CSMA/CD プロトコルを使用するイーサネット通信ネットワークのモデル化

この例では次を使用します。

この例は、Simulink® のメッセージと SimEvents® を使用して、CSMA/CD プロトコルをもつイーサネット通信ネットワークをモデル化する方法を示します。この例では、イーサネット通信ネットワークを介して通信するコンピューターが 3 台あります。各コンピューターには、データを生成するソフトウェアコンポーネントと、通信用のイーサネットインターフェイスがあります。各コンピューターは、一意の MAC アドレスを使用して、別のコンピューターへのデータ送信を試みます。イーサネットインターフェイスは CSMA/CD 通信プロトコルを使用してコンピューターとネットワークの間の対話を制御します。このプロトコルは、複数のコンピューターでデータを同時に送信すると発生する競合への対応に使用されます。イーサネットコンポーネントは、ネットワーク、およびコンピューター間の接続を表します。

ソフトウェアコンポーネント

モデルで、各ソフトウェアコンポーネントはデータ (ペイロード) を生成し、そのデータ、サイズ、送信先をメッセージに結合します。次に、メッセージが通信用のイーサネットインターフェイスに送信されます。

各ソフトウェアコンポーネントサブシステムでは次のようになります。

MATLAB Function ブロックにより、サイズが 46 ～ 1500 バイトのデータが生成される [ 1 ]。

Constant ブロックにより、データへの送信先アドレスが割り当てられる。

Bus Creator ブロックにより、Data 信号、PayloadSize 信号、DestAddress 信号が dataPacket という非バーチャルバスオブジェクトに変換される。

Send ブロックにより、dataPacket がメッセージに変換される。

Outport ブロックにより、メッセージが通信用のイーサネットインターフェイスに送信される。

各コンピューターは異なるレートでデータを生成します。データ生成レートは MATLAB Function ブロックのサンプル時間から変更できます。

メッセージ送受信インターフェイスの作成の基礎については、ソフトウェアコンポーネント間におけるメッセージ送受信インターフェイスの確立 (Simulink)を参照してください。

イーサネットインターフェイス

Ethernet Interface 1 をダブルクリックします。[Station ID] および [Transmission buffer capacity] を指定できることを確認します。

イーサネットインターフェイスサブシステムには次の 3 つの主要部分があります。

Assemble Ethernet Frame — 受信メッセージをイーサネット (MAC) フレームに変換します。
Transmission Buffer — 送信用のイーサネットフレームを格納します。
Medium Access Control — パケット送信用の CSMA/CD プロトコルを実装します [ 2 ]。

Assemble Ethernet Frame

Assemble Ethernet Frame ブロックはイーサネット固有の属性をメッセージに付加することにより、メッセージをイーサネットフレームに変換します [ 1 ]。

パケットアセンブリ処理は次のとおりです。

Copy Message というラベルが付いた SimEvents® Entity Replicator ブロックが受信メッセージをコピーします。元のメッセージは Assemble MAC Frame というラベルが付いた SimEvents® Entity Generator ブロックに転送されます。Entity Generator ブロックの [Generation method] パラメーターは Event-based に設定されるため、元のメッセージがブロックに到着するとすぐにエンティティを作成します。メッセージのコピーは関数 initPacket() で Simulink Function ブロックに転送されます。"メッセージ" および "エンティティ" という用語は Simulink® と SimEvents® で同義的に使用されます。

Simulink Function ブロックはデータ、サイズ、送信先アドレスを、フレームアセンブリ用に Assemble MAC Frame ブロックに転送します。

Assemble MAC Frame ブロックは、イーサネットに固有の属性と Simulink Function ブロックから転送される値の両方を搬送するイーサネットフレームを生成します。

Assemble MAC Frame ブロックは、各フレーム生成イベントによって呼び出されるアクションとして関数 initPacket() を呼び出します。

生成されるイーサネットフレームの属性は次のとおりです。

entity.TxAddress は StationID です。

entity.RxAddress、entity.Data、および entity.PayloadSize には Simulink Function ブロックから値が割り当てられます。

entity.TxDelay は伝送遅延です。これはペイロードのサイズとビットレートで定義されます。Bitrate パラメーターはモデルプロパティの初期化関数で指定されます。

entity.CRC はエラー検出用の巡回冗長検査です。

Transmission Buffer

Transmission Buffer は先入れ先出し (FIFO) ポリシーを使用して送信前にエンティティを格納します。このバッファーは Queue ブロックでモデル化されます。

