Performance analysis of a Master/Slave switched Ethernet for military embedded applications

Current military communication network is a generation old and is no longer effective in meeting the emerging requirements imposed by the next generation military embedded applications. A new communication network based upon Full Duplex Switched Ethernet is proposed in this paper to overcome these limitations. To allow existing military subsystems to be easily supported by a Switched Ethernet network, our proposal consists in keeping their current centralized communication scheme by using an optimized master/slave transmission control on Switched Ethernet thanks to the Flexible Time Triggered (FTT) paradigm. Our main objective is to assess the performance of such a proposal and estimate the quality of service we can expect in terms of latency. Using the Network Calculus formalism, schedulability analysis are determined. These analysis are illustrated in the case of a realistic military embedded application extracted from a real military aircraft network, to highlight the proposal's ability to support the required time constrained communications

Centralized vs distributed communication scheme on switched ethernet for embedded military applications

Current military communication network is a generation old and is no longer effective in meeting the emerging requirements imposed by the future embedded military applications. Therefore, a new interconnection system is needed to overcome these limitations. Two new communication networks based upon Full Duplex Switched Ethernet are presented herein in this aim. The first one uses a distributed communication scheme where equipments can emit their data simultaneously, which clearly improves system’s throughput and flexibility. However, migrating all existing applications into a compliant form could be an expensive step. To avoid this process, the second proposal consists in keeping the current centralized communication scheme. Our objective is to assess and compare the real time guarantees that each proposal can offer. The paper includes the functional description of each proposed communication network and a military avionic application to highlight proposals ability to support the required time constrained communications

Real-Time Ethernet Solutions supporting Ring topology from an Avionics Perspective: a Short Survey

To cope with the increasing quantity of wires, thus the weight and integration costs in avionics, an implementation of a new avionics communication architecture with less cables will clearly improve the efficiency of aircraft, while reducing the deployment costs. Furthermore, such a communication ar- chitecture shall be efficient to meet the design requirements, in terms of predictability and availability, for the least amount of money. Therefore, the AFDX compatibility, a minimized (re)- configuration effort and costs are among the most important issues to guarantee. On the other hand, the recent research effort towards defining new communication solutions, to guarantee a high availability level with limited cabling complexity for real- time applications, has renewed the interest in ring topology. Therefore, the main objective of this paper is benchmarking the most relevant solutions, based on Ethernet technology and supporting ring topology, vs avionics requirements, and we particularly focus on the main Performance Indicators, specified in IEC 61784-2, of each one of them

Aircraft Communication Systems - Topologies, Protocols, and Vulnerabilities

Aviation systems are facing fierce competition driven by private investments promoting the development of new avionics suites (AS). With these new AS comes the need for a faster and larger bandwidth requirement for next generation communication systems. The legacy military (MIL) standard 1553 communication system (e.g., 1Mbps) can no longer keep up with the surge in bandwidth demand requirements. The new communication systems need to be designed with a system architecture background that can enable simplistic integration with Information Technology (IT) controlled groundnetworks, military, and commercial payloads. To facilitate a seamless integration with communication architecture, the current system is highly dependent on the Ethernet based IEEE 802.3 standard. Using a standard protocol cuts down on cost and shortens time for accessibility. However, it introduces several other new problems that developers are actively working through. These problems include a loss of redundancy, lower reliability, and cyber-security vulnerabilities. The cyber-security vulnerabilities that are introduced by IEEE 802.3 Ethernet are one of the larger concerns to military defense programs, and other aviation companies. Impacts of these new communication protocols are quantified and presented as cost, redundancy, topology, and vulnerability. This review paper introduces four communication protocols that can replace heritage systems. These protocols are presented and compared against each other in redundancy, reliability, topology and security vulnerabilities in their application on aircraft, space launch vehicles and satellites

Ethernet - a survey on its fields of application

During the last decades, Ethernet progressively became the most widely used local area networking (LAN) technology. Apart from LAN installations, Ethernet became also attractive for many other fields of application, ranging from industry to avionics, telecommunication, and multimedia. The expanded application of this technology is mainly due to its significant assets like reduced cost, backward-compatibility, flexibility, and expandability. However, this new trend raises some problems concerning the services of the protocol and the requirements for each application. Therefore, specific adaptations prove essential to integrate this communication technology in each field of application. Our primary objective is to show how Ethernet has been enhanced to comply with the specific requirements of several application fields, particularly in transport, embedded and multimedia contexts. The paper first describes the common Ethernet LAN technology and highlights its main features. It reviews the most important specific Ethernet versions with respect to each application field’s requirements. Finally, we compare these different fields of application and we particularly focus on the fundamental concepts and the quality of service capabilities of each proposal

