Software-Defined Real-Time Mesh Networking: Protocol and Experimentation Method

International audienceOur research address the problem of network resource allocation for real-time communications in mesh networks. We are studying the combination of online flow admission control and pathfinding algorithms in an SDN-like controller.We propose a Software-Defined Real-time Networking protocol that allows a dynamic and incremental allocation of network resource in a mixed-critical real-time m esh network context. We also propose a method to ensure the dependability of the network, considering that transmission errors and node failures can happen. Finally, our research includes the study of a new way of experimenting on embedded networks, by making use of both an in-silicon platform and a simulator. We designed an original framework to ease conducting such experiments

Réseaux maillés dynamiques pour applications temps réel à criticités multiples : problématiques et analyse

National audienceDans le cadre d'une thèse CIFRE chez Thales Research & Technology et au LORIA, débutée en 2015, nous étudions le chargement dynamique et la dégradation contrôlée d'un ensemble applicatif distribué, à criticités multiples, sur un réseau maillé. Il y a aujourd'hui une demande croissante en termes de systèmes temps réel distribués capables de supporter des ensembles applicatifs à criticités multiples. Dans les contextes de l'avionique ou du spatial par exemple, les contraintes de sûreté et de temps réel se superposent à celles liées aux coûts, à la consommation énergétique ou encore à l'espace disponible au sein du véhicule. Nous envisageons une nouvelle approche basée sur un réseau maillé de calculateurs, qui soit à la fois résilient et auto-reconfigurable de façon dynamique. Nos travaux s'intéressent au comportement de ce réseau ainsi qu'à sa modélisation, afin de démontrer sa viabilité pour supporter des ensembles applicatifs embarqués temps réel à criticité mixte. Dans ce document, nous proposons un aperçu des technologies d'interconnexion existantes et les confrontons a nos besoins, afin d'analyser les problématiques apportées par notre projet

A Symbiotic Approach to Designing Cross-Layer QoS in Embedded Real-Time Systems

International audienceNowadays there is an increasing need for embedded systems to support intensive computing while maintaining traditional hard real-time and fault-tolerant properties. Extending the principle of multi-core systems, we are exploring the use of distributed processing units interconnected via a high performance mesh network as a way of supporting distributed real-time applications. Fault-tolerance can then be ensured through dynamic allocation of both computing and communication resources. We postulate that enhancing QoS (Quality of Service) for real-time applications entails the development of a cross-layer support of high-level requirements, thus requiring a deep knowledge of the underlying networks. In this paper, we propose a new simulation/emulation/experimentation framework, ERICA, for designing such a feature. ERICA integrates both a network simulator and an actual hardware network to allow implementation and evaluation of different QoS-guaranteeing mechanisms. It also supports real-software-in-the-loop, i.e. running of real applications and middleware over these networks. Each component can evolve separately or together in a symbiotic manner, also making teamwork more flexible. We present in more detail our discrete-event simulation approach and the in-silicon implementation with which we cross-check our solutions in order to bring real performance aspects to our work. We also discuss the challenges of running real-software-in-the-loop in a real-time context, i.e. how to bridge it with a network simulator, and how to deal with time consistency

SDRN : Software-Defined Real-Time Mesh Networking

Dans le cadre d'une thèse CIFRE conjointe entre le Loria et Thales Research & Technology, nous étudions un nouveau type de réseau maillé embarqué temps réel. La mise en réseau maillé des composants des systèmes embarqués concilie les contraintes temps réel des applications avec leurs besoins croissants en termes de bande passante et collaboration. La pluralité des chemins de communication résulte en de meilleures propriétés de flexibilité, résilience, passage à l'échelle et répartition de charge. Cependant, ceci nécessite d'être capable d'allouer dynamiquement les ressources réseau en fonction des besoins des applications. Notre approche consiste à permettre aux applications de faire des requêtes de flux temps réel à l'exécution, puis allouer dynamiquement les ressources correspondant aux besoins en communication. A cette fin, nous avons conçu l'architecture Software-Defined Real-time Networking (SDRN). Elle aborde en même temps les problématiques d'isolation des flux, analyse temporelle, routage, tolérance aux fautes, ainsi que les interfaces avec les couches applicatives et les couches basses du système. Elle est également modulaire, c'est-à-dire que certaines parties de l'architecture peuvent être remplacées sans remettre en cause les autres modules. Enfin, elle a été validée par une implémentation sur plateforme matérielle RapidIO. Ce document restitue les travaux de recherche sur SDRN. Il s'intéresse également à la problématique de l'expérimentation sur les réseaux embarqués et propose une approche originale d'expérimentation, ERICA. Cette approche facilite la mise en place d'expérimentations mêlant aspects réels et simulés. ERICA génère les fichiers nécessaires à la mise en place du scénario défini dans une interface graphique haut niveau. Elle permet ainsi au chercheur d'appliquer une réflexion haut niveau sur ses expérimentations et de réutiliser les couches communes à plusieurs scénarios d'expérimentationWe are studying a new kind of embedded real-time mesh network. Mesh networking of the components of embedded systems reconciles their real-time constraints with the new application needs in terms of bandwidth and tight interactions. The plurality of communication paths results in increased flexibility, resilience, scalability and load balancing characteristics. However, this requires the ability to dynamically allocate network resource with respect to the needs of running applications. Our approach is to allow applications to make online real-time flow resource requests and consequently allot network resources according to these requirements. To this end, we have designed the Software-Defined Real-time Networking (SDRN) architecture. It addresses flow isolation, timing analysis, routing, fault tolerance, as well as the interfaces with the application layer and the lower layers of the system. It also allows any module to be replaced without interfering with the remainder of the architecture. It has been validated via an implementation on an in-silicon RapidIO platform. This thesis describes our research on the SDRN architecture. It also proposes an original method for experimenting on embedded networks, ERICA. The ERICA framework automatically generates all what is needed to conduct a network experiment in a selected environment (such as a simulator or a testbed), with both physical and simulated aspects. Hence, it allows the researcher to perform a high-level thinking of the whole experimentation process and to reuse applications and experiment designs from an experimentation stack to anothe

