Scheduling Rate Constrained traffic in End Systems of Time-Aware Networks

Nowadays, most of cyber-physical systems in avionics, automotive or recent Industry 4.0 domains require networked communication for mixed-critical applications. Ethernet-based networks such as AFDX, TTEthernet or TSN are capable to support transmission of both safety-critical and non-critical flows. This paper focuses on the TTEthernet network compliant with the avionics ARINC 664-P7 standard supporting time-triggered communication (TT) together with rate-constrained (RC) and best-effort (BE) traffic. Due to a global synchronization, TTcommunication with low latency and minimal jitter is ensured with static schedules computed offline. For event-triggered RC flows, bounded jitter at the source and end-to-end latency are guaranteed with worst-case analysis methods. With the increasing demands of applications, flows with Quality of Service (QoS) requirements such as video or audio may be transmitted as BE flows. However, on current configurations, no guarantees are offered to BE flows. In this paper, we aim at increasing the maximum RC utilization and improving the QoS of BE flows to allow the transmission of video or audio traffic with low jitter and end-to-end delay requirements. For this, we focus on the scheduling mechanisms and propose a scheduling approach based on a static slotted table that is applied at end systems. This table integrates the TT schedules usually obtained with Satisfiability Modulo Theories (SMT) approaches and establishes offsets of RC flows that reduce the end-to-end delay of BE flows. Several strategies for offset computations are proposed based on the distribution of flows locally at end system or globally at switch. We show that local strategies perform better than the global ones to reduce end-to-end delay of BE flows

Worst-case delay analysis of real-time switched Ethernet networks with flow local synchronization

Les réseaux Ethernet commuté full-duplex constituent des solutions intéressantes pour des applications industrielles. Mais le non-déterminisme d’un commutateur IEEE 802.1d, fait que l’analyse pire cas de délai de flux critiques est encore un problème ouvert. Plusieurs méthodes ont été proposées pour obtenir des bornes supérieures des délais de communication sur des réseaux Ethernet commuté full duplex temps réels, faisant l’hypothèse que le trafic en entrée du réseau peut être borné. Le problème principal reste le pessimisme introduit par la méthode de calcul de cette borne supérieure du délai. Ces méthodes considèrent que tous les flux transmis sur le réseau sont indépendants. Ce qui est vrai pour les flux émis par des nœuds sources différents car il n’existe pas, dans le cas général, d’horloge globale permettant de synchroniser les flux. Mais pour les flux émis par un même nœud source, il est possible de faire l’hypothèse d’une synchronisation locale de ces flux. Une telle hypothèse permet de bâtir un modèle plus précis des flux et en conséquence élimine des scénarios impossibles qui augmentent le pessimisme du calcul. Le sujet principal de cette thèse est d’étudier comment des flux périodiques synchronisés par des offsets peuvent être gérés dans le calcul des bornes supérieures des délais sur un réseau Ethernet commuté temps-réel. Dans un premier temps, il s’agit de présenter l’impact des contraintes d’offsets sur le calcul des bornes supérieures des délais de bout en bout. Il s’agit ensuite de présenter comment intégrer ces contraintes d’offsets dans les approches de calcul basées sur le Network Calculus et la méthode des Trajectoires. Une méthode Calcul Réseau modifiée et une méthode Trajectoires modifiée sont alors développées et les performances obtenues sont comparées. Le réseau avionique AFDX (Avionics Full-Duplex Switched Ethernet) est pris comme exemple d’un réseau Ethernet commuté full-duplex. Une configuration AFDX industrielle avec un millier de flux est présentée. Cette configuration industrielle est alors évaluée à l’aide des deux approches, selon un choix d’allocation d’offsets donné. De plus, différents algorithmes d’allocation des offsets sont testés sur cette configuration industrielle, pour trouver un algorithme d’allocation quasi-optimal. Une analyse de pessimisme des bornes supérieures calculées est alors proposée. Cette analyse est basée sur l’approche des trajectoires (rendue optimiste) qui permet de calculer une sous-approximation du délai pire-cas. La différence entre la borne supérieure du délai (calculée par une méthode donnée) et la sous-approximation du délai pire cas donne une borne supérieure du pessimisme de la méthode. Cette analyse fournit des résultats intéressants sur le pessimisme des approches Calcul Réseau et méthode des Trajectoires. La dernière partie de la thèse porte sur une architecture de réseau temps réel hétérogène obtenue par connexion de réseaux CAN via des ponts sur un réseau fédérateur de type Ethernet commuté. Deux approches, une basée sur les composants et l’autre sur les Trajectoires sont proposées pour permettre une analyse des délais pire-cas sur un tel réseau. La capacité de calcul d’une borne supérieure des délais pire-cas dans le contexte d’une architecture hétérogène est intéressante pour les domaines industriels. ABSTRACT : Full-duplex switched Ethernet is a promising candidate for interconnecting real-time industrial applications. But due to IEEE 802.1d indeterminism, the worst-case delay analysis of critical flows supported by such a network is still an open problem. Several methods have been proposed for upper-bounding communication delays on a real-time switched Ethernet network, assuming that the incoming traffic can be upper bounded. The main problem remaining is to assess the tightness, i.e. the pessimism, of the method calculating this upper bound on the communication delay. These methods consider that all flows transmitted over the network are independent. This is true for flows emitted by different source nodes since, in general, there is no global clock synchronizing them. But the flows emitted by the same source node are local synchronized. Such an assumption helps to build a more precise flow model that eliminates some impossible communication scenarios which lead to a pessimistic delay upper bounds. The core of this thesis is to study how local periodic flows synchronized with offsets can be handled when computing delay upper-bounds on a real-time switched Ethernet. In a first step, the impact of these offsets on the delay upper-bound computation is illustrated. Then, the integration of offsets in the Network Calculus and the Trajectory approaches is introduced. Therefore, a modified Network Calculus approach and a modified Trajectory approach are developed whose performances are compared on an Avionics Full-DupleX switched Ethernet (AFDX) industrial configuration with one thousand of flows. It has been shown that, in the context of this AFDX configuration, the Trajectory approach leads to slightly tighter end-to-end delay upper bounds than the ones of the Network Calculus approach. But offsets of local flows have to be chosen. Different offset assignment algorithms are then investigated on the AFDX industrial configuration. A near-optimal assignment can be exhibited. Next, a pessimism analysis of the computed upper-bounds is proposed. This analysis is based on the Trajectory approach (made optimistic) which computes an under-estimation of the worst-case delay. The difference between the upper-bound (computed by a given method) and the under-estimation of the worst-case delay gives an upper-bound of the pessimism of the method. This analysis gives interesting comparison results on the Network Calculus and the Trajectory approaches pessimism. The last part of the thesis, deals with a real-time heterogeneous network architecture where CAN buses are interconnected through a switched Ethernet backbone using dedicated bridges. Two approaches, the component-based approach and the Trajectory approach, are developed to conduct a worst-case delay analysis for such a network. Clearly, the ability to compute end-to-end delays upper-bounds in the context of heterogeneous network architecture is promising for industrial domains

