extremo, atchcords de fibra y dos módulos de interfaz de tio SFP. 1 6 SFP = =.407x10 (10) MTBFSFP 1 = 0.9999976 (11) SFP = SFP Para determinar la confiabilidad de la fibra ótica se ha estimado un valor de MTBF de 5 años, en base a los 5 años de garantía ue brinda AMP (AMP, 008) sobre sus roductos, incluyendo cables de fibra ótica y accesorios. Similar criterio se ha adotado ara los atchcords de fibra ótica. Por lo tanto: MTBF FO = 5 anos ~ = 915 días (1) 1 4 FO = = 1.059x10 (13) MTBFFO 1 = 0.999890 (14) FO = FO = 0.999890 (15) PC Reemlazando en (8) con los valores obtenidos en (11), (14) y (15) se obtiene la confiabilidad de un enlace: = 0.999668 (16) Luego se calcula la robabilidad de falla de un enlace: = 1 (17) Reemlazando en (17) el valor obtenido en (1) se llega a la robabilidad de fallas en un día: 4 = 3.3x10 (18) Figura 4. Modelo de enlace de fibra ótica considerado ara el ejemlo La confiabilidad de un enlace se calcula a artir de la confiabilidad de sus comonentes, considerando su disosición en serie, de acuerdo con la siguiente fórmula: = (8) FO PC SFP Donde: : confiabilidad del enlace FO : confiabilidad de la fibra ótica PC : confiabilidad de un atchcord SFP : confiabilidad de un módulo SFP Los valores emleados en el ejemlo han sido obtenidos de distintas maneras. En el caso de los módulos SFP se ha considerado el MTBF indicado or Cisco (Cisco, 008) ara el modelo ONS-SC-GE-LX, ue tiene un valor 9970080 hs. A artir del valor de MTBF SFP exresado en días, se obtiene la robabilidad de falla SFP y finalmente la confiabilidad SFP : MTBF SFP = 9970080 hs = 41540 días (9) También resulta de interés calcular el MTBF de un enlace (MTBF ) or dos motivos: uno es oder comararlo con el MTBF del anillo, a fin de areciar el beneficio de la redundancia rovista or esta toología; otro es la conveniencia de utilizar este valor ara esecificar la calidad del enlace y oder comarar distintas calidades de ellos. MTBF 1 = (19) Reemlazando en (19) el valor obtenido en (18) se obtiene: [ días] [ años] MTBF = 998 = 8. (0) En la Tabla 1 se resentan los resultados obtenidos ara anillos de distinta cantidad de nodos. Por una arte se observa ue a esar de ue el MTBF de cada enlace es de 8. años, el MTBF del anillo en mucho mayor (cabe recordar ue se considera una falla del anillo auella ue afecta a la conectividad, o sea ue tienen ue haber caído dos o más enlaces). Por otra arte se observa ue el MTBF del anillo decrece considerablemente con el aumento de la cantidad de nodos (y enlaces). Tabla 1. MTBF del anillo en función de N N [nodos] 5 7 10 15 0 30 MTBF RING [años] 464 1174 548 35 130 57
Documento descargado de htt://www.elsevier.es el 9/05/016. Coia ara uso ersonal, se rohíbe la transmisión de este documento or cualuier medio o formato. G. Friedrich, J. Ardengh 105 Una imortante conclusión ráctica es ue en lugar de imlementar un único anillo con una gran cantidad de nodos, odría ser referible imlementar anillos más reducidos, conectados entre sí mediante un ar de vínculos redundantes.. Probabilidad de caídas del anillo a lo largo de un año. Teniendo en cuenta ue el articionamiento del anillo uede acarrear imortantes consecuencias, resulta conveniente hacer una estimación de la robabilidad de ue en el transcurso de un cierto intervalo de tiemo, or ejemlo un año, se roduzca un evento de ese tio. Esto facilita la evaluación de sus consecuencias (or ej. económicas). Tomando como referencia ue el valor de MTBF utilizado en el ejemlo anterior era igual a 8. años, en la Figura 5 se muestra la robabilidad de ocurrencia de fallas del anillo, con érdida de conectividad, a lo largo de un año. Se han considerado redes de entre 5 y 30 nodos y MTBF entre 4 y 10 años. El valor ue se reresenta en las curvas es RING exresado en fallas or año de manera orcentual. Por ejemlo: ara un anillo de 30 nodos, con enlaces de MTBF igual a 4 años, hay aroximadamente un 7.5% de robabilidad de ue ocurra una falla con érdida de conectividad. Haciendo una valoración (ue uede ser de tio económico) de las consecuencias de una falla de este tio, se uede evaluar la conveniencia de invertir en enlaces de mayor confiabilidad y/o rediseñar la red. formado or dos o más enlaces en aralelo. Esta técnica, denominada Link Aggregation está esecificada or el estándar IEEE 80.3ad (IEEE, 005). Hay diversos asectos en la imlementación de esta alternativa ue merecen ser tratados en un trabajo futuro. Al momento cabe tenerla resente como una osibilidad ara elevar la confiabilidad de los vínculos. 