IIoT Based Efficiency Optimization in Logistics Applications

The Industrial Internet of Thing (IIoT) approach to an Industry plant design, devises a comprehensive interconnection of the system components, from sections up to single devices, in order to get a general and punctual understanding of the process. Such an intelligent network, mostly based on Ethernet basic layers, when properly conceived, should be able to add relevant value to the plant operation. This paper shows how, within the IIoT frame topics, the plant efficiency can be addressed and bring relevant improvement. The reason is that variables directly related to the energy consumption, such as current, electric power, actuator and motor torque, speed, etc., can be timely and easily monitored in the entire plant, since they are already conveyed on the network, due to real time control and diagnostics purpose. A power consumption diagram can be derived, and give hints on how to optimize operations, based on some efficiency index. The paper, after a general discussion, proves it with practical examples based on a Gantry robot, driven in an EtherCAT based automation network, and on the stacker cranes of an automated warehouse

Minimum Cycle Time Analysis of Ethernet-Based Real-Time Protocols

The Ethernet standard is a standard solution for interconnecting industrial devices despite its intrinsic drawbacks, particularly its nondeterministic medium access method. Many Ethernet-based commercial solutions available (COTS - Components Off the Shelves) on the market guarantee time performance. This means that user selection of one particular solution is a critical decision, but the choice often depends more on political strategizing with an industrial device manufacturer than on the intrinsic performance of Ethernet-based interfaces. The objective of this paper is to provide a formal behavioural analysis of each Ethernet-based solution, in order to facilitate comparison

