Modelação e simulação de equipamentos de rede para Indústria 4.0

Currently, the industrial sector has increasingly opted for digital technologies in order to automate all its processes. This development comes from notions like Industry 4.0 that redefines the way these systems are designed. Structurally, all the components of these systems are connected in a complex network known as the Industrial Internet of Things. Certain requirements arise from this concept regarding industrial communication networks. Among them, the need to ensure real-time communications, as well as support for dynamic resource management, are extremely relevant. Several research lines pursued to develop network technologies capable of meeting such requirements. One of these protocols is the Hard Real-Time Ethernet Switch (HaRTES), an Ethernet switch with support for real-time communications and dynamic resource management, requirements imposed by Industry 4.0. The process of designing and implementing industrial networks can, however, be quite time consuming and costly. These aspects impose limitations on testing large networks, whose level of complexity is higher and requires the usage of more hardware. The utilization of network simulators stems from the necessity to overcome such restrictions and provide tools to facilitate the development of new protocols and evaluation of communications networks. In the scope of this dissertation a HaRTES switch model was developed in the OMNeT++ simulation environment. In order to demonstrate a solution that can be employed in industrial real-time networks, this dissertation presents the fundamental aspects of the implemented model as well as a set of experiments that compare it with an existing laboratory prototype, with the objective of validating its implementation.Atualmente o setor industrial tem vindo cada vez mais a optar por tecnologias digitais de forma a automatizar todos os seus processos. Este desenvolvimento surge de noções como Indústria 4.0, que redefine o modo de como estes sistemas são projetados. Estruturalmente, todos os componentes destes sistemas encontram-se conectados numa rede complexa conhecida como Internet Industrial das Coisas. Certos requisitos advêm deste conceito, no que toca às redes de comunicação industriais, entre os quais se destacam a necessidade de garantir comunicações tempo-real bem como suporte a uma gestão dinâmica dos recursos, os quais são de extrema importância. Várias linhas de investigação procuraram desenvolver tecnologias de rede capazes de satisfazer tais exigências. Uma destas soluções é o "Hard Real-Time Ethernet Switch" (HaRTES), um switch Ethernet com suporte a comunicações de tempo-real e gestão dinâmica de Qualidade-de-Serviço (QoS), requisitos impostos pela Indústria 4.0. O processo de projeto e implementação de redes industriais pode, no entanto, ser bastante moroso e dispendioso. Tais aspetos impõem limitações no teste de redes de largas dimensões, cujo nível de complexidade é mais elevado e requer o uso de mais hardware. Os simuladores de redes permitem atenuar o impacto de tais limitações, disponibilizando ferramentas que facilitam o desenvolvimento de novos protocolos e a avaliação de redes de comunicações. No âmbito desta dissertação desenvolveu-se um modelo do switch HaRTES no ambiente de simulação OMNeT++. Com um objetivo de demonstrar uma solução que possa ser utilizada em redes de tempo-real industriais, esta dissertação apresenta os aspetos fundamentais do modelo implementado bem como um conjunto de experiências que o comparam com um protótipo laboratorial já existente, no âmbito da sua validação.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

Real-time communications over switched Ethernet supporting dynamic QoS management

Doutoramento em Engenharia InformáticaDurante a última década temos assistido a um crescente aumento na utilização de sistemas embutidos para suporte ao controlo de processos, de sistemas robóticos, de sistemas de transportes e veículos e até de sistemas domóticos e eletrodomésticos. Muitas destas aplicações são críticas em termos de segurança de pessoas e bens e requerem um alto nível de determinismo com respeito aos instantes de execução das respectivas tarefas. Além disso, a implantação destes sistemas pode estar sujeita a limitações estruturais, exigindo ou beneficiando de uma configuração distribuída, com vários subsistemas computacionais espacialmente separados. Estes subsistemas, apesar de espacialmente separados, são cooperativos e dependem de uma infraestrutura de comunicação para atingir os objectivos da aplicação e, por consequência, também as transacções efectuadas nesta infraestrutura estão sujeitas às restrições temporais definidas pela aplicação. As aplicações que executam nestes sistemas distribuídos, chamados networked embedded systems (NES), podem ser altamente complexas e heterogéneas, envolvendo diferentes tipos de interacções com diferentes requisitos e propriedades. Um exemplo desta heterogeneidade é o modelo de activação da comunicação entre os subsistemas que pode ser desencadeada periodicamente de acordo com uma base de tempo global (time-triggered), como sejam os fluxos de sistemas de controlo distribuído, ou ainda ser desencadeada como consequência de eventos