Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

A tárgy épít az alábbi Villamosmérnöki szak BSc témakörök ismeretére Villamosmérnök képzésben részt vevő hallgatók esetén:

• Informatika 1, (VIIIAB04), operációs rendszerek témakör,
• Informatika 2, (VIAUAB01), számítógép-hálózatok témakör,
• A programozás alapjai I. (VIHIAA01), C programozás alapjai.

A tárgy épít az alábbi Mérnökinformatikus szak BSc témakörök ismeretére Mérnökinformatikus képzésben részt vevő hallgatók esetén:

• Operációs rendszerek, (VIMIAB00),
• Kommunikációs hálózatok 1 és 2 (VIHIAB01 és VITMAB01),
  
• IT biztonság (VIHIAC01),
• Információs rendszerek üzemeltetése (VITMAC02).
  

A kötelező előtanulmányi rend az adott szak honlapján és képzési programjában található.

A tantárgy a hálózatba kapcsolt beágyazott rendszerekben alkalmazandó technológiák ismertetését tűzi ki célul. A beágyazott rendszerek a legritkább esetben működnek elszigetelten, szinte kivétel nélkül egy nagyobb, komplex rendszerbe integrálódnak. Az integrálhatósághoz a beágyazott rendszereknek rendelkezniük kell szabványos illesztési felületekkel, amelyet a beágyazott rendszerek fejlesztőinek meg kell valósítaniuk. Ennek megfelelően a tárgy részletesen bemutatja a beágyazott rendszerek modern kommunikációs interfészeinek tulajdonságait, hardver és szoftver felépítésüket, implementációs kérdéseiket és a felmerülő erőforrás-igényeket. A példaként tárgyalt illesztési technológiák felölelik az USB, IEEE.802.x, TCP/IP szabványokat, valamint a magasabb rétegekben alkalmazott kommunikációs architektúrákat és protokollokat (CORBA, DCOM, HTTP, XML, web services, SNMP, FTP) alacsony szintű implementációs szempontból.

A tantárgy követelményeit eredményesen teljesítő hallgatóktól elvárható, hogy:

(1) tisztában legyenek a hálózati/kommunikációs interfészek réteges szerkezetével, hardver- és szoftverarchitektúrájával,

(2) ismerjék az elosztott adatgyűjtő és beavatkozó rendszerek lehetséges architektúráit, kommunikációs sémáit, funkcionális rétegezését,

(3) legyenek tisztában a gyakorlatban alkalmazott fizikai kommunikációs közegek tulajdonságaival, valamint az alkalmazási környezetek speciális protokolljaival,

(4) implementációs szintű részletes információval rendelkezzenek az USB buszról, valamint a hozzá kapcsolódó szoftverarchitektúráról,

(5) ismerjék az IEEE 802.X szabványrendszert, különösen az IEEE 802.3 (Ethernet) valamint az IEEE 802.15.4 szabványokat, valamint azok implementációjának lehetőségeit beágyazott környezetben, a tápteljesítményre és a nyújtott szolgáltatások minőségére is kiterjedve,

(6) ismerjék a TCP/IP protokollcsaládot és annak beágyazott környezetben történő implementációs lehetőségeit, az egyes lehetőségek erőforrás-igényére és elérhető teljesítményére is kiterjedve, beleértve a hálózati eszközök automatikus konfigurálására szolgáló (ARP, DHCP, JINI, UPnP) és menedzsment protokollokat (SNMP, Telnet, WEB), valamint az alkalmazási réteg protokollokat (CORBA, DCOM, HTTP, web services, SNMP, FTP, TFTP), és azok alkalmazási lehetőségeit beágyazott rendszerekben,

(7) tudják használni a hálózati/kommunikációs rendszerek fejlesztése és tesztelése során alkalmazható speciális eszközöket.

1-2. hét

1. téma: A hálózatba kapcsolt beágyazott rendszerek alkalmazásai és a hálózati/kommunikációs interfészek réteges szerkezete (2 óra elmélet/előadás):

A hálózatba kapcsolt beágyazott rendszerek alkalmazásainak bemutatása a szórakoztató elektronikától (pl. DLNA, HDMI 1.4+) a biztonságkritikus valós-idejű rendszerekig (pl. TTEthernet). A TCP/IP referenciamodell bemutatása és általánosítása hálózati/kommunikációs interfészekre alkalmazási körben.