3. CONFIABILIDAD DE LA COMUNICACIÓN A TRAVÉS DE LA RED En la sección anterior se ha analizado el beneficio ue brinda la toología de anillo ara asegurar la conectividad entre los conmutadores de la red, debido a la redundancia de un enlace. Como el objetivo de la red es brindar conectividad a las alicaciones, ue en el caso esecífico de una red industrial son los sistemas de control y los disositivos de camo, en esta sección se analiza la confiabilidad de la comunicación entre disositivos conectados a diferentes conmutadores. En la Figura 6 se resenta el diagrama de red ue sirve como modelo ara este análisis. Como el interés está en analizar la confiabilidad ara la comunicación entre disositivos ubicados en distintos nodos, se ha considerado un solo disositivo or conmutador. 8,00% 7,00% 6,00% 5,00% Probabilidad de fallas del anillo en un año, RING %, en función de MTBF y la cantidad de nodos N 5 nodos 10 nodos 15 nodos 0 nodos 30 nodos 4,00% 3,00%,00% 1,00% 0,00% 4 5 6 7 8 9 10 Tiemo medio entre fallas de cada enlace, MTBF [años] Figura 5. Probabilidad de ocurrencia de caídas del anillo, con érdida de conectividad, en un eríodo de un año, calculada en función del MTBF de los enlaces y el tamaño de la red. Se observa ue con valores de MTBF sueriores a los 8. años utilizado en el ejemlo anterior, la robabilidad de fallas mejora lentamente. Sin embargo, con valores inferiores la confiabilidad de la red desciende ráidamente y se hace más notoria la influencia de la cantidad de nodos. Esto debe ser tenido en cuenta al momento de diseñar un anillo en el ue los enlaces tengan una robabilidad de fallas imortante (uede ser debido a sus características constructivas, a las condiciones ambientales en ue oeran u otros factores adversos). Una osibilidad ara aumentar la confiabilidad de los enlaces es hacerlos redundantes, es decir ue cada segmento del anillo esté Figura 6. Anillo Ethernet con N conmutadores, N enlaces y un disositivo conectado a cada conmutador. Modelo utilizado ara analizar la confiabilidad de la comunicación entre disositivos. Se han lanteado los siguientes objetivos: Determinar si, dados dos disositivos ue se comunican a través de la red, la ubicación relativa ue tienen dentro del anillo afecta a la confiabilidad de la comunicación entre ellos, y en ue medida. A artir de lo anterior, determinar cual es la condición más desfavorable ara la ubicación relativa entre dos disositivos. Determinar la influencia de conmutadores y enlaces en la confiabilidad de la comunicación de extremo a extremo, ara anillos con diferentes cantidades de nodos. Se uede observar ue, dados dos disositivos conectados a distintos conmutadores, hay dos osibles caminos entre ellos. Un camino sigue el sentido de la agujas del reloj (CK) y el otro el sentido antihorario (CCK). El siguiente análisis considera la comunicación entre los disositivos m y N. En rimer lugar se analiza la comunicación entre los conmutadores m y N; osteriormente se trata la comunicación