Industriella realtidsethernet för maskinautomation

During the last two decades, Ethernet has become the de facto standard in office level networks. There are several motivations for using Ethernet also in control networks, including the abundance of low cost components, the high data transfer rates and the possibility of vertical integration with other networks of the organization. The first in­dustrial implementation of Ethernet was for communication between different devices on the controller level. Modern real-time industrial Ethernet technologies, like the ones studied in this thesis, have brought Ethernet also down to the field level. The thesis is divided into two sections. The first section contains presentations of the seven most used real-time industrial Ethernet technologies. The second section contains a more thorough study of EtherCAT, the one of the seven technologies that promise the best real-time performance. The main goals are to provide a review of the different tech­nologies available and to study the suitability of EtherCAT in the control networks of machine automation systems. In the first section, different real-time industrial Ethernet technologies are divided into three groups based upon how much they differ from standard office Ethernet. It is found that the technologies built entirely upon standard office Ethernet do in them­selves not promise any real-time capabilities. Their biggest weakness is the slow pro­cessing of the software communication protocol stack. The technologies that use stan­dard Ethernet hardware but dedicated software are good for soft real-time applications, but the lack of accurate synchronization between the devices makes them unsuitable for applications demanding hard real-time behavior. The technologies that use both special hardware and software offer superior real-time performance but are not as open to inte­gration with standard office Ethernet networks as the other solutions. The second section of the study contains three parts. In the first of them, a small test system is built to examine the suitability of EtherCAT for the closed loop control of a variable alternate current (AC) drive. In the second part, the availability of open source initiatives concerning EtherCAT is explored. In the third part, the possibility for master device redundancy in EtherCAT is investigated. The study indicates that EtherCAT achieves the short communication cycle times and accurate synchronization promised. Short cycle times are indeed needed as direct communication between slave devices is not supported in EtherCAT and thus the efficiency of the communication is almost totally dependent on the cycle time. EtherCAT networks are relatively easy to configure and maintain as there are comprehensive software suites available, both as commercial pro­grams and open source initiatives and for a variety of different operating systems. The least developed feature of EtherCAT proved to be the support for master device redun­dancy. Solutions for master redundancy are available, but more as concepts than as ready-to-use features. /Kir10Under de senaste två decennierna har Ethernet blivit något av en de facto standard för nätverk i kontorsmiljö. Det finns flera motiv för att använda Ethernet även i kontroll­nätverk, bland andra god tillgång av billiga komponenter, hög dataöverföringshastighet och möjligheter för vertikal integration med nätverk på andra nivåer av organisationen. Den första industriella tillämpningen av Ethernet var för kommunikation mellan olika kontrollenheter. Moderna realtidslösningar för industriella Ethernet-nätverk har fört Ethernet också ner till fältnivå. Det här diplomarbetet är uppdelat i två delar. Den första delen innehåller presen­tationer av de sju mest använda realtidslösningarna för industriella Ethernet-nätverk. Den andra delen innehåller en mer djupgående studie av EtherCAT, den av de sju lösningarna som utlovar bäst realtidsprestanda. De mest centrala målen är att ge en över­syn av de olika realtidslösningarna som finns tillgängliga för industriella Ethernet-nätverk samt att undersöka hur lämpligt EtherCAT är som kontrollnätverk för maskin­automation. Inledningsvis delas de olika lösningarna in i tre grupper på bas av hur mycket de skiljer sig från vanliga kontorsnätverk. Det visar sig att de lösningar som helt bygger på samma teknik som används i kontorsnätverk i sig själva inte kan utlova någon som helst realtidskapacitet. Deras största svaghet är den resurskrävande behandlingen av de kommunikationsprotokoll som används i kontorsnätverk. Det är dock möjligt att konstruera lösningar med relativt bra realtidsbeteende utgående från de här lösningarna bara man väljer rätt Ethernet-komponenter och tillräckligt kraftfulla mikroprocessorer i nätverksstationerna. De lösningar som använder vanlig Ethernet-maskinvara men egen programvara är bra för mjuka realtidssystem, men de brister i synkroniseringen mellan enheterna och är sålunda inte tillräckligt deterministiska för hårda realtidssystem. De lösningar som använder både egen hårdvara och egen mjukvara erbjuder överlägsen realtidsprestanda som öppnar nya möjligheter för effektivare reglering av olika system. Å andra sidan är de här lösningarna inte lika öppna för integration med vanliga kontorsnätverk som de lösningar som har mer likheter med vanliga kontorsnätverk. Den andra delen av studien inriktar sig på EtherCAT. EtherCAT är ett så kallat master/slave-nätverk, det vill säga att en av stationerna i nätverket styr kommuni­kationen och de andra i allmänhet inte själva kan initiera någon form av kommuni­kation. Den mest centrala funktionsprincipen för EtherCAT är att de olika slav-stationerna logiskt är ordnade i en kedja och att alla meddelanden passerar genom alla slav-stationer och blir också lästa och skrivna till av flera slav-stationer. I relativt små nätverk betyder det här att det bara skickas ett meddelande per kommunikationscykel. Meddelandena hanteras av speciell hårdvara i slav-stationerna och detta sker så snabbt att meddelandena bara blir fördröjda med bråkdelen av en mikrosekund. Master-stationen, däremot, är oftast konstruerad utan speciell hårdvara och består vanligen av en PC med realtidsoperativsystem och speciell mjukvara, ett så kallad EtherCAT master-program. Det att mastern består av standard Ethernet hårdvara betyder att den har relativt dålig timing-kapacitet. Därför är de olika slav-enheterna i ett EtherCAT nätverk i stället vanligen synkroniserade efter den första slav-enheten i kedjan. En synkroniseringsexakthet på mycket bättre än en mikrosekund utlovas och den kan användas både till att åstadkomma reaktioner på en exakt given tidpunkt och exakta tidsangivelser för när ett processvärde är uppmätt. Studien av EtherCAT är indelad i tre avsnitt. I det första av dem byggs ett litet testsystem för att undersöka hur lämpligt EtherCAT är som kontrollnätverk för återkopplad styrning av en frekvensomriktare. Den viktigaste enskilda egenskapen som krävs av ett kommunikationsnätverk för den här tillämpningen är att frekvensomriktaren ofta och snabbt får korrekt information om drivaxelns position. Det är också viktigt att positionsangivelserna är ackompanjerade av exakt information om när de är uppmätta. Studien visar att det är möjligt att uppnå båda de här egenskaperna med hjälp av EtherCAT. Det att direkt kommunikation mellan slav-stationerna i ett EtherCAT-nätverk inte understöds medför visserligen att överföringen av positions­datan tar två kommunikationscykler i anspråk, men eftersom det är möjligt att uppnå cykel­tider så korta som 133 µs torde prestandan i alla fall räcka för de flesta system. Det här medför dock att cykeltiderna måste hållas låga även om systemet i övrigt inte skulle kräva det. I det andra avsnittet undersöks tillgången på öppen källkodsbaserad programvara för EtherCAT. Det krävs ingen licens för att utveckla EtherCAT master-programvara, så det finns en mängd olika program för flera olika operativsystem på marknaden. Ett par av dem är baserade på öppen källkod. Ett av de mest intressanta är EtherLAB från Ingenieurgemeinschaft IgH. Det är i huvudsak utvecklat för Linux och innehåller förutom master-programvaran även mjukvara för diagnostik och för att generera kontrollrutiner från modeller skapade med Matlab/Simulink. I det här avseendet är det till och med kraftfullare än den mest använda kommersiella programvaran för EtherCAT, TwinCAT från Beckhoff Automation, som igen körs under MS Windows. I det tredje avsnittet granskas möjligheterna att duplicera den enhet som styr ett EtherCAT nätverk, så kallad master-redundans. Studien presenterar en lösning utvecklad av Beckhoff Automation. Det visar sig att detta är en relativt sett dåligt utvecklad egenskap i EtherCAT. Den presenterade metoden medför till exempel att det tar nästan en hel sekund innan reserv-mastern tar över ifall det uppstår fel i den primära, dessutom är funktionen för synkronisering av klockorna i slav-enheterna inte tillgänglig när den här metoden används. Studien presenterar även en idé om en annan möjlig lösning för att åstadkomma master-redundans i EtherCAT nätverk. Fördelen med den är att den skulle göra funktionen för att synkronisera klockorna i slav-enheterna möjlig även fast systemet innehåller master-redundans. Båda de presenterade lösningarna är mer koncept än funktioner färdiga att använda, detta gäller i synnerhet den andra lösningen, som ännu bara är i idéstadiet. Bristen på väl fungerande lösningar för master-redundans gör att EtherCAT system bör konstrueras så att korta stopp i kom­munikationen inte kan skada systemet i sig själv, intilliggande system eller människor som är i kontakt med systemet