Delay Performance and Cybersecurity of Smart Grid Infrastructure

To address major challenges to conventional electric grids (e.g., generation diversification and optimal deployment of expensive assets), full visibility and pervasive control over utilities\u27 assets and services are being realized through the integratio

Analyse et optimisation des réseaux avioniques hétérogènes

La complexité des architectures de communication avioniques ne cesse de croître avec l’augmentation du nombre des terminaux interconnectés et l’expansion de la quantité des données échangées. Afin de répondre aux besoins émergents en terme de bande passante, latence et modularité, l’architecture de communication avionique actuelle consiste à utiliser le réseau AFDX (Avionics Full DupleX Switched Ethernet) pour connecter les calculateurs et utiliser des bus d’entrée/sortie (par exemple le bus CAN (Controller Area Network)) pour connecter les capteurs et les actionneurs. Les réseaux ainsi formés sont connectés en utilisant des équipements d’interconnexion spécifiques, appelés RDC (Remote Data Concentrators) et standardisé sous la norme ARINC655. Les RDCs sont des passerelles de communication modulaires qui sont reparties dans l’avion afin de gérer l’hétérogénéité entre le réseau cœur AFDX et les bus d’entrée/sortie. Certes, les RDCs permettent d’améliorer la modularité du système avionique et de réduire le coût de sa maintenance; mais, ces équipements sont devenus un des défis majeurs durant la conception de l’architecture avionique afin de garantir les performances requises du système. Les implémentations existantes du RDC effectuent souvent une translation direct des trames et n’implémentent aucun mécanisme de gestion de ressources. Or, une utilisation efficace des ressources est un besoin important dans le contexte avionique afin de faciliter l’évolution du système et l’ajout de nouvelles fonctions. Ainsi, l’objectif de cette thèse est la conception et la validation d’un RDC optimisé implémentant des mécanismes de gestion des ressources afin d’améliorer les performances de l’architecture de communication avionique tout en respectant les contraintes temporelles du système. Afin d’atteindre cet objectif, un RDC pour les architectures réseaux de type CAN-AFDX est conçu, intégrant les fonctions suivantes: (i) groupement des trames appliqué aux flux montants, i.e., flux générés par les capteurs et destinés à l’AFDX, pour minimiser le coût des communication sur l’AFDX; (ii) la régulation des flux descendants, i.e., flux générés par des terminaux AFDX et destinés aux actionneurs, pour réduire les contentions sur le bus CAN. Par ailleurs, notre RDC permet de connecter plusieurs bus CAN à la fois tout en garantissant une isolation entre les flux. Par la suite, afin d’analyser l’impact de ce nouveau RDC sur les performances du système avionique, nous procédons à la modélisation de l’architecture CAN-AFDX, et particulièrement le RDC et ses nouvelles fonctions. Ensuite, nous introduisons une méthode d’analyse temporelle pour calculer des bornes maximales sur les délais de bout en bout et vérifier le respect des contraintes temps-réel. Plusieurs configurations du RDC peuvent répondre aux exigences du système avionique tout en offrant des économies de ressources. Nous procédons donc au paramétrage du RDC afin de minimiser la consommation de bande passante sur l’AFDX tout en respectant les contraintes temporelles. Ce problème d’optimisation est considéré comme NP-complet, et l’introduction des heuristiques adéquates s’est avérée nécessaire afin de trouver la meilleure configuration possible du RDC. Enfin, les performances de ce nouveau RDC sont validées à travers une architecture CAN-AFDX réaliste, avec plusieurs bus CAN et des centaines de flux échangés. Différents niveaux d’utilisation des bus CAN ont été considérés et les résultats obtenus ont montré l’efficacité de notre RDC à améliorer la gestion des ressources du système avionique tout en respectant les contraintes temporelles de communication. En particulier, notre RDC offre une réduction de la bande passante AFDX allant jusqu’à 40% en comparaison avec le RDC actuellement utilisé. ABSTRACT : The aim of my thesis is to provide a resources-efficient gateway to connect Input/Output (I/O) CAN buses to a backbone network based on AFDX technology, in modern avionics communication architectures. Currently, the Remote Data Concentrator (RDC) is the main standard for gateways in avionics; and the existing implementations do not integrate any resource management mechanism. To handle these limitations, we design an enhanced CAN-AFDX RDC integrating new functions: (i) Frame Packing (FP) allowing to reduce communication overheads with reference to the currently used "1 to 1" frame conversion strategy; (ii) Hierarchical Traffic Shaping (HTS) to reduce contention on the CAN bus. Furthermore, our proposed RDC allows the connection of multiple I/O CAN buses to AFDX while guaranteeing isolation between different criticality levels, using a software partitioning mechanism. To analyze the performance guarantees offered by our proposed RDC, we considered two metrics: the end-to-end latency and the induced AFDX bandwidth consumption. Furthermore, an optimization process was proposed to achieve an optimal configuration of our proposed RDC, i.e., minimizing the bandwidth utilization while meeting the real-time constraints of communication. Finally, the capacity of our proposed RDC to meet the emerging avionics requirements has been validated through a realistic avionics case study

