Hierarchical Traffic Shaping and Frame Packing to Reduce Bandwidth Utilization in the AFDX

The increasing complexity and heterogeneity of avionic networks make resource savings a challenging task to guarantee easy incremental design during the long lifetime of an aircraft. In this paper, we focus on the optimization of interconnection devices for multi-cluster avionic networks, called Remote Data Concentrators (RDC), and especially for the CAN-AFDX network. The design of this optimized RDC device consists in implementing frame packing strategies to manage upstream (sensors) flows to improve bandwidth utilization in the AFDX; and Hierarchical Traffic Shaping (HTS) algorithm to control downstream (actuators) flows to guarantee bandwidth isolation on CAN. Schedulability analysis integrating the effects of these new mechanisms is detailed and validated. Furthermore, a heuristic approach to tune the Hierarchical Traffic Shaping parameters within the RDC device is proposed to reduce as much as possible bandwidth utilization in the AFDX, while ensuring flows schedulability. The performance analysis conducted on a realistic avionic case study proves the efficiency of the optimized RDC device to reduce bandwidth utilization in the AFDX, compared to the basic device currently implemented in avionics

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

Design Optimization of Cyber-Physical Distributed Systems using IEEE Time-sensitive Networks (TSN)

In this paper we are interested in safety-critical real-time applications implemented on distributed architectures supporting the Time-SensitiveNetworking (TSN) standard. The ongoing standardization of TSN is an IEEE effort to bring deterministic real-time capabilities into the IEEE 802.1 Ethernet standard supporting safety-critical systems and guaranteed Quality-of-Service. TSN will support Time-Triggered (TT) communication based on schedule tables, Audio-Video-Bridging (AVB) flows with bounded end-to-end latency as well as Best-Effort messages. We first present a survey of research related to the optimization of distributed cyber-physical systems using real-time Ethernet for communication. Then, we formulate two novel optimization problems related to the scheduling and routing of TT and AVB traffic in TSN. Thus, we consider that we know the topology of the network as well as the set of TT and AVB flows. We are interested to determine the routing of both TT and AVB flows as well as the scheduling of the TT flows such that all frames are schedulable and the AVB worst-case end-to-end delay is minimized. We have proposed an Integer Linear Programming (ILP) formulation for the scheduling problem and a Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP)-based heuristic for the routing problem. The proposed approaches have been evaluated using several test cases

In-vehicle communication networks : a literature survey

The increasing use of electronic systems in automobiles instead of mechanical and hydraulic parts brings about advantages by decreasing their weight and cost and providing more safety and comfort. There are many electronic systems in modern automobiles like antilock braking system (ABS) and electronic brakeforce distribution (EBD), electronic stability program (ESP) and adaptive cruise control (ACC). Such systems assist the driver by providing better control, more comfort and safety. In addition, future x-by-wire applications aim to replace existing braking, steering and driving systems. The developments in automotive electronics reveal the need for dependable, efficient, high-speed and low cost in-vehicle communication. This report presents the summary of a literature survey on in-vehicle communication networks. Different in-vehicle system domains and their requirements are described and main invehicle communication networks that have been used in automobiles or are likely to be used in the near future are discussed and compared with key references

Validation matérielle d'une architecture générique de réseaux avioniques basée sur une gestion modulaire de la redondance

RÉSUMÉ Les systèmes avioniques ne cessent d'évoluer depuis l'apparition des technologies numériques au tournant des années 60. Après le passage par plusieurs paradigmes de développement, ces systèmes suivent maintenant l'approche « Integrated Modular Avionics » (IMA) depuis le début des années 2000. Contrairement aux méthodes antérieures, cette approche est basée sur une conception modulaire, un partage de ressources génériques entre plusieurs systèmes et l'utilisation plus poussée de bus multiplexés. La plupart des concepts utilisés par l'architecture IMA, bien que déjà connus dans le domaine de l'informatique distribuée, constituent un changement marqué par rapport aux modèles antérieurs dans le monde avionique. Ceux-ci viennent s'ajouter aux contraintes importantes de l'avionique classique telles que le déterminisme, le temps réel, la certification et les cibles élevées de fiabilité. L'adoption de l'approche IMA a déclenché une révision de plusieurs aspects de la conception, de la certification et de l'implémentation d'un système IMA afin d'en tirer profit. Cette révision, ralentie par les contraintes avioniques, est toujours en cours, et offre encore l'opportunité de développement de nouveaux outils, méthodes et modèles à tous les niveaux du processus d'implémentation d‟un système IMA. Dans un contexte de proposition et de validation d'une nouvelle architecture IMA pour un réseau générique de capteurs à bord d‟un avion, nous avons identifié quelques aspects des différentes approches traditionnelles pour la réalisation de ce type d‟architecture pouvant être améliorés. Afin de remédier à certaines des différentes lacunes identifiées, nous avons proposé une approche de validation basée sur une plateforme matérielle reconfigurable ainsi qu'une nouvelle approche de gestion de la redondance pour l'atteinte des cibles de fiabilité. Contrairement aux outils statiques plus limités satisfaisant les besoins pour la conception d'une architecture fédérée, notre approche de validation est spécifiquement développée de manière à faciliter la conception d'une architecture IMA. Dans le cadre de cette thèse, trois axes principaux de contributions originales se sont dégagés des travaux exécutés suivant les différents objectifs de recherche énoncés précédemment. Le premier axe se situe au niveau de la proposition d'une architecture hiérarchique de réseau de capteurs s'appuyant sur le modèle de base de la norme IEEE 1451. Cette norme facilite l'intégration de capteurs et actuateurs intelligents à tout système de commande par des interfaces normalisées et génériques.----------ABSTRACT Since the emergence of digital technologies in the 1960s, avionics has evolved very rapidly. To reflect the technological evolution, several design approaches have been followed up to the Integrated Modular Avionics (IMA) introduced in the late 1990s. Unlike previous approaches, IMA is based on modular conception, generic resources sharing between several previously independent systems and further use of multiplexed busses. While the major aspects used in the IMA architecture is already known in other fields such as distributed computing, they represent a fundamental change in regards to traditional approaches for avionics. These new concepts are added to the existing constraints of classic avionic such as determinism, real time application, certification and stringent reliability targets. Several aspects of the design, certification and implementation of an IMA system must be revised in order to maximize its benefice. The adoption of the IMA thus requires the development of new approaches, models and tools at each level of the implementation process of an IMA system. In a context of proposition and validation of a new IMA architecture for a generic sensor network, we have identified several key aspects of the traditional approaches that could be enhanced for a better compatibility with the IMA approach. In order to overcome these identified deficiencies, we have proposed a global validation approach based on a reconfigurable material platform combined with a new approach to redundancy management required to reach the reliability targets. Unlike the static tools devised for the previous federated design approach, our approach was specifically devised to ease the design process under the IMA architecture. Within the context of this thesis, three primary areas of original contributions have been identified from our work done within the objectives of project AVIO 402. The first contribution resides in the proposition of a hierarchical architecture for a sensor network base on the reference model of the IEEE 1451 standard