assíncronos da aplicação (event-triggered). Independentemente das características do tráfego ou do seu modelo de activação, é de extrema importância que a plataforma de comunicações disponibilize as garantias de cumprimento dos requisitos da aplicação ao mesmo tempo que proporciona uma integração simples dos vários tipos de tráfego. Uma outra propriedade que está a emergir e a ganhar importância no seio dos NES é a flexibilidade. Esta propiedade é realçada pela necessidade de reduzir os custos de instalação, manutenção e operação dos sistemas. Neste sentido, o sistema é dotado da capacidade para adaptar o serviço fornecido à aplicação aos respectivos requisitos instantâneos, acompanhando a evolução do sistema e proporcionando uma melhor e mais racional utilização dos recursos disponíveis. No entanto, maior flexibilidade operacional é igualmente sinónimo de maior complexidade derivada da necessidade de efectuar a alocação dinâmica dos recursos, acabando também por consumir recursos adicionais no sistema. A possibilidade de modificar dinâmicamente as caracteristicas do sistema também acarreta uma maior complexidade na fase de desenho e especificação. O aumento do número de graus de liberdade suportados faz aumentar o espaço de estados do sistema, dificultando a uma pre-análise. No sentido de conter o aumento de complexidade são necessários modelos que representem a dinâmica do sistema e proporcionem uma gestão optimizada e justa dos recursos com base em parâmetros de qualidade de serviço (QdS). É nossa tese que as propriedades de flexibilidade, pontualidade e gestão dinâmica de QdS podem ser integradas numa rede switched Ethernet (SE), tirando partido do baixo custo, alta largura de banda e fácil implantação. Nesta dissertação é proposto um protocolo, Flexible Time-Triggered communication over Switched Ethernet (FTT-SE), que suporta as propriedades desejadas e que ultrapassa as limitações das redes SE para aplicações de tempo-real tais como a utilização de filas FIFO, a existência de poucos níveis de prioridade e a pouca capacidade de gestão individualizada dos fluxos. O protocolo baseia-se no paradigma FTT, que genericamente define a arquitectura de uma pilha protocolar sobre o acesso ao meio de uma rede partilhada, impondo desta forma determinismo temporal, juntamente com a capacidade para reconfiguração e adaptação dinâmica da rede. São ainda apresentados vários modelos de distribuição da largura de banda da rede de acordo com o nível de QdS especificado por cada serviço utilizador da rede. Esta dissertação expõe a motivação para a criação do protocolo FTT-SE, apresenta uma descrição do mesmo, bem como a análise de algumas das suas propiedades mais relevantes. São ainda apresentados e comparados modelos de distribuição da QdS. Finalmente, são apresentados dois casos de aplicações que sustentam a validade da tese acima mencionada.During the last decade we have witnessed a massive deployment of embedded systems on a wide applications range, from industrial automation to process control, avionics, cars or even robotics. Many of these applications have an inherently high level of criticality, having to perform tasks within tight temporal constraints. Additionally, the configuration of such systems is often distributed, with several computing nodes that rely on a communication infrastructure to cooperate and achieve the application global goals. Therefore, the communications are also subject to the same temporal constraints set by the application requirements. Many applications relying on such networked embedded systems (NES) are complex and heterogeneous, comprehending different activities with different requirements and properties. For example, the communication between subsystems may follow a strict temporal synchronization with respect to a global time-base (time-triggered), like in a distributed feedback control loop, or it may be issued asynchronously upon the occurrence of events (eventtriggered). Regardless of the traffic characteristics and its activation model, it is of paramount importance having a communication framework that provides seamless integration of heterogeneous traffic sources while guaranteeing the application requirements. Another property that has been emerging as important for NES design and operation is flexibility. The need to reduce installation and operational costs, while facilitating maintenance is promoting a more rational use of the available resources at run-time, exploring the ability to tune service parameters as the system evolves. However, such operational flexibility comes with the cost of increasing the complexity of the system to handle the dynamic resource management, which on the other hand demands the allocation of additional system resources. Moreover, the capacity to dynamically modify the system properties also causes a higher complexity when designing and specifying the system, since the operational state-space increases with the degrees of flexibility of the system. Therefore, in order to bound this complexity appropriate operational models are needed to handle the system dynamics and carry on an efficient and fair resource management strategy based on quality of service (QoS) metrics. This thesis states that the properties of flexibility and