Documento descargado de htt://www.elsevier.es el 9/05/016. Coia ara uso ersonal, se rohíbe la transmisión de este documento or cualuier medio o formato. 106 Un Modelo ara el Análisis de la Confiabilidad de Ethernet Industrial en Toología de Anillo entre los disositivos m y N. 3.1 Confiabilidad de la comunicación entre dos conmutadores Se advierte ue ara ir desde el conmutador m hasta el conmutador N, or el camino CCK hay ue atravesar m enlaces y m-1 conmutadores mientras ue or el camino CK se deben atravesar N-m enlaces y N-m-1 conmutadores. La confiabilidad de cada uno de estos caminos se calcula de la siguiente manera: m N m m 1 N m 1 = (1) CCKm = () CKm Donde es la confiabilidad de un conmutador calculada a artir de MTBF, el tiemo medio entre fallas exresado en cantidad de días: = 1 MTBF (3) =1 (4) Al haber dos caminos osibles entre m y N, la confiabilidad de la comunicación está dada or un modelo en aralelo: ara no tener comunicación deben fallar ambos caminos a la vez. La robabilidad de falla de cada uno de los dos caminos es: =1 (5) =1 (6) CCKm CCKm CKm CKm Por lo tanto, la robabilidad de falla del camino redundante entre los conmutadores m y N es: Rm = (7) CCKm CKm Luego, su confiabilidad es: =1 (8) Rm Rm Un valor ue resulta más conveniente ara exresar estos resultados y oder efectuar comaraciones entre distintas imlementaciones es el tiemo medio entre fallas. La notación ara esta magnitud es MTBF Rm, y su significado es tiemo medio entre fallas de comunicación entre los conmutadores m y N. Se calcula a artir de (7) de la siguiente forma: MTBFRm = 1 Rm (9) Cabe recordar ue una de las suosiciones sobre las ue se basan los resultados resentados es ue en caso de roducirse la falla de un enlace, éste uedará restablecido en un lazo máximo de 4 horas. Se ha adotado este criterio or ser de alicación habitual en la industria. Sin embargo se odría adotar otro tiemo de resuesta, or ejemlo 48 horas o una semana, en función de las condiciones reales de oeración y mantenimiento. En tal caso, será necesario rehacer los cálculos en base al tiemo de resuesta elegido. A modo de ejemlo, en la Figura 7 se resentan los valores de MTBF Rm obtenidos ara un anillo de N=10 nodos, considerando dos calidades de enlaces y conmutadores (Tabla ). En un caso MTBF =8 años y MTBF =5 años. En el otro caso, MTBF =4 años y MTBF =8 años. MTBFRm [años] Confiabilidad de la comunicación entre los conmutadores m y N (ara N =10) 500 000 1500 1000 500 0 1 3 4 5 6 7 8 9 m (número de nodo) MTBF()=8 años MTBF()=5 años MTBF()=4 años MTBF()=8 años Figura 7. Tiemo medio entre fallas de comunicación entre los conmutadores m y N, ara distintas ubicaciones relativas dentro del anillo. Se considera un anillo de 10 nodos y dos calidades de enlaces y conmutadores. Se observa ue, en ambos casos, la mejor condición se da cuando los conmutadores son vecinos y la eor condición se da cuando los conmutadores están diametralmente ouestos. Por lo tanto, el eor valor de la confiabilidad de la comunicación entre dos conmutadores, considerando la redundancia de caminos, es: N / ( N )/ = 1 (1 ) - Para N ar - (30) R R = 1 (1 (1 ( N + 1)/ ( N 1)/ N / ( N 3)/ ) ) - Para N imar - (31) A artir de estos resultados, el siguiente aso consiste en analizar la comunicación entre dos disositivos conectados a distintos conmutadores. 3. Comunicación entre dos disositivos a través del anillo Debido a ue en el unto anterior se ha analizado la comunicación entre dos conmutadores a través del anillo, teniendo en cuenta la redundancia rovista or él, se uede considerar ue la comunicación entre dos disositivos corresonde al modelo resentado en la Figura 8. Figura 8. Modelo de la comunicación entre dos disositivos a través del anillo. Los conmutadores de ambos extremos no están incluidos en el anillo. Nuevamente, a fin de facilitar el desarrollo, se considera la comunicación entre m y N. Para calcular la confiabilidad de la comunicación entre los disositivos m y N se considera la confiabilidad del anillo dada en (8) y se incluyen ambos
