Switch ethernet distribuído para sistemas embutidos

Abstract

O uso de sistemas embutidos está cada vez mais generalizado em diversas áreas nomeadamente na automação industrial, aviónica, automóvel e produção de energia. Estes sistemas são utilizados para controlo de processos e gestão de aplicações, como na segurança das pessoas e bens materiais, que frequentemente apresentam requisitos temporais estritos no que envolve a execução das tarefas para as quais estão destinados. É usual que muitos dos sistemas embutidos estejam inseridos numa rede distribuída, constituída assim por vários subsistemas inteligentes e autónomos que cooperam entre si e partilham uma linha de comunicação que garante a conclusão dos objectivos especificados. Vários protocolos de comunicação foram desenvolvidos de modo a proporcionarem ás redes distribuídas garantias em termos de determinismo, latência e previsibilidade. O propósito inicial da Ethernet era a sua utilização em redes de dados em sistemas domésticos e empresariais onde os requisitos temporais não são críticos. Actualmente esta tecnologia tem vindo a ser utilizada como uma solução em sistemas embutidos distribuídos, nomeadamente através da utilização de redes comutadas - Switched Ethernet Networks. De facto, a flexibilidade e velocidade desta tecnologia foram fortes motivações para que na última década tivessem sido desenvolvidos vários protocolos que permitem a sua utilização em aplicações críticas de tempo real. É no entanto necessário um ponto de equilíbrio entre desempenho, custo e fiabilidade para aplicação da Ethernet nestes sistemas. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de uma infraestrutura que permite a utilização da Ethernet em sistemas embutidos de tempo real para tráfego periódico e esporádico suportado numa rede em anel. Os nodos da rede foram desenvolvidos em módulos que são inseridos no kernel de sistemas Linux. É especificada a rede desenvolvida, a estrutura interna dos nodos presentes na mesma como também os mecanismos aplicados para cumprimentos de tempo real periódico e utilização eficiente da largura de banda. Com o objectivo de validar a implementação e avaliar o seu desempenho, foram realizadas diversas experiências, cujos resultados se encontram também presentes nesta dissertação.

Nowadays, the use of embedded systems has become ubiquitous in various industrial fields including automation, avionics, automotive and energy production industries. These systems are commonly used for process control and application management that need strict time requirements in order to execute properly and ensure people's and material safety. Usually due to structural constraints and efficient resources management many embedded systems are implemented in a distributed network composed by several smart and autonomous subsystems with different functionalities that cooperate together to achieve a common goal. The Ethernet was initially developed to be used in household and business data networks where the time constraint are not critical. Currently this technology has been largely used as a solution in embebbed distributed systems, namely by using Switched Ethernet. In fact communication speed and technology flexibility motivated the development of several protocols to be used in real time applications in the past decades. However the use of Ethernet technology in these systems requires a compromise between performance, cost and reliability. This dissertation presents the development of a infrastructure that uses Ethernet in real time embebbed systems to support periodic and sporadic traffic in a ring topology based network. The network nodes were designed in modules that are included in the kernel of the Linux system. It also specie’s the network developed, the internal structure of the nodes and all the procedures used to assure the periodic real time communications and the efficient use of the bandwidth. In order to validate and evaluate the implementation several tests were conducted and are also presented in this document.