Ordonnancement des flux avioniques AFDX sur un support 802.11e HCCA

Session Réseaux de capteursInternational audienceNos activités de recherches visent à mettre en place un réseau hybride IEEE802.11e/AFDX (Avionics Full DupleX switched Ethernet) pour des applications de maintenance au sol des avions. Notre objectif est de véhiculer un trafic de type AFDX sur un support de communication sans fil IEEE 802.11e et de ce fait garantir les exigences des trafics AFDX en terme de QoS (Quality of Service). Ces exigences de l'AFDX sont liées : à une garantie de bande passante, à une latence de bout à bout et une gigue bornée. Dans ce papier, nous présentons un ordonnanceur HCCA appelé AWS (AFDX Wireless Scheduler) qui a pour objectif d'ordonnancer les diffé- rents flux AFDX, tout en garantissant leurs exigences. AWS améliore les performances de l'ordonnanceur de référence (RS, Reference Scheduler) en se basant sur : la classification des VLs, la définition de plusieurs états de chaque VL, un ordonnancement individuel des VLs, la définition d'une politique de gestion de la retrans- mission des trames perdues et le contrôle de la gigue. Nous proposons aussi deux méthodes (OAWS, Optimized AWS et AWS-RB, AWS with Release Bandwidth) pour une meilleure gestion de la bande passante libre dans chaque TXOP

Systèmes communicants sans fil pour les réseaux avioniques embarqués

L'objet de nos travaux porte sur la proposition d'une architecture hybride IEEE 802.11e/AFDX (Avionics Full Duplex switched ethernet) et sur l'étude des techniques permettant l'interconnexion d'un réseau avionique filaire AFDX et d'un réseau sans fil IEEE802.11e pour des applications de maintenance au sol. Ces techniques devront être capables de satisfaire les exigences temporelles des flux AFDX, en particulier la latence de bout à bout et la gigue. Pour des raisons de déterminisme d'accès au médium, nous avons focalisé nos travaux sur l'adaption de la méthode d'accès HCCA (HCF Controlled Channel Access) pour supporter les exigences de QoS du réseau AFDX. L'utilisation de la technologie IEEE 802.11e et de sa méthode d'accès HCCA n'est pas sans contrainte. L'HCCA est plus orientées pour transporter des flux multimédias tels que la voix et la vidéo, ces derniers n'imposant pas les mêmes contraintes temporelles ni le même niveau d'intégrité des données que les flux AFDX. Pour répondre aux exigences des trafics AFDX (gigue et latence), il est primordial d'améliorer l'HCCA. Nous proposons ainsi une méthode d'accès basée sur l'HCCA appelé AFS-HCCA (AFDX Flows Scheduling with HCCA). Notre méthode implémente deux ordonnanceurs: (1) un ordonnanceur local distribué sur toutes les stations (QSTA) et (2) un ordonnanceur centralisé et contrôlé par le point d'accès (HC). L'ordonnanceur local nommé AWS (AFDX Wireless Scheduler) améliore considérablement celui de référence HCCA, car il sérialise les trames en fonction de leurs contraintes temporelles et intègre une méthode de retransmission contrôlée. AWS n'agit pas sur l'optimisation de la bande passante, d'où notre proposition de deux stratégies supplémentaires: Optimized Solution et Released Bandwidth Solution. Les résultats obtenus par l'ordonnancement AWS distribué et ses stratégies de gestion de la bande passante montrent de réelles nouvelles performances par rapport à la norme HCCA. Cependant, il est indispensable d'ordonnancer de façon centralisée l'ensemble de ces flux pour garantir un accès optimal au médium. Nous avons proposé deux méthodes d'ordonnancement hors-ligne : AFBA (Advanced Fixe BandWidth Allocation) et VBA (Variable Bandwidth Allocation). AFBA alloue des bandes passantes fixes calculées à priori pour satisfaire les exigences temporelles de tous les flux AFDX. VBA quant à lui est basé sur une allocation de bandes passantes variables calculée en fonction des arrivées des trames dans les files d'attente de chaque station. Les ordonnanceurs locaux et centraux avec leurs variantes ont été modélisés et simulés avec OPNET à partir de différents scénarios réels de flux AFDX. Les résultats montrent que l'HCCA de référence de la norme 802.11e n'est pas adapté aux fortes contraintes temporelles de l'AFDX. Nos contributions en termes de sérialisation des flux et d'optimisation de la bande passante réduisent les pertes de trames de 93%, même dans un pire cas avec un réseau chargé et un taux d'erreur binaire élevé