Documento descargado de htt://www.elsevier.es el 9/05/016. Coia ara uso ersonal, se rohíbe la transmisión de este documento or cualuier medio o formato. G. Friedrich, J. Ardengh 107 conmutadores, según la siguiente exresión: Dm = Rm La robabilidad de falla de comunicación entre disositivos es: Dm Dm (3) = 1 (33) Y a fin de tener un indicador más conveniente ara exresar la confiabilidad de la comunicación entre disositivos, se calcula el corresondiente tiemo medio entre fallas: MTBFDm = 1 Dm (34) En la Figura 9 se resentan los resultados corresondientes a la confiabilidad de la comunicación entre dos disositivos m y N, ara un anillo de N=10 nodos. Se han considerado valores de MTBF y MTBF iguales a los utilizados ara el gráfico de la Figura 7. La magnitud reresentada es MTBF Dm exresada en cantidad de años. MTBFDm [años] Confiabilidad de la comunicación entre los disositivos m y N (ara N =10) 30 5 0 15 10 5 0 1 3 4 5 6 7 8 9 m (número de nodo) MTBF()=8 años MTBF()=5 años MTBF()=4 años MTBF()=8 años Figura 9. Tiemo medio entre fallas de comunicación entre los disositivos m y N, ara distintas osiciones relativas dentro del anillo y considerando dos calidades de enlaces y conmutadores. De la comaración entre las mencionadas gráficas de MTBF Rm y MTBF Dm es osible efectuar las siguientes observaciones: Debido a la configuración en serie de los dos conmutadores extremos con el anillo, la confiabilidad final está determinada fundamentalmente or los dos conmutadores. Por la misma razón, no se observa ue la confiabilidad tenga una deendencia significativa con la osición relativa de los dos disositivos dentro del anillo. De tal modo, se odría adotar en forma general ue la confiabilidad del anillo es la del eor caso, ue se calcula según (30) ó (31). En base a esta última observación, la confiabilidad mínima de la comunicación entre dos disositivos a través del anillo es: D = R (35) =1 (3) D D MTBFD = 1 D (33) Esta última magnitud resulta de utilidad ara comarar la confiabilidad eserada de distintas imlementaciones, en función de los valores de MTBF de enlaces y conmutadores y de la cantidad de nodos ue comonen el anillo. En tal sentido, a continuación se realiza un análisis comarativo en base a valores de MTBF obtenidos de las hojas de datos de algunos fabricantes. 3..1 Comaración entre distintas calidades de imlementación A fin de efectuar una comaración desde el unto de vista de la confiabilidad de la comunicación entre un ar de disositivos, se han considerado tres calidades de enlaces y tres calidades de conmutadores. En cuanto a los enlaces, tomando como referencia los 8. años utilizados en el ejemlo del unto.1.1 ecuación (0), se ha considerado dos alternativas, una mejor (1 años) y otra eor (4 años). Por otra arte, ara el MTBF de los conmutadores se han considerado tres valores bastante diferenciados: 8, 3 y 56 años, en base a las esecificaciones de algunos fabricantes reconocidos en el rubro Ethernet Industrial (Hirschmann, 008; Siemens, 008; Moxa, 008). En la Tabla se resenta una serie de valores orientativos del MTBF ara distintas clases de conmutadores. En base a ellos se han adotado los tres valores antes mencionados, or ser reresentativos de tres calidades de euiamiento. Si bien se uede ver ue hay algún modelo con MTBF de 105.7 años, no se lo ha considerado debido a ue tiene restaciones más limitadas ue los demás (sin gestión ni uertos de 1 Gb). No obstante, vale tener resente ue es osible aumentar la confiabilidad a cambio de sacrificar restaciones. Tabla. Valores orientativos del MTBF ara una cierta gama de switches Ethernet Industrial. Tio de conmutador Con gestión, ara camo o área de trabajo Sin gestión, ara camo o área de trabajo Con gestión, ara sala de control Puertos 10/100 Mb Puertos 1 Gb MTBF mínimo [años] MTBF máximo [años] 4 a 1 a 4 18 5.61 5 a 8-9.11 105.7 4 o 48 o 4 8.1 8.6 En la Figura 10 se resentan los resultados obtenidos ara distintas combinaciones de enlaces y conmutadores y también en función de la cantidad de nodos ue comonen el anillo. Luego, las corresondientes robabilidad de falla y tiemo medio entre fallas serán:
Documento descargado de htt://www.elsevier.es el 9/05/016. Coia ara uso ersonal, se rohíbe la transmisión de este documento or cualuier medio o formato. 108 Un Modelo ara el Análisis de la Confiabilidad de Ethernet Industrial en Toología de Anillo Confiabilidad de la comunicación entre dos disositivos, ara anillos de distintos tamaños 4 MTBFD [años] 3,5 3,5 1,5 1 0,5 0 6 8 10 14 0 30 Tamaño del anillo (cantidad de nodos: N) / 1 / 5 1 / 3 1 / 8 8 / 5 8 / 3 8 / 8 4 / 5 4 / 3 4 / 8 Figura 10. Tiemo medio entre fallas de comunicación entre dos disositivos, en función de la cantidad de nodos del anillo, ara distintos valores del MTBF de enlaces y conmutadores. De allí se ueden extraer algunas conclusiones de utilidad, ue ermiten orientar las tareas de diseño de la red y selección de comonentes: La confiabilidad del anillo, R, deende básicamente de la confiabilidad de los enlaces. Si los enlaces son de baja confiabilidad no se logra un beneficio areciable al usar conmutadores de elevado MTBF (ver curvas en rojo). A mayor confiabilidad de los enlaces, MTBF D deende en mayor medida de la confiabilidad de los conmutadores. La combinación de enlaces de alta confiabilidad con conmutadores de baja confiabilidad no da buenos resultados. Se uede observar ue MTBF D es suerior ara enlaces con MTBF =8 años y MTBF =5 años, ue ara MTBF =1 años y MTBF =8 años. La degradación de MTBF D con el aumento de la cantidad de nodos en el anillo es ronunciada. Se reduce a aroximadamente la mitad al dulicar la cantidad de nodos. Cabe evaluar la conveniencia de dividir la red en eueños anillos de 6 a 7 nodos, conectados entre sí mediante vínculos redundantes. No resulta conveniente mezclar enlaces y conmutadores de diferente calidad. Enlaces de elevada confiabilidad con conmutadores de baja confiabilidad arrojan resultados mediocres debido a la mayor influencia de los conmutadores. Asimismo en el caso contrario, con enlaces de baja confiabilidad no hay un beneficio relevante si los conmutadores son de elevada confiabilidad. Dado ue el resultado final está condicionado or la baja calidad de los enlaces, utilizar conmutadores de elevado MTBF (y recio) significa en gran medida un derroche. 4. CONCLUSIONES Los resultados obtenidos en la rimera arte del análisis muestran ue la cantidad de enlaces y su confiabilidad tienen una marcada influencia en la confiabilidad de la comunicación entre conmutadores. Estos dos factores también tienen una notable influencia en la demanda de tareas de mantenimiento correctivo. Es imortante recordar ue la confiabilidad resultante también deende del tiemo de resuesta ara la solución de una falla. Si hay gran cantidad de enlaces y/o éstos tienen baja confiabilidad habrá una mayor exigencia en lo ue hace a rearaciones y stock de reuestos. En el resente trabajo se ha considerado ue al roducirse una falla, el tiemo de resuesta ara reararla será a lo sumo de 4 horas. En un trabajo futuro sería de interés estudiar la variación de la confiabilidad en función del tiemo de resuesta ara la solución de fallas. Esto uede resultar de utilidad en redes ue resentan grandes dificultades ara el acceso a los sitios, ya sea or las distancias como así también or las condiciones del lugar. En la segunda arte del trabajo se han incluido a los conmutadores, con la finalidad de evaluar la confiabilidad de la comunicación de extremo a extremo, entre disositivos conectados a través de la red. En este caso se uede observar ue la confiabilidad resultante deende rincialmente de los conmutadores, y ue la calidad de los enlaces contribuye a degradar en mayor o menor medida la confiabilidad aortada or los conmutadores. No se ueden lograr buenos resultados con conmutadores de baja calidad, or más ue ue los enlaces sean muy confiables. Tamoco se obtienen beneficios cuando los enlaces son oco confiables y se utilizan conmutadores de elevada confiabilidad. Un caso a ser considerado en un futuro trabajo es la imlementación del anillo emleando vínculos redundantes, mediante la técnica conocida como Link Aggregation. Por otra arte, teniendo en cuenta la influencia ue tiene la cantidad de nodos del anillo, otro caso a analizar es la división de la red en varios anillos de menor tamaño, conectados entre sí mediante vínculos redundantes. REFERENCIAS AMP (008). htt://www.amnetconnect.com. Cisco (008). Cisco ONS Family Otical Pluggable Modules. htt://www.cisco.com/en/us/rod/collateral/otical/s574/ s006/brochure_c0-45560.html Dillon B. S. (006). Mantainability, Maintenance and Reliability for Engineers. Taylor & Francis Grou. Boca Ratón, Florida. 