timeliness as needed for dynamic QoS management can be provided to switched Ethernet based systems. Switched Ethernet, although initially designed for general purpose Internet access and file transfers, is becoming widely used in NES-based applications. However, COTS switched Ethernet is insufficient regarding the needs for real-time predictability and for supporting the aforementioned properties due the use of FIFO queues too few priority levels and for stream-level management capabilities. In this dissertation we propose a protocol to overcome those limitations, namely the Flexible Time-Triggered communication over Switched Ethernet (FTT-SE). The protocol is based on the FTT paradigm that generically defines a protocol architecture suitable to enforce real-time determinism on a communication network supporting the desired flexibility properties. This dissertation addresses the motivation for FTT-SE, describing the protocol as well as its schedulability analysis. It additionally covers the resource distribution topic, where several distribution models are proposed to manage the resource capacity among the competing services and while considering the QoS level requirements of each service. A couple of application cases are shown that support the aforementioned thesis

Dynamic QoS Management for Ethernet-based Video Surveillance Systems

This project consists of a video surveillance system with an integrated quality of service (QoS) manager that operates online, constantly monitoring and setting the QoS parameters.This manager has two components: one that manages the network bandwidth, distributing it through the cameras according to their needs; and another that controls the compression applied by the cameras to each frame in order to use the bandwidth efficiently. The project will focus mainly on the first, which is built on Linux Traffic Control, a Linux service that allows the user to configure traffic scheduling and shaping

MSRP resources reservation for HaRTES real-time switch

Mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesOs mecanismos e técnicas do domínio de Tempo-Real são utilizados quando existe a necessidade de um sistema, seja este um sistema embutido ou de grandes dimensões, possuir determinadas características que assegurem a qualidade de serviço do sistema. Os Sistemas de Tempo-Real definem-se assim como sistemas que possuem restrições temporais rigorosas, que necessitam de apresentar altos níveis de fiabilidade de forma a garantir em todas as instâncias o funcionamento atempado do sistema. Devido à crescente complexidade dos sistemas embutidos, empregam-se frequentemente arquiteturas distribuídas, onde cada módulo é normalmente responsável por uma única função. Nestes casos existe a necessidade de haver um meio de comunicação entre estes, de forma a poderem comunicar entre si e cumprir a funcionalidade desejadas. Devido à sua elevada capacidade e baixo custo a tecnologia Ethernet tem vindo a ser alvo de estudo, com o objetivo de a tornar num meio de comunicação com a qualidade de serviço característica dos sistemas de tempo-real. Como resposta a esta necessidade surgiu na Universidade de Aveiro, o Switch HaRTES, o qual possui a capacidade de gerir os seus recursos dinamicamente, de modo a fornecer à rede onde é aplicado garantias de Tempo-Real. No entanto, para uma arquitetura de rede ser capaz de fornecer aos seus nós garantias de qualidade serviço, é necessário que exista uma especificação do fluxo, um correto encaminhamento de tráfego, reserva de recursos, controlo de admissão e um escalonamento de pacotes. Infelizmente, o Switch HaRTES apesar de possuir todas estas características, não suporta protocolos standards. Neste documento é apresentado então o trabalho que foi desenvolvido para a integração do protocolo SRP no Switch HaRTES.The tools and mechanisms of the Real-Time domain are used when there is a need for a system, either an embedded or a large scale system, to possess certain characteristics that ensure the quality of service. The Real-Time Systems are defined as systems that possess strict time constraints, they require high levels of reliability as a way to ensure the timely operation in every instance of the system. With the growing complexity of the embedded systems, distributed architectures are normally employed, where each module is usually responsible for a single function. In these cases there is a need for a means of communication between them, so that they can communicate with each other and fulfill the desired functionality. Due to its high capacity and low-cost, Ethernet technology has been the target of study, aiming to make a means of communicating with the service quality feature of real-time systems. In response to this need, arose at the University of Aveiro the Switch HaRTES, which has the ability to manage their resources dynamically in order to provide the network where it is applied Real-time guarantees. However, for a network architecture to be able to provide such guarantees, it must be able to specify the flow of data, do a correct traffic routing, reserve resources, and do an admission control and packet scheduling. Unfortunately, the HaRTES Switch, despite having all these features, does not support a standard protocol. In this document is then presented the work that was developed for the integration of the SRP protocol in the HaRTES Switch