Analyse pire cas exact du réseau AFDX

L'objectif principal de cette thèse est de proposer les méthodes permettant d'obtenir le délai de transmission de bout en bout pire cas exact d'un réseau AFDX. Actuellement, seules des bornes supérieures pessimistes peuvent être calculées en utilisant les approches de type Calcul Réseau ou par Trajectoires. Pour cet objectif, différentes approches et outils existent et ont été analysées dans le contexte de cette thèse. Cette analyse a mis en évidence le besoin de nouvelles approches. Dans un premier temps, la vérification de modèle a été explorée. Les automates temporisés et les outils de verification ayant fait leur preuve dans le domaine temps réel ont été utilisés. Ensuite, une technique de simulation exhaustive a été utilisée pour obtenir les délais de communication pire cas exacts. Pour ce faire, des méthodes de réduction de séquences ont été définies et un outil a été développé. Ces méthodes ont été appliquées à une configuration réelle du réseau AFDX, nous permettant ainsi de valider notre travail sur une configuration de taille industrielle du réseau AFDX telle que celle embarquée à bord des avions Airbus A380. The main objective of this thesis is to provide methodologies for finding exact worst case end to end communication delays of AFDX network. Presently, only pessimistic upper bounds of these delays can be calculated by using Network Calculus and Trajectory approach. To achieve this goal, different existing tools and approaches have been analyzed in the context of this thesis. Based on this analysis, it is deemed necessary to develop new approaches and algorithms. First, Model checking with existing well established real time model checking tools are explored, using timed automata. Then, exhaustive simulation technique is used with newly developed algorithms and their software implementation in order to find exact worst case communication delays of AFDX network. All this research work has been applied on real life implementation of AFDX network, allowing us to validate our research work on industrial scale configuration of AFDX network such as used on Airbus A380 aircraft. ABSTRACT : The main objective of this thesis is to provide methodologies for finding exact worst case end to end communication delays of AFDX network. Presently, only pessimistic upper bounds of these delays can be calculated by using Network Calculus and Trajectory approach. To achieve this goal, different existing tools and approaches have been analyzed in the context of this thesis. Based on this analysis, it is deemed necessary to develop new approaches and algorithms. First, Model checking with existing well established real time model checking tools are explored, using timed automata. Then, exhaustive simulation technique is used with newly developed algorithms and their software implementation in order to find exact worst case communication delays of AFDX network. All this research work has been applied on real life implementation of AFDX network, allowing us to validate our research work on industrial scale configuration of AFDX network such as used on Airbus A380 aircraft

Trends in avionics switched Ethernet networks

The AFDX (Avionics Full DupleX switched Ethernet) which has been standardized as ARINC 664 is based on Ethernet Technology

Exact worst-case communication delay analysis of AFDX network

The main objective of this thesis is to provide methodologies for finding exact worst case end to end communication delays of AFDX network. Presently, only pessimistic upper bounds of these delays can be calculated by using Network Calculus and Trajectory approach. To achieve this goal, different existing tools and approaches have been analyzed in the context of this thesis. Based on this analysis, it is deemed necessary to develop new approaches and algorithms. First, Model checking with existing well established real time model checking tools are explored, using timed automata. Then, exhaustive simulation technique is used with newly developed algorithms and their software implementation in order to find exact worst case communication delays of AFDX network. All this research work has been applied on real life implementation of AFDX network, allowing us to validate our research work on industrial scale configuration of AFDX network such as used on Airbus A380 aircraft

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

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

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

Refinement of AADL models using early-stage analysis methods : An avionics example

Model-Driven Engineering (MDE) is a relevant approach to support the engineering of distributed embedded systems with performance and dependability constraints. MDE involves models definitions and transformations to cover most of the system life-cycle: design, implementation and Verifi cation & Validation activities towards system quali fication. Still, few works evaluate the early integration of performance evaluation based on architectural models. In this report, we investigate the early-stage use of analysis in AADL modeling. Precisely, we exemplify on an avionics case study how to dimension the data flows for an application distributed over an AFDX network. Based on the insight from this study, we suggest a simple framework and associated techniques to e fficiently support analysis activities in the early-stage design phases