2. téma: Fizikai kommunikációs közegek tulajdonságai és azok villamos tulajdonságai, valamint mechanikai felépítése (4 óra elmélet/előadás):

Réz és optikai vezetők, valamint vezeték nélküli kommunikációs közegek főbb tulajdonságai. Alapvető szempontok (például sávszélesség, jel-zaj viszony, tápteljesítmény igény, EMC és ezek összefüggései). Életvédelmi szempontok, galvanikus leválasztás lehetőségei és gyakorlati megoldásai. A fizikai közegre vonatkozó az alkalmazási körből származó speciális követelmények, azok osztályozása (IEC 60529 alapján), és a követelmények kielégítésének műszaki megoldásai.

3. téma: Fejlesztőkörnyezetek (2 óra gyakorlat):

A tárgy oktatása során használt fejlesztőrendszerek bemutatása, összeállítása, különös tekintettel kitérve a platform virtualizációs technológiákon belül a virtuális hálózatok, valamint a hálózatba kapcsolt beágyazott rendszerek fejlesztése során szükséges fejlesztő munkaállomás beállítására.

3-4. hét (2 óra allokálva a következő témára)

4. téma: Fejlesztő és tesztelő eszközök (4 óra elmélet/előadás + 2 óra gyakorlat):

A hálózatba kapcsolt beágyazott rendszerek fejlesztése és tesztelése során alkalmazható speciális eszközök ismertetése. A protokoll analizátorok típusai és alkalmazástechnikájuk. Ethernet és USB protokoll analizátorok. A kommunikációs rendszerek tesztelésének nehézségei. A szabványosság vizsgálata. Elosztott rendszerekben alkalmazható fejlesztési célú megfigyelési megoldások, elosztott monitor, port mirroring alkalmazástechnikája és tulajdonságai. A Wireshark szabad forráskódú protokoll analizátor működésének és funkcióinak részletes ismertetése.

Gyakorlat: Protokoll analizátorok alkalmazástechnikája gyakorlat. A Wireshark protokoll analizátor működésének és alkalmazástechnikájának a megismerése a gyakorlatban Ethernet, Wi-Fi és egyéb hálózatok megfigyelésére. A működés korlátai, mérési hibák.

5-6. hét (2 óra a korábbi két hetes intervallumból átvéve)

5. téma: Az IEEE 802.X szabványrendszer beágyazott rendszerekben (8 óra elmélet/előadás + 2 óra gyakorlat):

Az IEEE 802.X szabványosítási rendszer megismerése. Az IEEE 802.3 (Ethernet) szabvány vizsgálata a beágyazott rendszerek és alacsony szintű implementáció szempontjából. Ethernet hardver- és szoftver-architektúra, az Ethernet kontroller és fizikairéteg-vezérlő illesztési lehetőségei, hardver architektúrák. Jellegzetes problémák, pl. signal routing, galvanikus leválasztás, optikai eszközök HW implementációja. Ethernet címek kiosztási módszere, tárolása, használata a hardverben és a firmware-ben. Ethernet fizikai réteg választása és annak hatása a kommunikációra és a fogyasztásra. Power over Ethernet és alkalmazástechnikája, PoE megvalósítás esettanulmány. Ethernet kapcsolók hardver és szoftver architektúrái, Ethernet kapcsoló SoC-ok jellegzetes típusai, tulajdonságai, alkalmazástechnikájuk.

Gyakorlat: Ethernet hálózatok vizsgálata Wireshark-kal.

7-8. hét

6. téma: Alkalmazás specifikus Ethernet megoldások (6 óra elmélet):

Speciális alkalmazás specifikus kábelezési rendszerek és csatlakozók. Autóipari megoldások: BroadR-Reach, Power over BroadR-Reach, IEEE 802.3bp RTPGE (Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet). Repülőgép ipar: Avionics Full-Duplex Switched Ethernet (AFDX). Általános felhasználás: Ipari gyűrű alapú megoldások Audio/Video Bridging (áttekintés), TTEthernet (részletes ismertetés), és Time-Sensitive Networking (TSN) kutatások.

7. téma: Ethernet eszközvezérlők a gyakorlatban (2 óra gyakorlat):

Ethernet eszközvezérlő szerkezete és illeszkedése a hardverhez és az operációs rendszerhez. A gyakorlatok során alkalmazott HW megismerése kommunikációs szempontból (TI Connected Launchpad). Architektúrák és megoldások az lwIP, uIP esetén (operációs rendszer nélkül vagy FreeRTOS operációs rendszer alkalmazásával).

