Allocation optimale des ressources dans les architectures avioniques basées sur TSN

Optimal resource allocation in TSN-based avionic architectures

• Auteur / Autrice : Matthias Houssin
• Direction : Frédéric Boniol
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mathématiques et Applications
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA MOIS MOdélisation et Ingénierie des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ONERA/DTIS/MITT - Département Traitement de l'Information et Systèmes

Mots clés

Mots clés libres

Réseau temps-réel

Optimisation systèmes avioniques

Ordonnancement temps-réel

Système critique

Système embarqué

Real time network

Aircraft system optimisation

Real-time scheduling

Critical system

Embedded system

Résumé

Contexte et problématique Les systèmes avioniques modernes sont basés sur la plateforme Avionique Modulaire Intégrée (IMA). L'objectif de ce type de plateforme est d'offrir un environnement partitionné de haute intégrité, capable d'héberger de multiples fonctions de criticité différentes sur des ressources de calcul et de communication partagées. Dans la plateforme IMA, le partage des ressources de calcul s'appuie sur la norme ARINC 653: l'ordonnancement des fonctions sur chaque module de la plateforme est défini hors ligne par une séquence périodique de slots organisés statiquement dans un laps de temps. Chaque fonction se voit attribuer un slot de temps pour l'exécution. A la fin de ce slot, la partition est suspendue et l'exécution est donnée à une autre fonction. Ainsi, chaque fonction s'exécute périodiquement à des dates fixes. Du point de vue de la communication, la première génération de plateforme IMA (embarquée dans les Airbus A380 et A350, et dans Boeing B787) était basée sur le réseau backbone AFDX haut débit. Ce dernier repose sur une technologie Ethernet commutée et fournit une communication déterministe asynchrone limitant l'utilisation de la bande passante et les pertes de paquets, tout en garantissant des délais de communication de bout en bout finis. Toutefois, le nombre croissant de fonctions de criticité mixte dans les systèmes avioniques nécessitant de plus en plus de déterminisme encourage la communauté scientifique à rechercher une nouvelle alternative à l'AFDX. Un premier travail [Beji 2018] a étudié le standard Ethernet Time-Triggered comme cœur de réseau pour la plateforme IMA. Outre les flux asynchrones, cette norme permet également de définir des flux synchrones. Le protocole TSN (Time-Sensitive Network) est une autre solution possible venant du secteur automobile. Cette nouvelle norme généralise TT-Ethernet en offrant des mécanismes de qualité de service plus puissants (mais plus complexes). De tels mécanismes semblent bien adaptés pour multiplexer les flux de communication, émis par des fonctions avioniques, avec des exigences de temps réel différentes. Objectifs de la thèse L'objectif de cette thèse est d'explorer le problème d'allocation de la fonction avionique à la plateforme IMA centrée sur TNS. Dans ce travail, nous considérons les fonctions avioniques comme des chaînes fonctionnelles, c'est-à-dire des séquences de sous-fonctions s'exécutant sur le module IMA, qui doivent répondre à des exigences temporelles de bout en bout [Lauer 2014]. Dans un premier temps, cette thèse définira une méthodologie formelle visant à synthétiser une allocation optimale qui tient d'une planification optimale sur les modules IMA et d'une planification optimale sur le réseau TSN, pour un ensemble donné de fonctions avioniques. Le travail précédent dans [Al-Sheikh 2011] aborde le problème de l'allocation des ressources des applications avioniques sur l'architecture IMA-AFDX, tandis que le travail dans [McLean 2020] propose une approche pour la cartographie et la planification des applications sur une plateforme modulaire intégrée pour le domaine automobile. Une formalisation des exigences et des contraintes du système pour les communications embarquées par satellite avec TSN est donnée dans [Chaine 2020]. Du point de vue de la communication réseau, le problème de la planification de flux synchrones et asynchrones avec différentes exigences de criticité a été abordé dans les travaux récents de TSN [Craciunas 2016], [Steiner 2018], [Gavriluţ 2020] ainsi que dans le pire des cas de traversée analyse temporelle des flux critiques [Zhao 2018]. En s'appuyant sur ces travaux existants, cette thèse vise de formaliser le problème d'allocation optimale de ressources dans un contexte IMA-TSN tout en respectant les exigences temporelles des applications avioniques. La configuration du réseau pour des applications critiques est une tâche difficile. L'idée est de générer cette configuration, ainsi que le placement et l'ordonnancement des fonctions sur les modules de calcul, automatiquement à partir des exigences des applications. L'originalité de cette thèse est dans cette génération automatique. En plus de l'étude théorique, un cadre de simulation et une chaîne de transformation, d'un modèle de haut niveau de fonctions avioniques à une plateforme représentative IMA, seront définis dans cette thèse. L'idée principale est de fournir un ensemble d'outils complet capable de réduire la complexité des phases de configuration et de faciliter la configuration et la reconfiguration de l'architecture IMA-TSN, basée sur le modèle formalisé pour une allocation optimale des ressources. Pour validation, ce travail s'appuiera sur une étude de cas de drone. Résultats attendus - Conception d'un ensemble d'outils capable de générer une configuration complète pour la plateforme IMA-TSN en fonction du modèle d'allocation optimal et des exigences des applications avioniques. Cet ensemble d'outils permet d'intégrer facilement les changements qui peuvent survenir dans les exigences du système, par exemple si un nouvel élément est introduit dans l'architecture. -Mise en place d'un prototype de la plateforme IMA-TSN. Ce prototype peut être utilisé pour tester et évaluer les configurations générées précédemment. -Développement d'un simulateur pour la plateforme IMA-TSN. Un tel simulateur permet de d'évaluer différents modèles de configuration définis par des méthodes formelles avant leur implantation sur la plateforme réelle.

