Spécification et Analyse d'un AFDX étendu avec TSN/BLS pour des applications avioniques de criticités mixtes

Specification and analysis of an extended AFDX with TSN/BLS shapers for mixed-criticality avionics applications

• Auteur / Autrice : Anaïs Finzi
• Direction : Emmanuel Lochin, Ahlem Mifdaoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, télécom, système et architecture
• Date : Soutenance le 11/06/2018
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Modélisation et ingénierie des systèmes (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département d’ingénierie des systèmes complexes
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Le Boudec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Frances
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent George, Ye-Qiong Song

Mots clés

Mots clés contrôlés

Architecture des réseaux d'ordinateurs

Systèmes embarqués (informatique)

Mots clés libres

Réseaux embarqués avioniques

AFDX

Qualité de Service

BLS

TSN

Network calculus

Avionics embedded networks

AFDX

Quality of service

BLS

TSN

Network calculus

Résumé

L'augmentation du nombre de systèmes interconnectés et l’expansion des données échangées dans les réseaux avioniques ont contribué à la complexification des architectures de communication. Pour gérer cette évolution, une nouvelle solution basée sur un réseau cœur haut débit, e.g., l'AFDX (Avionics Full DupleX), a été implémentée sur l'A380. Cependant, il reste des réseaux bas débit, e.g, CAN ou A429, utilisés pour certaines fonctions spécifiques. Cette architecture réduit le délai de développement, mais en contrepartie, elle conduit à de l’hétérogénéité et à de nouveaux challenges pour garantir les contraintes temps-réel. Pour résoudre ces challenges, une architecture homogène basé sur l'AFDX pourrait apporter de grands avantages, tels que une facilité de l'installation et maintenance, et une réduction de poids et coûts. Cette architecture homogène doit supporter des applications de criticités mixtes, où coexistent les trafics critiques (SCT), Best-effort (BE) et le trafic AFDX actuel (RC). Pour atteindre ce but, nous commençons par évaluer les avantages et les inconvénients des solutions existantes par rapport aux contraintes avioniques. Cela nous conduit à sélectionner le Burst Limiting Shaper (BLS) (proposé par le groupe IEEE Time Sensitive Networking (TSN)) allié à un ordonnanceur Static Priority non-preemptif. Ainsi, nous identifions quatre contributions principales dans cette thèse. Tout d'abord, nous spécifions un AFDX étendu avec le TSN/BLS. Une analyse préliminaire basée sur de la simulation a donné des résultats encourageants pour poursuivre sur cette voie. En second, nous détaillons une analyse temporelle de l'AFDX étendu, grâce au Network Calculus, pour calculer des bornes maximales des délais pire cas des différents types de trafic, pour prouver le déterminisme du réseau et le respect des contraintes temporelles. Une analyse de performance préliminaire montre l'efficacité de la solution à améliorer les délais de RC, tout en garantissant les contraintes. Cependant, cette analyse a aussi montré certaines limitations du modèle en termes de pessimisme. Notre troisième contribution est par conséquent la réduction de ce pessimisme, grâce à une seconde modélisation de l'AFDX étendu, et à une méthode de paramétrage des variables système. Cette méthode permet d'améliorer les performances de RC tout en garantissant les contraintes temporelles du SCT et RC. Finalement, nous validons notre proposition à travers des études de cas avioniques réalistes pour vérifier son efficacité. Les résultats montrent une forte amélioration des délais de RC ainsi que de l'ordonnançabilité de SCT et RC, en comparaison à l'AFDX actuel et au Deficit Round Robin.

The growing number of interconnected end-systems and the expansion of exchanged data in avionics have led to an increase in complexity of the communication architecture. To cope with this trend, a first communication solution based on a high rate backbone network, i.e., the AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet), has been implemented by Airbus in the A380. Moreover, some low rate data buses, e.g., CAN or ARINC 429, are still used to handle some specific avionics domains. Although this architecture reduces the time to market, it conjointly leads to inherent heterogeneity and new challenges to guarantee the real-time requirements. To handle these emerging issues, a homogeneous avionic communication architecture based the AFDX technology to interconnect different avionics domains may bring significant advantages, such as easier installation and maintenance and reduced weight and costs. Furthermore, this homogeneous communication architecture needs to support mixed-criticality applications, where safety-critical traffic (SCT), current rate constraint AFDX traffic (RC) and best effort traffic (BE) co-exist. To achieve this aim, first, we assess the pros and cons of most relevant existing solutions vs the main avionics requirements, to support mixed-criticality applications on the AFDX network. Afterwards, the Burst Limiting Shaper (BLS) (proposed by IEEE Time Sensitive Networking (TSN) Task group) on top of a Non-Preemptive Static Priority (NP-SP) scheduler has been selected as the most promising solution. Hence, our main contributions in this thesis are fourfold. First, we specify the extended AFDX incorporating the TSN/BLS on top of NP-SP. A preliminary performance analysis based on simulations has been conducted. These first results were encouraging to pursue this proposal. Second, we conduct a timing analysis of the extended AFDX using Network Calculus to compute the delay upper bounds of the different traffic classes and prove the determinism of such a solution. The preliminary performance evaluation has shown the efficiency of the extended AFDX to enhance the RC delay bounds while guaranteeing the constraints. However, they have also highlighted some limitations of the proposed model in terms of pessimism. Third, we introduce a second model of the extended AFDX to enhance the delay bounds tightness. Moreover, we propose a tuning method of TSN/BLS parameters to enhance as much as possible the RC timing performance, while guaranteeing the constraints. Finally, we validate our proposal through representative case studies to assess its efficiency. The results show the enhancements of the RC delay bounds as well as the schedulability level of both SCT and RC traffic, in comparison to the current AFDX and Deficit Round Robin (DRR).