9. hét első fele

8. téma: Vezeték-nélküli megoldások hálózatba kapcsolt beágyazott rendszerekben (2 óra elmélet)

Az IEEE 802.11, Bluetooth és 802.15.4 szabványok és egyéb (nem ISM sávú) implementációs szempontból, a hardverválasztás szempontjai nagyfrekvenciás, vezeték nélküli kommunikáció esetén. Vezeték nélküli kommunikációs modulok alkalmazástechnikája, előnyei az alkatrész szintű implementációhoz képest. Vezeték nélküli kommunikáció lehetőségei biztonságkritikus és/vagy valós idejű elosztott rendszerekben.

9. hét második fele és 10-11. hetek és 12. hét első fele

9. A TCP/IP protokollcsalád beágyazott rendszerekben (8 óra elmélet/előadás + 4 óra gyakorlat):

Teljes értékű (pl. BSD stack) és különböző szempontok szerint beágyazott rendszerekre optimalizált (lwIP, uIP, Microchip TCP/IP stack) protokollkészletek, azok tulajdonságai, teljesítménye és erőforrás-igényeik. Automatikus konfiguráció (ARP, DHCP, JINI, UPnP) és hálózatmenedzsment (SNMP, Telnet, web) lehetőségei és implementációja. Az alkalmazási réteg protokollok (CORBA, DCOM, HTTP, web services, SNMP, FTP, TFTP), és azok alkalmazási lehetőségei beágyazott rendszerekben. Erőforrás-igények, biztonsági kérdések, tűzfal és NAT hatásainak figyelembe vétele.

Gyakorlat: A uIP és lwIP implementációk felépítése, konfigurálása, alkalmazások és azok tesztelése a gyakorlatban. Beágyazott WEB szerverek fejlesztéstechnikája, a HW (szenzorok és beavatkozók) és a WEB összekapcsolása. WEB lapok tárolása beágyazott rendszerekben, a megoldások gyakorlati összevetése.

12. hét második fele

10. téma: Ethernet és TCP/IP alapú ipari megoldások és azok összehasonlítása (2 óra elmélet/előadás):

EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus/TCP, PROFINET, AFDX, és TTEthernet megoldások rövid bemutatása, és összehasonlítása architekturális, komplexitás, biztonságkritikusság, valós-idejűség szempontjából.

13. hét

11. téma: Nagypontosságú óra- és/vagy frekvencia-szinkronizáció megoldásai (4 óra elmélet/előadás):

A nagypontosságú óra- és/vagy frekvencia-szinkronizáció alapfogalmai. Lokális frekvencia források, mint pl. RC, SAW, MEMS, kvarc, TXCO, OCXO, Chip-Scale Atomic Clock és azok tulajdonságai és hatása a hálózatba kapcsolt beágyazott rendszer működésére. Óra- és/vagy frekvencia-szinkronizációs megoldások. Dedikált megoldások mint pl. lRIG, GPS. Csomag alapú nem dedikált megoldások, mint pl. NTP, SyncE, IEEE 1588, IEEE 802.1AS, White Rabbit (CERN).

14. hét

12. téma: Elosztott adatgyűjtő és beavatkozó rendszerek architektúrái (2 óra elmélet/előadás + 2 óra gyakorlat):

Kliens-szerver architektúra. Elosztott monitor réteges szerkezete és behelyezése a kliens-szerver architektúrába. Üzenetküldési paradigmák, unicast, broadcast, multicast kommunikáció, push, pull és publish-subscribe architektúrák stb. Átjárok és middleware-ek szerepe.

Gyakorlat: Hálózatba kapcsoltható beágyazott rendszer illesztése adatgyűjtőhöz, adatgyűjtő konfigurálása, az adatok megjelenítésének lehetőségei, stb.

A házi feladatban beágyazott kommunikációs problémákat kell megoldani, például egy Ethernet és TCP/IP kommunikációra képes szenzor működtető programját kell megtervezni, beleértve az alkalmazott kommunikációs protokollok kiválasztását, elkészítését és tesztelését is.

Vizsgaidőszakban: szóbeli vizsga

[1] Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks (4th Edition), Prentice Hall PTR, 2002.

[2] Andrew S. Tanenbaum, Számítógép-hálózatok, PANEM Kft., 2004.

[3] Kevin R. Fall and W. Richard Stevens, TCP/IP Illustrated, Volume 1 (2nd Edition), Addison-Wesley, 2011.

[4] Richard Zurawski (Editor), Industrial Communication Technology Handbook, CRC Press, 2014.

[5] Richard Zurawski (Editor), Embedded Systems Handbook, Second Edition: Networked Embedded Systems (Industrial Information Technology), CRC Press, 2009.

dr. Kovácsházy Tamás egyetemi docens, BME-MIT