Enhanced ethernet switching technology for adaptive hard real-time applications: Tecnologia de comutação ethernet melhorada para aplicações adaptativas e críticas de tempo-real

Abstract

Os Sistemas Embarcados Distribuídos (SEDs) estão, hoje em dia, muito difundidos em vastas áreas, desde a automação industrial, a automóveis, aviões, até à distribuição de energia e protecção do meio ambiente. Estes sistemas são, essencialmente, caracterizados pela integração distribuída de aplicações embarcadas, autónomas mas cooperantes, explorando potenciais vantagens em termos de modularidade, facilidade de manutenção, custos de instalação, tolerância a falhas, entre outros. Contudo, o ambiente operacional onde se inserem estes tipos de sistemas pode impor restrições temporais rigorosas, exigindo que o sistema de comunicação subjacente consiga transmitir mensagens com garantias temporais. Contudo, os SEDs apresentam uma crescente complexidade, uma vez que integram subsistemas cada vez mais heterogéneos, quer ao nível do tráfego gerado, quer dos seus requisitos temporais. Em particular, estes subsistemas operam de forma esporádica, isto é, suportam mudanças operacionais de acordo com estímulos exteriores. Estes subsistemas também se reconfiguram dinamicamente de acordo com a actualização dos seus requisitos e, ainda, têm lidar com um número variável de solicitações de outros subsistemas. Assim sendo, o nível de utilização de recursos pode variar e, desta forma, as políticas de alocação estática tornam-se muito ineficientes. Consequentemente, é necessário um sistema de comunicação capaz de suportar com eficácia reconfigurações e adaptações dinâmicas. A tecnologia Ethernet comutada tem vindo a emergir como uma solução sólida para fornecer comunicações de tempo-real no âmbito dos SEDs, como comprovado pelo número de protocolos de tempo-real que foram desenvolvidos na última década. No entanto, nenhum dos protocolos existentes reúne as características necessárias para fornecer uma eficiente utilização da largura de banda e, simultaneamente, para respeitar os requisitos impostos pelos SEDs. Nomeadamente, a capacidade para controlar e policiar tráfego de forma robusta, conjugada com suporte à reconfiguração e adaptação dinâmica, não comprometendo as garantias de tempo-real. Esta dissertação defende a tese de que, pelo melhoramento dos comutadores Ethernet para disponibilizarem mecanismos de reconfiguração e isolamento de tráfego, é possível suportar aplicações de tempo-real críticas, que são adaptáveis ao ambiente onde estão inseridas.Em particular, é mostrado que as técnicas de projecto, baseadas em componentes e apoiadas no escalonamento hierárquico de servidores de tráfego, podem ser integradas nos comutadores Ethernet para alcançar as propriedades desejadas. Como suporte, é fornecida, também, uma solução para instanciar uma hierarquia reconfigurável de servidores de tráfego dentro do comutador, bem como a análise adequada ao modelo de escalonamento. Esta última fornece um limite superior para o tempo de resposta que os pacotes podem sofrer dentro dos servidores de tráfego, com base unicamente no conhecimento de um dado servidor e na hierarquia actual, isto é, sem o conhecimento das especifidades do tráfego dentro dos outros servidores. Finalmente, no âmbito do projecto HaRTES foi construído um protótipo do comutador Ethernet, o qual é baseado no paradigma “Flexible Time-Triggered”, que permite uma junção flexível de uma fase síncrona para o tráfego controlado pelo comutador e uma fase assíncrona que implementa a estrutura hierárquica de servidores referidos anteriormente. Além disso, as várias experiências práticas realizadas permitiram validar as propriedades desejadas e, consequentemente, a tese que fundamenta esta dissertação.

Distributed Embedded Systems are nowadays pervasive and used in a wide range of areas from industrial automation, to automotive systems, avionics, energy distribution and environment protection. They are characterized by the integration of intelligent, cooperative and embedded applications, exploiting potential advantages in terms of composability, maintainability, installation cost, fault-tolerance among others. Still their operational environment may impose stringent timeliness and predictability constraints, pushing the capacity of the underlying communication system to provide timely message delivery. With their growing complexity, integration and heterogeneity, current DES often include subsystems that operate sporadically, or that endure operational mode changes according to environment stimuli, or that reconfigure dynamically according to on-line requirements update, or finally that need handling a variable number of requests from other subsystems or environment. Therefore, the level of resources utilization may vary dynamically and thus, static resource allocation policies become very inefficient. Consequently such emerging applications require on-line changes to the communication requirements. Switched Ethernet technology has been emerging as a solid solution to ensure the stringent timeliness constrains exhibited by DES, as proven by the number of real-time Ethernet protocols that have been developed in the last decade. However, none gathers the needed features to provide efficient bandwidth usage while meeting DES requirements, particularly the capacity to control and police traffic in a robust way, while supporting on-line reconfiguration and adaptation according to environment stimuli without compromising the real-time guarantees. This dissertation supports the thesis that by enhancing Ethernet switches to provide reconfiguration and traffic isolation mechanisms it is possible to support the emerging hard real-time applications that are adaptable and reactive to the environment.In particular, we show that component-based design techniques, supported on server-based hierarchical traffic scheduling can be applied within Ethernet switches to achieve those desired properties. We provide a means to instantiate a reconfigurable hierarchy of traffic servers within a switch and we present an analysis that is tuned to this scheduling model. The analysis provides us with an upper bound to the response time that packets within a server can suffer, based solely on the knowledge of the traffic in that server and of the current servers hierarchy, i.e., without knowledge of the traffic specifics within the other servers. Finally, a prototype of the switch was built within the HaRTES project, which is based on the Flexible Time-Triggered paradigm and allows a flexible merging of a synchronous phase for traffic polled by the switch and an asynchronous phase that implements the hierarchical server framework referred before. Several practical experiments allowed validating the desired properties and, consequently, the thesis.