006. Fritsch A. (007). Industrial Ethernet goes rocess automation and what about exlosion rotection? In Proceedings of the 4 th Euroean Conference on Electrical and Instrumentation in the Petroleum and Chemical Industry, 007, PCIC Euroe 007,. 1-7. Hirschmann (008). Sitio web de Redes Industriales de Hirschmann. htt://www.hirschmann-ac.de/esanol/redes- Industriales/index.html IEEE (004). IEEE Std. 80.1D TM. IEEE Standard for local and metroolitan area networks. Media Access Control (MAC) Bridges. IEEE Comuter Society. htt://standards.ieee.org/ getieee80/download/80.1d-004.df IEEE (005). IEEE Std. 80.3 TM. IEEE Standard for local and metroolitan area networks. Carrier Sense Multile Access With Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Secifications. Section three, clause 43. htt://standards.ieee.org/getieee80/download/80.3-005_section3.df Jaserneite J. y Neumann P. (001). Switched Ethernet for factory automation. In Proceedings of the 8th IEEE International Conference on Emerging Technology and Factory Automation (ETFA 01),. 05-1. Jaserneite J., Neumann P., Theis M y Watson K. (00). Deterministic real-time communication with switched
Documento descargado de htt://www.elsevier.es el 9/05/016. Coia ara uso ersonal, se rohíbe la transmisión de este documento or cualuier medio o formato. G. Friedrich, J. Ardengh 109 Ethernet. In Proceedings of the 4th IEEE International Worksho on Factory Communication Systems (WFCS 0),. 8-30. Lee S., Lee K.C. y Kim H.H. (004). Maximum Communication Delay of a Real-time Industrial Switched Ethernet with Multile Switching Hubs. In the 30 th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, -6 Nov. 004, Busan, Korea,. 37-33. Lingyan H., Jie P. y Yong X. (008). Exerimental Research about the Imact of IEEE 80.1P on Real-time Behavior of Switched Industrial Ethernet. In Proceedings of the 008 ISECS International Collouium on Comuting, Communication, Control, and Management, 3-4 Aug. 008,. 403-406. Moxa (008). Sitio web de Ethernet Industrial de Moxa. htt://www.moxa.com/roduct/industrial_ethernet.htm Prytz G. (006). Redundancy in Industrial Ethernet Networks. In: Proceedings of 006 IEEE International Worksho on Factory Communication Systems, 7 Jun. 006,. 380-385. Prytz G. (007). Network Recovery Time Measurements of RSTP in an Ethernet Ring Toology. In: Proceedings of IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation 007, ETFA. 5-7 Se. 007, Patras, Grecia,. 147-153. Rüing S. Vonname E. y Jaserneite J. (1999). Analysis of Switched Ethernet Networks with different Toologies used in Automation Systems. In: Field Bus Technology.. 351-358. Sringer-Verlag. Ryoo J., Long H., Yang Y., Holness M., Ahmad Z. y Rhee K. (008). Ethernet Ring Protection for Carrier Ethernet Networks. IEEE Communications Magazine, Se. 008,. 136-143. Siemens (008). Sitio web de Ethernet Industrial de Siemens. htt://www.automation.siemens.com/net/html_76/rodukte/ 040_rodukte.htm Vonname E., Rüing S. y Rückert U. (000). Measurements in Switched Ethernet Networks Used for Automation Systems. In: Proceedings of IEEE International Worksho on Factory Communications Systems,. 31-38. Wojdak W. (003). Raid Sanning Tree Protocol. Comact PCI and Advanced TCA Systems. Oen Systems Publishing. Marzo 003. htt://www.comactci-systems.com/pdfs/ PerfTech.Mar03.df Yoon G., Kwon D. H., Kwon S. C., Park Y. O. y Lee Y. J (006). Ring Toology-based Redundancy Ethernet for Industrial Network. In: Proceedings of IEEE SICE-ICASE International Joint Confererence 006. 18-1 Oct. 006, Bexco, Busan, Korea,. 1404-1407. Zhang Q. y Zhang W. (005). Priority Scheduling in Switched Industrial Ethernet. In: Proceedings of 005 American Control Conference, 8-10 Jun. 005, Portland, Oregon, USA,. 3366-3370. Zhao T., Li Z., Wang Z. y Xu K. (006). High Safety Gassulying Control System Develoment Based on Ringredundant Industrial Ethernet. In: Proceedings of the Sixth International Conference on Intelligent Systems Design and Alications, 16-18 Oct. 006, Jinan, China,. 78-81.