Analysis and optimiozation of heterogeneous avionics networks

The aim of my thesis is to provide a resources-efficient gateway to connect Input/Output (I/O) CAN buses to a backbone network based on AFDX technology, in modern avionics communication architectures. Currently, the Remote Data Concentrator (RDC) is the main standard for gateways in avionics; and the existing implementations do not integrate any resource management mechanism. To handle these limitations, we design an enhanced CAN-AFDX RDC integrating new functions: (i) Frame Packing (FP) allowing to reduce communication overheads with reference to the currently used "1 to 1" frame conversion strategy; (ii) Hierarchical Traffic Shaping (HTS) to reduce contention on the CAN bus. Furthermore, our proposed RDC allows the connection of multiple I/O CAN buses to AFDX while guaranteeing isolation between different criticality levels, using a software partitioning mechanism. To analyze the performance guarantees offered by our proposed RDC, we considered two metrics: the end-to-end latency and the induced AFDX bandwidth consumption. Furthermore, an optimization process was proposed to achieve an optimal configuration of our proposed RDC, i.e., minimizing the bandwidth utilization while meeting the real-time constraints of communication. Finally, the capacity of our proposed RDC to meet the emerging avionics requirements has been validated through a realistic avionics case study

Determinism Enhancement and Reliability Assessment in Safety Critical AFDX Networks

RÉSUMÉ AFDX est une technologie basée sur Ethernet, qui a été développée pour répondre aux défis qui découlent du nombre croissant d’applications qui transmettent des données de criticité variable dans les systèmes modernes d’avionique modulaire intégrée (Integrated Modular Avionics). Cette technologie de sécurité critique a été notamment normalisée dans la partie 7 de la norme ARINC 664, dont le but est de définir un réseau déterministe fournissant des garanties de performance prévisibles. En particulier, AFDX est composé de deux réseaux redondants, qui fournissent la haute fiabilité requise pour assurer son déterminisme. Le déterminisme de AFDX est principalement réalisé par le concept de liens virtuels (Virtual Links), qui définit une connexion unidirectionnelle logique entre les points terminaux (End Systems). Pour les liens virtuels, les limites supérieures des délais de bout en bout peuvent être obtenues en utilisant des approches comme calcul réseau, mieux connu sous l’appellation Network Calculus. Cependant, il a été prouvé que ces limites supérieures sont pessimistes dans de nombreux cas, ce qui peut conduire à une utilisation inefficace des ressources et augmenter la complexité de la conception du réseau. En outre, en raison de l’asynchronisme de leur fonctionnement, il existe plusieurs sources de non-déterminisme dans les réseaux AFDX. Ceci introduit un problème en lien avec la détection des défauts en temps réel. En outre, même si un mécanisme de gestion de la redondance est utilisé pour améliorer la fiabilité des réseaux AFDX, il y a un risque potentiel souligné dans la partie 7 de la norme ARINC 664. La situation citée peut causer une panne en dépit des transmissions redondantes dans certains cas particuliers. Par conséquent, l’objectif de cette thèse est d’améliorer la performance et la fiabilité des réseaux AFDX. Tout d’abord, un mécanisme fondé sur l’insertion de trames est proposé pour renforcer le déterminisme de l’arrivée des trames au sein des réseaux AFDX. Parce que la charge du réseau et la bande passante moyenne utilisée augmente due à l’insertion de trames, une stratégie d’agrégation des Sub-Virtual Links est introduite et formulée comme un problème d’optimisation multi-objectif. En outre, trois algorithmes ont été développés pour résoudre le problème d’optimisation multi-objectif correspondant. Ensuite, une approche est introduite pour incorporer l’analyse de la performance dans l’évaluation de la fiabilité en considérant les violations des délais comme des pannes.----------ABSTRACT AFDX is an Ethernet-based technology that has been developed to meet the challenges due to the growing number of data-intensive applications in modern Integrated Modular Avionics systems. This safety critical technology has been standardized in ARINC 664 Part 7, whose purpose is to define a deterministic network by providing predictable performance guarantees. In particular, AFDX is composed of two redundant networks, which provide the determinism required to obtain the desired high reliability. The determinism of AFDX is mainly achieved by the concept of Virtual Link, which defines a logical unidirectional connection from one source End System to one or more destination End Systems. For Virtual Links, the end-to-end delay upper bounds can be obtained by using the Network Calculus. However, it has been proved that such upper bounds are pessimistic in many cases, which may lead to an inefficient use of resources and aggravate network design complexity. Besides, due to asynchronism, there exists a source of non-determinism in AFDX networks, namely frame arrival uncertainty in a destination End System. This issue introduces a problem in terms of real-time fault detection. Furthermore, although a redundancy management mechanism is employed to enhance the reliability of AFDX networks, there still exist potential risks as pointed out in ARINC 664 Part 7, which may fail redundant transmissions in some special cases. Therefore, the purpose of this thesis is to improve the performance and the reliability of AFDX networks. First, a mechanism based on frame insertion is proposed to enhance the determinism of frame arrival within AFDX networks. As the network load and the average bandwidth used by a Virtual Link increase due to frame insertion, a Sub-Virtual Link aggregation strategy, formulated as a multi-objective optimization problem, is introduced. In addition, three algorithms have been developed to solve the corresponding multi-objective optimization problem. Next, an approach is introduced to incorporate performance analysis into reliability assessment by considering delay violations as failures. This allowed deriving tighter probabilistic upper bounds for Virtual Links that could be applied in AFDX network certification. In order to conduct the necessary reliability analysis, the well-known Fault-Tree Analysis technique is employed and Stochastic Network Calculus is applied to compute the upper bounds with various probability limits