SDRN : réseau maillé temps réel dynamique défini par logiciel

We are studying a new kind of embedded real-time mesh network. Mesh networking of the components of embedded systems reconciles their real-time constraints with the new application needs in terms of bandwidth and tight interactions. The plurality of communication paths results in increased flexibility, resilience, scalability and load balancing characteristics. However, this requires the ability to dynamically allocate network resource with respect to the needs of running applications. Our approach is to allow applications to make online real-time flow resource requests and consequently allot network resources according to these requirements. To this end, we have designed the Software-Defined Real-time Networking (SDRN) architecture. It addresses flow isolation, timing analysis, routing, fault tolerance, as well as the interfaces with the application layer and the lower layers of the system. It also allows any module to be replaced without interfering with the remainder of the architecture. It has been validated via an implementation on an in-silicon RapidIO platform. This thesis describes our research on the SDRN architecture. It also proposes an original method for experimenting on embedded networks, ERICA. The ERICA framework automatically generates all what is needed to conduct a network experiment in a selected environment (such as a simulator or a testbed), with both physical and simulated aspects. Hence, it allows the researcher to perform a high-level thinking of the whole experimentation process and to reuse applications and experiment designs from an experimentation stack to anotherDans le cadre d'une thèse CIFRE conjointe entre le Loria et Thales Research & Technology, nous étudions un nouveau type de réseau maillé embarqué temps réel. La mise en réseau maillé des composants des systèmes embarqués concilie les contraintes temps réel des applications avec leurs besoins croissants en termes de bande passante et collaboration. La pluralité des chemins de communication résulte en de meilleures propriétés de flexibilité, résilience, passage à l'échelle et répartition de charge. Cependant, ceci nécessite d'être capable d'allouer dynamiquement les ressources réseau en fonction des besoins des applications. Notre approche consiste à permettre aux applications de faire des requêtes de flux temps réel à l'exécution, puis allouer dynamiquement les ressources correspondant aux besoins en communication. A cette fin, nous avons conçu l'architecture Software-Defined Real-time Networking (SDRN). Elle aborde en même temps les problématiques d'isolation des flux, analyse temporelle, routage, tolérance aux fautes, ainsi que les interfaces avec les couches applicatives et les couches basses du système. Elle est également modulaire, c'est-à-dire que certaines parties de l'architecture peuvent être remplacées sans remettre en cause les autres modules. Enfin, elle a été validée par une implémentation sur plateforme matérielle RapidIO. Ce document restitue les travaux de recherche sur SDRN. Il s'intéresse également à la problématique de l'expérimentation sur les réseaux embarqués et propose une approche originale d'expérimentation, ERICA. Cette approche facilite la mise en place d'expérimentations mêlant aspects réels et simulés. ERICA génère les fichiers nécessaires à la mise en place du scénario défini dans une interface graphique haut niveau. Elle permet ainsi au chercheur d'appliquer une réflexion haut niveau sur ses expérimentations et de réutiliser les couches communes à plusieurs scénarios d'expérimentatio

Combining Source and Destination-Tag Routing to Handle Fault Tolerance in Software-Defined Real-Time Mesh Networks

International audienc

A Dynamic Flow Allocation Method for the Design of a Software-Defined Real-Time Mesh Network

International audienceMesh networks provide natural link and node fault tolerance and load balancing characteristics. However, existing solutions for real-time flow allocation seldom utilize those advantages. This paper deals with the real-time flow allocation problem in mesh networks. The objective is to find the suitable path under delay constraint while allowing load balancing. For this purpose, combined online flow admission control and pathfinding algorithms have been developed on an SDN-like controller. At switch level, each output port is ruled by a credit-based weighted round robin, allowing isolation of flows. As a consequence, a freshly admitted flow will not influence existing flows, allowing incremental online admission of new flows. This approach has been applied to a RapidIO mesh network example and compared with the compositional performance analysis method. Numerical results clearly show the benefit of our proposal in terms of complexity and delay bound pessimism