キューの容量は [Transmission buffer capacity] パラメーターによって決定されます。

Medium Access Control

Medium Access Control ブロックは 6 つの SimEvents® ブロックを使用してモデル化されます。

Admit 1 Frame というラベルが付いた Entity Gate ブロックは 2 つの入力端子をもつ有効なゲートとして設定されます。入力端子の 1 つは Transmission Buffer ブロックからのフレームを許可します。もう 1 つの入力端子は制御端子と呼ばれ、CSMA/CD ブロックからのメッセージを受け入れます。このブロックは CSMA/CD ブロックから正の値をもつメッセージを受信すると 1 つのフレームが進むのを許可します。

Merge というラベルが付いた Entity Input Switch ブロックは 2 つのパスをマージします。入力端子の 1 つは Admit 1 Frame ブロックで許可された新しいフレームを受け入れ、もう 1 つの入力端子は CSMA/CD ブロックから送信される再送信用のフレームを受け入れます。

Wait for Channel というラベルが付いた Entity Server ブロックは、チャネルを通じての再送信前にフレームのバックオフ時間をモデル化します。

Send to Channel というラベルが付いた別の Entity Gate ブロックは、チャネルがアイドル状態になるとゲートを開いてフレームを受け入れます。チャネルのステータスは CSMA/CD チャートで伝達されます。

Copy Transmitted Frame というラベルが付いた Entity Replicator ブロックはフレームのコピーを生成します。フレームの 1 つはイーサネットネットワークに転送され、もう 1 つは CSMA/CD チャートに転送されます。

CSMA/CD というラベルが付いた Discrete-Event Chart ブロックは CSMA/CD プロトコルをモデル化するステートマシンを表します。

CSMA/CD プロトコル

CSMA/CD プロトコル [ 2 ] は 2 つの入力をもつ Discrete-Event Chart ブロックでモデル化されます。

TxIn — 送信されたフレームのコピー。

RxIn — イーサネットネットワークから受信したフレーム。

チャートには 5 つの出力があります。

IsIdle — 値が 1 のときに Send to Channel ゲートを開いてフレームを受け入れ、値が 0 のときにゲートを閉じます。

TxRe — 送信中に競合が検出されると Merge ブロックに転送される、再送信されたフレーム。

TxNext — 値が 1 のときに Admit 1 Frame ゲートを開いて新しいフレームを受け入れる。

DataOut — 受信したデータ。

Size — 受信したデータのサイズ。

メッセージの送受信

最初、ブロックは Standby 状態で、チャネルはアイドル状態です。

ブロックが送信している場合、遅延の後にブロックはメッセージの送信を試行し、Isle.data が 0 に設定され、そのチャネルが使用中であることを宣言します。

送信に成功すると、ブロックは TxNext.data を 1 に設定してチャネルへの新しいメッセージを許可し、Standby 状態にリセットします。

競合がある場合、ブロックはランダムなバックオフ時間分の遅延の後、メッセージを再送信します。n は再送信のカウンターです。ブロックはメッセージを最大 16 回再送信します。すべての再送信の試行に失敗すると、ブロックはメッセージを終了し、新しいメッセージのエントリを許可します。その後、StandBy にリセットされます。

同様に、ブロックはその他のコンピューターからメッセージを受信します。エラーがなければ、メッセージは正常に受信され、ブロックは受信したデータとそのサイズを出力します。

イーサネットハブ

イーサネットコンポーネントは通信ネットワークおよびコンピューターからネットワークへの有線接続を表します。

Ethernet ブロックをダブルクリックして、パラメーターを確認します。

Connected stations — これらの値は、要素としてステーション ID をもつベクトルである Stations に代入されます。

Length of cables (m) — これらの値は CableLength に代入され、ハブに接続された各コンピューターのケーブルの長さを表します (メートル単位)。

Packet error rate (PER) — これらの値は PER に代入され、各コンピューターのメッセージ送信における誤り率を表します。

Processing time (s) — これらの値は ProcessingTime に代入され、チャネルの伝送遅延を表します。

3 つの SimEvents® ブロックはイーサネットネットワークのモデル化に使用されます。3 台のコンピューターの接続は Entity Input Switch ブロックを使用してマージされます。Entity Server ブロックはケーブルの長さに基づくチャネル伝送遅延のモデル化に使用されます。Entity Replicator ブロックは送信されたメッセージをコピーして 3 台のコンピューターに転送します。