Erreichen von Performance in Netzwerken-On-Chip für Echtzeitsysteme

In many new applications, such as in automatic driving, high performance requirements have reached safety critical real-time systems. Consequently, Networks-on-Chip (NoCs) must efficiently host new sets of highly dynamic workloads e.g., high resolution sensor fusion and data processing, autonomous decision’s making combined with machine learning. The static platform management, as used in current safety critical systems, is no more sufficient to provide the needed level of service. A dynamic platform management could meet the challenge, but it usually suffers from a lack of predictability and the simplicity necessary for certification of safety and real-time properties. In this work, we propose a novel, global and dynamic arbitration for NoCs with real-time QoS requirements. The mechanism decouples the admission control from arbitration in routers thereby simplifying a dynamic adaptation and real-time analysis. Consequently, the proposed solution allows the deployment of a sophisticated contract-based QoS provisioning without introducing complicated and hard to maintain schemes, known from the frequently applied static arbiters. The presented work introduces an overlay network to synchronize transmissions using arbitration units called Resource Managers (RMs), which allows global and work-conserving scheduling. The description of resource allocation strategies is supplemented by protocol design and verification methodology bringing adaptive control to NoC communication in setups with different QoS requirements and traffic classes. For doing that, a formal worst-case timing analysis for the mechanism has been proposed which demonstrates that this solution not only exposes higher performance in simulation but, even more importantly, consistently reaches smaller formally guaranteed worst-case latencies than other strategies for realistic levels of system's utilization. The approach is not limited to a specific network architecture or topology as the mechanism does not require modifications of routers and therefore can be used together with the majority of existing manycore systems. Indeed, the evaluation followed using the generic performance optimized router designs, as well as two systems-on-chip focused on real-time deployments. The results confirmed that the proposed approach proves to exhibit significantly higher average performance in simulation and execution.In vielen neuen sicherheitskritische Anwendungen, wie z.B. dem automatisierten Fahren, werden große Anforderungen an die Leistung von Echtzeitsysteme gestellt. Daher müssen Networks-on-Chip (NoCs) neue, hochdynamische Workloads wie z.B. hochauflösende Sensorfusion und Datenverarbeitung oder autonome Entscheidungsfindung kombiniert mit maschineller Lernen, effizient auf einem System unterbringen. Die Steuerung der zugrunde liegenden NoC-Architektur, muss die Systemsicherheit vor Fehlern, resultierend aus dem dynamischen Verhalten des Systems schützen und gleichzeitig die geforderte Performance bereitstellen. In dieser Arbeit schlagen wir eine neuartige, globale und dynamische Steuerung für NoCs mit Echtzeit QoS Anforderungen vor. Das Schema entkoppelt die Zutrittskontrolle von der Arbitrierung in Routern. Hierdurch wird eine dynamische Anpassung ermöglicht und die Echtzeitanalyse vereinfacht. Der Einsatz einer ausgefeilten vertragsbasierten Ressourcen-Zuweisung wird so ermöglicht, ohne komplexe und schwer wartbare Mechanismen, welche bereits aus dem statischen Plattformmanagement bekannt sind einzuführen. Diese Arbeit stellt ein übergelagertes Netzwerk vor, welches Übertragungen mit Hilfe von Arbitrierungseinheiten, den so genannten Resource Managern (RMs), synchronisiert. Dieses überlagerte Netzwerk ermöglicht eine globale und lasterhaltende Steuerung. Die Beschreibung verschiedener Ressourcenzuweisungstrategien wird ergänzt durch ein Protokolldesign und Methoden zur Verifikation der adaptiven NoC Steuerung mit unterschiedlichen QoS Anforderungen und Verkehrsklassen. Hierfür wird eine formale Worst Case Timing Analyse präsentiert, welche das vorgestellte Verfahren abbildet. Die Resultate bestätitgen, dass die präsentierte Lösung nicht nur eine höhere Performance in der Simulation bietet, sondern auch formal kleinere Worst-Case Latenzen für realistische Systemauslastungen als andere Strategien garantiert. Der vorgestellte Ansatz ist nicht auf eine bestimmte Netzwerkarchitektur oder Topologie beschränkt, da der Mechanismus keine Änderungen an den unterliegenden Routern erfordert und kann daher zusammen mit bestehenden Manycore-Systemen eingesetzt werden. Die Evaluierung erfolgte auf Basis eines leistungsoptimierten Router-Designs sowie zwei auf Echtzeit-Anwendungen fokusierten Platformen. Die Ergebnisse bestätigten, dass der vorgeschlagene Ansatz im Durchschnitt eine deutlich höhere Leistung in der Simulation und Ausführung liefert