Tolerância a falhas em sistemas de comunicação de tempo-real flexíveis

Nas últimas décadas, os sistemas embutidos distribuídos, têm sido usados em variados domínios de aplicação, desde o controlo de processos industriais até ao controlo de aviões e automóveis, sendo expectável que esta tendência se mantenha e até se intensifique durante os próximos anos. Os requisitos de confiabilidade de algumas destas aplicações são extremamente importantes, visto que o não cumprimento de serviços de uma forma previsível e pontual pode causar graves danos económicos ou até pôr em risco vidas humanas. A adopção das melhores práticas de projecto no desenvolvimento destes sistemas não elimina, por si só, a ocorrência de falhas causadas pelo comportamento não determinístico do ambiente onde o sistema embutido distribuído operará. Desta forma, é necessário incluir mecanismos de tolerância a falhas que impeçam que eventuais falhas possam comprometer todo o sistema. Contudo, para serem eficazes, os mecanismos de tolerância a falhas necessitam ter conhecimento a priori do comportamento correcto do sistema de modo a poderem ser capazes de distinguir os modos correctos de funcionamento dos incorrectos. Tradicionalmente, quando se projectam mecanismos de tolerância a falhas, o conhecimento a priori significa que todos os possíveis modos de funcionamento são conhecidos na fase de projecto, não os podendo adaptar nem fazer evoluir durante a operação do sistema. Como consequência, os sistemas projectados de acordo com este princípio ou são completamente estáticos ou permitem apenas um pequeno número de modos de operação. Contudo, é desejável que os sistemas disponham de alguma flexibilidade de modo a suportarem a evolução dos requisitos durante a fase de operação, simplificar a manutenção e reparação, bem como melhorar a eficiência usando apenas os recursos do sistema que são efectivamente necessários em cada instante. Além disto, esta eficiência pode ter um impacto positivo no custo do sistema, em virtude deste poder disponibilizar mais funcionalidades com o mesmo custo ou a mesma funcionalidade a um menor custo. Porém, flexibilidade e confiabilidade têm sido encarados como conceitos conflituais. Isto deve-se ao facto de flexibilidade implicar a capacidade de permitir a evolução dos requisitos que, por sua vez, podem levar a cenários de operação imprevisíveis e possivelmente inseguros. Desta fora, é comummente aceite que apenas um sistema completamente estático pode ser tornado confiável, o que significa que todos os aspectos operacionais têm de ser completamente definidos durante a fase de projecto. Num sentido lato, esta constatação é verdadeira. Contudo, se os modos como o sistema se adapta a requisitos evolutivos puderem ser restringidos e controlados, então talvez seja possível garantir a confiabilidade permanente apesar das alterações aos requisitos durante a fase de operação. A tese suportada por esta dissertação defende que é possível flexibilizar um sistema, dentro de limites bem definidos, sem comprometer a sua confiabilidade e propõe alguns mecanismos que permitem a construção de sistemas de segurança crítica baseados no protocolo Controller Area Network (CAN). Mais concretamente, o foco principal deste trabalho incide sobre o protocolo Flexible Time-Triggered CAN (FTT-CAN), que foi especialmente desenvolvido para disponibilizar um grande nível de flexibilidade operacional combinando, não só as vantagens dos paradigmas de transmissão de mensagens baseados em eventos e em tempo, mas também a flexibilidade associada ao escalonamento dinâmico do tráfego cuja transmissão é despoletada apenas pela evolução do tempo. Este facto condiciona e torna mais complexo o desenvolvimento de mecanismos de tolerância a falhas para FTT-CAN do que para outros protocolos como por exemplo, TTCAN ou FlexRay, nos quais existe um conhecimento estático, antecipado e comum a todos os nodos, do escalonamento de mensagens cuja transmissão é despoletada pela evolução do tempo. Contudo, e apesar desta complexidade adicional, este trabalho demonstra que é possível construir mecanismos de tolerância a falhas para FTT-CAN preservando a sua flexibilidade operacional. É também defendido nesta dissertação que um sistema baseado no protocolo FTT-CAN e equipado com os mecanismos de tolerância a falhas propostos é passível de ser usado em aplicações de segurança crítica. Esta afirmação é suportada, no âmbito do protocolo FTT-CAN, através da definição de uma arquitectura tolerante a falhas integrando nodos com modos de falha tipo falha-silêncio e nodos mestre replicados. Os vários problemas resultantes da replicação dos nodos mestre são, também eles, analisados e várias soluções são propostas para os obviar. Concretamente, é proposto um protocolo que garante a consistência das estruturas de dados replicadas a quando da sua actualização e um outro protocolo que permite a transferência dessas estruturas de dados para um nodo mestre que se encontre não sincronizado com os restantes depois de inicializado ou reinicializado de modo assíncrono. Além disto, esta dissertação também discute o projecto de nodos FTT-CAN que exibam um modo