Abstract Modern avionic systems are based on Integrated Modular Avionic (IMA) platform. This type of platform offers a high-integrity, partionned environment able to host multiple functions of different criticalities sharing computing and communication resources. Traditionally, the deterministic communication between modules of such a platform is ensured by the AFDX network. In the recent years, IEEE Time Sensitive Networking (TSN) standard has drawn increasing attention from industry being regarded as one strong candidate for the next- generation of real-time Ethernet. By reserving resources for critical traffic, and applying various queuing and shaping techniques, TSN achieves zero congestion loss for critical data traffic. TSN can be thus a promising candidate to replace AFDX for interconnection of the IMA platform. The execution of embedded software with time-driven architectures has been known and mastered for many years, while the TSN standard brings new concepts, but also a new complexity. Configuring the network for critical applications is a difficult task. The idea of this PhD is to automatically generate this configuration from the requirements of the applications, as well as the placement and ordering of functions on the computing modules. Context and problem statement Modern avionic systems are based on Integrated Modular Avionic (IMA) platform. The aim of this type of platform is to offer a high-integrity, partionned environment able to host multiple functions of different criticalities on shared computing and communication resources. In IMA platform, the sharing of computing resources is based on the ARINC 653 standard: the scheduling of functions on each module of the platform is defined off-line by a periodic sequence of slots statically organized in a time-frame. Each function is allocated a time slot for execution. At the end of this time slot the partition is suspended and execution is given to another function. Thus, each function periodically executes at fixed times. From the communication point of view, the first generation of IMA platform (embedded in Airbus A380 and A350, and in Boeing B787) was based on the high rate backbone AFDX network. This latter relies on a switched Ethernet technology and provides asynchronous deterministic communication limiting bandwidth utilization and packet losses, while ensuring finite end-to-end communication delays. However, the increasing number of the mixed-criticality functions in avionics systems requiring for more determinism encourages the scientific community to look for new alternative to AFDX. A first work [Beji 2018] has studied the Time-Triggered Ethernet standard as core network for IMA platform. In addition to asynchronous flows, this standard also allows definition of synchronous ones. Another possible solution coming from the automotive area is the Time-Sensitive Network (TSN) protocol. This new standard generalizes TT-Ethernet by offering more powerful (but more complex) quality of service mechanisms. Such mechanisms seem to be well appropriate for mixing communication flows, issued by avionic functions, with different real-time requirements. Objectives The aim of this thesis is to explore the allocation problem of avionic function to TNS-centric IMA platform. In this work, we consider avionic functions as functional chains, that is, sequences of sub-functions running on IMA module, that have to meet end-to-end temporal requirements [Lauer 2014]. In a first stage, this thesis will define a formal methodology aiming to synthesize an optimal allocation that is an optimal scheduling on the IMA modules and an optimal scheduling on the TSN network, for a given set of avionic functions. The previous work in [Al-Sheikh 2011] addresses the problem of resource allocation of avionics applications on IMA-AFDX architecture, while the work in [McLean 2020] proposes an approach for mapping and scheduling applications over an integrated modular platform for the automotive domain. A formalization of system requirements and constraints for satellite on-board communications with TSN is given in [Chaine 2020]. From the network communication point of view, the problem of scheduling synchronous and asynchronous flows with different safety-criticality requirements has been tackled in recent TSN works [Craciunas 2016], [Steiner 2018], [Gavriluţ 2020] as well as the worst case traversal time analysis for critical flows [Zhao 2018]. Based on this existing work, this thesis aims to formalize the problem of optimal resource allocation in an IMA-TSN context ensuring the temporal requirements of avionics applications. To the best of our knowledge, no other previous study has covered the generation of models for such a platform. In addition to the theoretical study, a simulation framework and a transformation chain, from a high-level model of avionic functions to an IMA representative platform, will be defined in this thesis. The main idea is to provide a complete tool-set able to reduce the complexity of configuration phases and facilitate the configuration and reconfiguration of the IMA-TSN architecture, based on the formalized model for optimal resource allocation. For validation, this work will rely on a drone case-study.