Aeronautical Engineering, a continuing bibliography with indexes, supplement 173

This bibliography lists 704 reports, articles and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in March 1984

A cross-layer middleware architecture for time and safety critical applications in MANETs

Mobile Ad hoc Networks (MANETs) can be deployed instantaneously and adaptively, making them highly suitable to military, medical and disaster-response scenarios. Using real-time applications for provision of instantaneous and dependable communications, media streaming, and device control in these scenarios is a growing research field. Realising timing requirements in packet delivery is essential to safety-critical real-time applications that are both delay- and loss-sensitive. Safety of these applications is compromised by packet loss, both on the network and by the applications themselves that will drop packets exceeding delay bounds. However, the provision of this required Quality of Service (QoS) must overcome issues relating to the lack of reliable existing infrastructure, conservation of safety-certified functionality. It must also overcome issues relating to the layer-2 dynamics with causal factors including hidden transmitters and fading channels. This thesis proposes that bounded maximum delay and safety-critical application support can be achieved by using cross-layer middleware. Such an approach benefits from the use of established protocols without requiring modifications to safety-certified ones. This research proposes ROAM: a novel, adaptive and scalable cross-layer Real-time Optimising Ad hoc Middleware framework for the provision and maintenance of performance guarantees in self-configuring MANETs. The ROAM framework is designed to be scalable to new optimisers and MANET protocols and requires no modifications of protocol functionality. Four original contributions are proposed: (1) ROAM, a middleware entity abstracts information from the protocol stack using application programming interfaces (APIs) and that implements optimisers to monitor and autonomously tune conditions at protocol layers in response to dynamic network conditions. The cross-layer approach is MANET protocol generic, using minimal imposition on the protocol stack, without protocol modification requirements. (2) A horizontal handoff optimiser that responds to time-varying link quality to ensure optimal and most robust channel usage. (3) A distributed contention reduction optimiser that reduces channel contention and related delay, in response to detection of the presence of a hidden transmitter. (4) A feasibility evaluation of the ROAM architecture to bound maximum delay and jitter in a comprehensive range of ns2-MIRACLE simulation scenarios that demonstrate independence from the key causes of network dynamics: application setting and MANET configuration; including mobility or topology. Experimental results show that ROAM can constrain end-to-end delay, jitter and packet loss, to support real-time applications with critical timing requirements

Aeronautical Engineering, a continuing bibliography with indexes

This bibliography lists 352 reports, articles and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in November 1983

Aerial Vehicles

This book contains 35 chapters written by experts in developing techniques for making aerial vehicles more intelligent, more reliable, more flexible in use, and safer in operation.It will also serve as an inspiration for further improvement of the design and application of aeral vehicles. The advanced techniques and research described here may also be applicable to other high-tech areas such as robotics, avionics, vetronics, and space