de falha do tipo falha-silêncio e propõe duas soluções baseadas em componentes de hardware localizados no interface de rede de cada nodo, para resolver este problema. Uma das soluções propostas baseiase em bus guardians que permitem a imposição de comportamento falhasilêncio nos nodos escravos e suportam o escalonamento dinâmico de tráfego na rede. A outra solução baseia-se num interface de rede que arbitra o acesso de dois microprocessadores ao barramento. Este interface permite que a replicação interna de um nodo seja efectuada de forma transparente e assegura um comportamento falha-silêncio quer no domínio temporal quer no domínio do valor ao permitir transmissões do nodo apenas quando ambas as réplicas coincidam no conteúdo das mensagens e nos instantes de transmissão. Esta última solução está mais adaptada para ser usada nos nodos mestre, contudo também poderá ser usada nos nodos escravo, sempre que tal se revele fundamental.Distributed embedded systems (DES) have been widely used in the last few decades in several application fields, ranging from industrial process control to avionics and automotive systems. In fact, it is expectable that this trend will continue over the years to come. In some of these application domains the dependability requirements are of utmost importance since failing to provide services in a timely and predictable manner may cause important economic losses or even put human life in risk. The adoption of the best practices in the design of distributed embedded systems does not fully avoid the occurrence of faults, arising from the nondeterministic behavior of the environment where each particular DES operates. Thus, fault-tolerance mechanisms need to be included in the DES to prevent possible faults leading to system failure. To be effective, fault-tolerance mechanisms require an a priori knowledge of the correct system behavior to be capable of distinguishing them from the erroneous ones. Traditionally, when designing fault-tolerance mechanisms, the a priori knowledge means that all possible operational modes are known at system design time and cannot adapt nor evolve during runtime. As a consequence, systems designed according to this principle are either fully static or allow a small number of operational modes only. Flexibility, however, is a desired property in a system in order to support evolving requirements, simplify maintenance and repair, and improve the efficiency in using system resources by using only the resources that are effectively required at each instant. This efficiency might impact positively on the system cost because with the same resources one can add more functionality or one can offer the same functionality with fewer resources. However, flexibility and dependability are often regarded as conflicting concepts. This is so because flexibility implies the ability to deal with evolving requirements that, in turn, can lead to unpredictable and possibly unsafe operating scenarios. Therefore, it is commonly accepted that only a fully static system can be made dependable, meaning that all operating conditions are completely defined at pre-runtime. In the broad sense and assuming unbounded flexibility this assessment is true, but if one restricts and controls the ways the system could adapt to evolving requirements, then it might be possible to enforce continuous dependability. This thesis claims that it is possible to provide a bounded degree of flexibility without compromising dependability and proposes some mechanisms to build safety-critical systems based on the Controller Area Network (CAN). In particular, the main focus of this work is the Flexible Time-Triggered CAN protocol (FTT-CAN), which was specifically developed to provide such high level of operational flexibility, not only combining the advantages of time- and event-triggered paradigms but also providing flexibility to the time-triggered traffic. This fact makes the development of fault-tolerant mechanisms more complex in FTT-CAN than in other protocols, such as TTCAN or FlexRay, in which there is a priori static common knowledge of the time-triggered message schedule shared by all nodes. Nevertheless, as it is demonstrated in this work, it is possible to build fault-tolerant mechanisms for FTT-CAN that preserve its high level of operational flexibility, particularly concerning the time-triggered traffic. With such mechanisms it is argued that FTT-CAN is suitable for safetycritical applications, too. This claim was validated in the scope of the FTT-CAN protocol by presenting a fault-tolerant system architecture with replicated masters and fail-silent nodes. The specific problems and mechanisms related with master replication, particularly a protocol to enforce consistency during updates of replicated data structures and another protocol to transfer these data structures to an unsynchronized node upon asynchronous startup or restart, are also addressed. Moreover, this thesis also discusses the implementations of fail-silence in FTTCAN nodes and proposes two solutions, both based on hardware components that are attached to the node network interface. One solution relies on bus guardians that allow enforcing fail-silence in the time domain. These bus guardians are adapted to support dynamic traffic scheduling and are fit for use in FTT-CAN slave nodes, only. The other solution relies on a special network interface, with duplicated microprocessor interface, that supports internal replication of the node, transparently. In this case, fail-silence can be assured both in the time and value domain since transmissions are carried out only if both internal nodes agree on the transmission instant and message contents. This solution is well adapted for use in the masters but it can also be used, if desired, in slave nodes

Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaOs sistemas distribuídos embarcados (Distributed Embedded Systems – DES) têm sido usados ao longo dos últimos anos em muitos domínios de aplicação, da robótica, ao controlo de processos industriais passando pela aviónica e pelas aplicações veiculares, esperando-se que esta tendência continue nos próximos anos. A confiança no funcionamento é uma propriedade importante nestes domínios de aplicação, visto que os serviços têm de ser executados em tempo útil e de forma previsível, caso contrário, podem ocorrer danos económicos ou a vida de seres humanos poderá ser posta em causa. Na fase de projecto destes sistemas é impossível prever todos os cenários de falhas devido ao não determinismo do ambiente envolvente, sendo necessária a inclusão de mecanismos de tolerância a falhas. Adicionalmente, algumas destas aplicações requerem muita largura de banda, que também poderá ser usada para a evolução dos sistemas, adicionandolhes novas funcionalidades. A flexibilidade de um sistema é uma propriedade importante, pois permite a sua adaptação às condições e requisitos envolventes, contribuindo também para a simplicidade de manutenção e reparação. Adicionalmente, nos sistemas embarcados, a flexibilidade também é importante por potenciar uma melhor utilização dos, muitas vezes escassos, recursos existentes. Uma forma evidente de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas dos sistemas embarcados distribuídos é a replicação dos barramentos do sistema. Algumas soluções existentes, quer comerciais quer académicas, propõem a replicação dos barramentos para aumento da largura de banda ou para aumento da tolerância a falhas. No entanto e quase invariavelmente, o propósito é apenas um, sendo raras as soluções que disponibilizam uma maior largura de banda e um aumento da tolerância a falhas. Um destes raros exemplos é o FlexRay, com a limitação de apenas ser permitido o uso de dois barramentos. Esta tese apresentada e discute uma proposta para usar a replicação de barramentos de uma forma flexível com o objectivo duplo de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas. A flexibilidade dos protocolos propostos também permite a gestão dinâmica da topologia da rede, sendo o número de barramentos apenas limitado pelo hardware/software. As propostas desta tese foram validadas recorrendo ao barramento de campo CAN – Controller Area Network, escolhido devido à sua grande implantação no mercado. Mais especificamente, as soluções propostas foram implementadas e validadas usando um paradigma que combina flexibilidade com comunicações event-triggered e time-triggered: o FTT – Flexible Time- Triggered. No entanto, uma generalização para CAN nativo é também apresentada e discutida. A inclusão de mecanismos de replicação do barramento impõe a alteração dos antigos protocolos de replicação e substituição do nó mestre, bem como a definição de novos protocolos para esta finalidade. Este trabalho tira partido da arquitectura centralizada e da replicação do nó mestre para suportar de forma eficiente e flexível a replicação de barramentos. Em caso de ocorrência de uma falta num barramento (ou barramentos) que poderia provocar uma falha no sistema, os protocolos e componentes propostos nesta tese fazem com que o sistema reaja, mudando para um modo de funcionamento degradado. As mensagens que estavam a ser transmitidas nos barramentos onde ocorreu a falta são reencaminhadas para os outros barramentos. A replicação do nó mestre baseia-se numa estratégia líder-seguidores (leaderfollowers), onde o líder (leader) controla todo o sistema enquanto os seguidores (followers) servem como nós de reserva. Se um erro ocorrer no nó líder, um dos nós seguidores passará a controlar o sistema de uma forma transparente e mantendo as mesmas funcionalidades. As propostas desta tese foram também generalizadas para CAN nativo, tendo sido para tal propostos dois componentes adicionais. É, desta forma possível ter as mesmas capacidades de tolerância a falhas ao nível dos barramentos juntamente com a gestão dinâmica da topologia de rede. Todas as propostas desta tese foram implementadas e avaliadas. Uma implementação inicial, apenas com um barramento foi avaliada recorrendo a uma aplicação real, uma equipa de futebol robótico onde o protocolo FTT-CAN foi usado no controlo de movimento e da odometria. A avaliação do sistema com múltiplos barramentos foi feita numa plataforma de teste em laboratório. Para tal foi desenvolvido um sistema de injecção de faltas que permite impor faltas nos barramentos e nos nós mestre, e um sistema de medida de atrasos destinado a medir o tempo de resposta após a ocorrência de uma falta.Distributed embedded systems (DES) have