Implementação de uma RedBox ethernet para aplicações de tempo-real

Abstract

Os sistemas embutidos distribuídos, devido à sua distribuição, são usados em várias áreas tais como a automação industrial, a indústria automóvel ou equipamentos médicos. Este tipo de sistemas necessita de redes dedicadas para que as várias partes do sistema comuniquem entre elas. Recentemente, vários protocolos baseados na tecnologia Ethernet têm vindo a ser desenvolvidos para esse tipo de sistemas. Esses protocolos aproveitam algumas das vantagens da Ethernet tais como uma grande largura de banda, baixo custo de produção e instalação. Alguns destes sistemas embutidos distribuídos são considerados crítico, o que significa que uma falha do sistema pode provocar resultados catastróficos, e.g. danificar equipamentos ou provocar danos em pessoas. Este tipo de sistemas necessita de grandes níveis de fiabilidade. Nesse sentido são usadas técnicas de tolerância a faltas baseadas no uso de redundância na rede e nos nós que a constituem. Foram desenvolvidos vários mecanismos de redundância sobre Ethernet. Citando alguns deles o Rapid Spanning Tree Protocol (RTSP), High-Availability Seamless redundancy protocol (HSR), Parallel Redundancy Protocol (PRP) ou Rapid Ring Recovery (RRR). O Rapid Ring Recovery é uma proposta recente. Este protocolo tem como principal vantagem o seu tempo de recuperação, uma vez que consegue recuperar de falhas nas ligações em menos de 1 milissegundo. A sua utilização está limitada a uma topologia em anel, permitindo acrescentar nós à rede sem grande complexidade. Mas ao só suportar redes em anel limita a sua utilização. Esta implementação usa a tecnologia FPGA e foi validada experimentalmente. Os resultados experimentais demonstram ser possível implementar uma RedBox, que consiste numa interface para uma rede Ethernet a funcionar com Rapid Ring Recovery, usando uma FPGA. A implementação deste equipamento foi validada experimentalmente e foi possível verificar que é possível reagir a erros nas ligações em menos de 1ms, tal como esperado.

Networked Embedded Systems (NES) are used in a broad range of application domains, from automation and industrial machinery to vehicles, medical equipment. Due to their distributed nature and environment constraints, NES often depend on dedicated networks. Recently, several Ethernet-based protocols have been developed for those systems, taking advantage of some of Ethernet’s appealing attributes, e.g. large bandwidth, cheap silicon and high availability, while removing or reducing the sources of non-determinism arising from its MAC protocol and/or from the current switched architecture. Many NES are intrinsically safety-critical, meaning that a system failure may have catastrophic results, e.g., damage to expensive equipment and/or the environment or endanger human lives. This type of systems requires high levels of reliability and integrity, which can be achieved using fault tolerance techniques, such as nodes and network redundancy. Different Ethernet redundancy mechanisms have been developed, such as Rapid Spanning Tree Protocol (RTSP), High-Availability Seamless redundancy protocol (HSR), Parallel Redundancy Protocol (PRP) or Rapid Ring Recovery (RRR). RRR is a recently proposed protocol, based on the use of multiple virtual rings, that is fully distributed, allows recovery times in the order of 1ms, is easily implementable and does not require a duplicated infrastructure. This paper presents the implementation of a redundancy box (RedBox) implementing the RRR protocol. The RedBox offers a standard Ethernet interface to the nodes locally attached to it, providing a seamless integration of the redundancy architecture. Furthermore, the RedBox allows the direct formation of the network, without depending on switches, therefore simplifying the network deployment and maintenance. The RedBox was implemented using FPGA technology and experimentally validated. The experimental results obtained show the feasibility and correction of the approach, being possible to react to errors in less than 1ms, as expected.