De l'usage d'architectures Ethernet commutées embarquées dans les lanceurs spatiaux

On the use of switched Ethernet embedded in space launchers

• Auteur / Autrice : Jérémy Robert
• Direction : Thierry Divoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du Signal et des Images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 23/10/2012
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en automatique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Pétin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Georges, Philippe Miramont
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Barros-Lefebvre, Christian Fraboul

Mots clés

Mots clés contrôlés

Qualité de Service (télécommunications)

Temps réel (informatique)

Avionique

Ethernet (système de réseau local)

Mots clés libres

Systèmes spatiaux

Systèmes temps-réel

Évaluation de performance

Network Calculus

Ethernet commuté

Spatial systems

Real-time systems

Performance evaluation

Network Calculus

Switched Ethernet

Résumé

Les lanceurs spatiaux actuels, et en particulier Ariane 5, utilisent le réseau déterministe MIL-STD-1553B. Compte tenu des nouveaux objectifs de réduction des coûts et de la masse du système global ainsi que du support de trafic de télémesure multimédia, cette technologie n'est plus forcément optimale. Parmi les différents candidats de remplacement, cette thèse met en évidence les capacités du standard Ethernet à répondre à ces nouveaux objectifs tout en s'appuyant sur une utilisation de composants matériels et d'outils de développement existants à moindre coût (COTS). La première contribution porte sur l'évaluation de performances temporelles des architectures commutées. Les travaux mettent ainsi en évidence les gains et limites liés au choix d'une part du mode de communication (de maître/esclaves à producteurs/consommateur) et d'autre part à une future distribution de l'avionique. Pour cela, cette étude s'appuie sur une évaluation déterministe des délais de bout en bout par calcul réseau, simulations et expérimentations. Ces résultats ont été validés pour deux architectures commutées pour un scénario représentatif des vols actuels. La seconde contribution concerne l'amélioration de la disponibilité du système de communication. Il est proposé une stratégie de reconfiguration "temps réel" des chemins par supervision active du réseau. Dans le cadre d'exigences critiques, il est également proposé l'utilisation d'arbres couvrants multiples permettant d'anticiper la défaillance d'éléments d'interconnexion. Enfin, le choix d'architectures commutées et segmentées ne permet plus d'observer en tout point le réseau comme sur un bus. Pour cela, cette thèse met en avant les conditions et performances dans lesquelles un protocole de synchronisation d'horloges pourra contribuer à générer à partir de plusieurs points de captures une trace unique des échanges sur le réseau. Ce travail permettra d'identifier les tests pour une future validation du standard Ethernet pour les lanceurs spatiaux

Current space launchers, and particularly Ariane 5, use the deterministic network MIL-STD-1553B. According to the new objectives of cost and system mass reduction and of multimedia traffic support, this technology is not optimal anymore. Among the potential candidates, this thesis highlights the fact that such objectives can be achieved through the use of Ethernet standard based on components-on-the-shelf. The first contribution focuses on time performance evaluation of switched architectures. The gain and limits related to the communication mode (from master/slaves to producers/consummers) and future avionic distribution are studied. This study relies on a deterministic evaluation of the end-to-end delay by using network calculus, simulations and experiments. These results are validated with two switched architectures by using a scenario considered as representative of current flights. The second contribution is the network availability improvement. A real-time path reconfiguration strategy is proposed through active network supervision. Based on critical requirements, it is also suggested to use multiple spanning-trees for anticipating network element failures. The last contribution deals with the issue that in switched and segmented architectures it is not possible to collect all the traffic as in a bus. In order to do so, this thesis introduces the configurations under which a clock synchronization protocol could contribute to generate a single network trace from many collecting points. This work will enable to identify the tests for a future Ethernet standard validation in the framework of space launchers