been widely used in the last few decades in several application domains, from robotics, industrial process control, avionics and automotive. In fact, it is expectable that this trend will continue in the next years. In some of these application fields the dependability requirements are very important since the fail to provide services in a timely and predictable manner may cause important economic losses or even put humans in risk. In the design phase it is impossible to predict all the possible scenarios of faults, due to the non deterministic behaviour of the surrounding environment. In that way, the fault tolerance mechanisms must be included in the distributed embedded system to prevent failures occurrence. Also, many application domains require a high available bandwidth to perform the desired functions, or to turn possible the scaling with the addition of new features. The flexibility of a system also plays an important role, since it improves the capability to adapt to the surrounding world, and to the simplicity of the repair and maintenance. The flexibility improves the efficiency of all the system by providing a way to efficiently manage the available resources. This is very important in embedded systems due to the limited resources often available. A natural way to improve the bandwidth and the fault tolerance in distributed systems is to use replicated buses. Commercial and academic solutions propose the use of replicated fieldbuses for a single purpose only, either to improve the fault tolerance or to improve the available bandwidth, being the first the most common. One illustrative exception is FlexRay where the bus replica can be used to improve the bandwidth of the overall system, besides enabling redundant communications. However, only one bus replica can be used. In this thesis, a flexible bus replication scheme to improve both the dependability and the throughput of fieldbuses is presented and studied. It can be applied to any number of replicated buses, provided the required hardware support is available. The flexible use of the replicated buses can achieve an also flexible management of the network topology. This claim has been validated using the Controller Area Network (CAN) fieldbus, which has been chosen because it is widely spread in millions of systems. In fact, the proposed solution uses a paradigm that combines flexibility, time and event triggered communication, that is the Flexible Time- Triggered over CAN network (FTT-CAN). However, a generalization to native CAN is also presented and studied. The inclusion of bus replication in FTT-CAN imposes not only new mechanisms but also changes of the mechanisms associated with the master replication, which has been already studied in previous research work. In this work, these mechanisms were combined and take advantage of the centralized architecture and of the redundant masters to support an efficient and flexible bus replication. When considering the system operation, if a fault in the bus (or buses) occurs, and the consequent error leads to a system failure, the system reacts, switching to a degraded mode, where the message flows that were transmitted in the faulty bus (or buses) change to the non-faulty ones. The central node replication uses a leader-follower strategy, where the leader controls the system while the followers serve as backups. If an error occurs in the leader, a backup will take the system control maintaining the system with the same functionalities. The system has been generalized for native CAN, using two additional components that provide the same fault tolerance capabilities at the bus level, and also enable the dynamic management of the network topology. All the referred proposals were implemented and assessed in the scope of this work. The single bus version of FTT-CAN was assessed using a real application, a robotic soccer team, which has obtained excellent results in international competitions. There, the FTT-CAN based embedded system has been applied in the low level control, where, mainly it is responsible for the motion control and odometry. For the case of the multiple buses system, the assessment was performed in a laboratory test bed. For this, a fault injector was developed in order to impose faults in the buses and in the central nodes. To measure the time reaction of the system, a special hardware has been developed: a delay measurement system. It is able to measure delays between two important time marks for posterior offline analysis of the obtained values

Proceedings Work-In-Progress Session of the 13th Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium

The Work-In-Progress session of the 13th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS\u2707) presents papers describing contributions both to state of the art and state of the practice in the broad field of real-time and embedded systems. The 17 accepted papers were selected from 19 submissions. This proceedings is also available as Washington University in St. Louis Technical Report WUCSE-2007-17, at http://www.cse.seas.wustl.edu/Research/FileDownload.asp?733. Special thanks go to the General Chairs – Steve Goddard and Steve Liu and Program Chairs - Scott Brandt and Frank Mueller for their support and guidance