Analyse et dimensionnement de réseaux hétérogènes embarqués

Avec l’apparition des nouvelles technologies de communication, le nombre des systèmes embarqués avionique et automobile est en constante augmentation. La gestion des communications entre ces systèmes devient alors de plus en plus complexe à mettre en oeuvre dans un contexte où les contraintes temporelles et environnementales sont très fortes et où le taux d’échanges de messages en augmentation continuelle. L’utilisation optimale des réseaux pour acheminer les données tout en respectant les contraintes temporelles imposées est essentielle du point de vue de la sûreté de fonctionnement. Historiquement, pour répondre aux problématiques d’efficacité et de sûreté, les industriels ont développé une palette de réseaux embarqués dédiés à leurs applications cibles (CAN, LIN, . . . ). Ces réseaux présentaient des débits relativement faibles à un moment où un besoin croissant en bande passante se faisait ressentir. le choix d’utiliser le concept de composants dit ‘sur étagères’ (off the shelf COTS) permettait alors de pallier à ce nouveau besoin. Dans un souci de conservation des capacités des réseaux à garantir les contraintes temporelles imposées par les systèmes embarqués temps réel, les industriels ont dû adapter ce concept de composants sur étagères aux systèmes embarqués. L’intérêt de l’utilisation de ces composants est un gain non négligeable en bande passante et en poids pour des coûts de développements relativement faibles. L’introduction de ces composants nouveaux s’est faite de telle sorte que leur impact sur les standards préexistants et les systèmes connectés soit minimal. C’est ainsi que les réseaux dit ‘hétérogènes’ ont vu leur apparition. Ces réseaux constituent une hybridation entre les technologies embarquées historiques et les composants sur étagère. Ils consistent en des réseaux d’extrémité utilisant des technologies éprouvées (telles que le CAN) interconnectés via des passerelles à un réseau fédérateur (backbone) utilisant des composants sur étagères. Dès lors, le défi majeur à relever lors de l’utilisation d’un réseau fédérateur est de respecter les contraintes temporelles des applications sollicitant les différents réseaux. L’objectif est mis à mal sur les points d’interconnexion des réseaux hétérogènes (Passerelles). Ainsi l’approche principale utilisée pour le passage d’un réseau à un autre est l’encapsulation de trames. Pour atteindre l’optimalité de performance de cette technique plusieurs paramètres sont à prendre en compte tels que le nombre de trames à encapsuler, les ordonnancements utilisés, le coût en bande passante ainsi que l’impact sur les distributions de délais (gigue). Dans l’optique de préservation des performances des réseaux, l’objet de nos travaux porte sur l’étude, la comparaison et la proposition de techniques permettant l’interconnexion de réseaux hétérogènes temps réels à la fois pour des applications à faibles et à fortes contraintes temporelles. Après un état de l’art sur les réseaux temps réel, nous spécifions différentes techniques d’interconnexion de réseaux hétérogènes, puis, nous présentons une étude de cas basée sur une architecture réseau interconnectant différents bus CAN via un réseau fédérateur sans fil Wi-Fi. L’étude que nous avons menée montre, par le biais de différentes simulations, que cette architecture réseau est une bonne candidate pour la transmission de flux à contraintes temporelles faibles. Une architecture réseau interconnectant différents bus CAN via un réseau fédérateur Ethernet commuté est ensuite considérée dans une seconde étude de cas ciblant les applications à fortes contraintes temporelles. Dans un premier temps, nous prenons en compte le cas d’un réseau fédérateur Ethernet-PQSE et, dans un second temps, le cas d’Ethernet-AVB. Cette étude nous permet de montrer l’impact des différentes techniques d’interconnexion sur les délais des flux du réseau