Techn. University, Institut für Kommunikationstechnik, Diss.--Hamburg-Harburg, 2007.

Zugl.: Hamburg, Harburg, Techn. Univ., Diss., 2007

ITC/USA 2013 Conference Proceedings / The Forty-Ninth Annual International Telemetering Conference and Technical Exhibition / October 21-24, 2013 / Bally's Hotel & Convention Center, Las Vegas, NV / In modern aircraft there is a proliferation of avionics buses. Some of these buses use industry wide standards such as ARINC 429 or AFDX while others are based on proprietary protocols. For many of the newer bus types there can be thousands of parameters on each bus. In a distributed data acquisition system the flight test engineer needs to record all of the data from each bus and monitor selected parameters in real time. There are numerous different approaches to acquiring, transmitting and recording data from avionics buses. In modern FTI there is also a proliferation of standards for recording and transmission including IRIG 106 Chapter 10, iNET and IENA. In this paper some common approaches to bus monitoring are compared and contrasted for popular buses such as ARINC 429, AFDX and Time Triggered Protocol. For each bus type the best approach is selected for reliable acquisition, speed of configuration, low latency telemetry and compact recording which is optimized for playback.

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. / The object of our works concerns at the suggestion of hybrid architecture IEEE 802.11e / AFDX (Avionics Full Duplex switched ethernet) and the study of techniques allowing the interconnection of a wired avionic network AFDX and a wireless network IEEE802.11e for applications of maintenance the ground

ITC/USA 2008 Conference Proceedings / The Forty-Fourth Annual International Telemetering Conference and Technical Exhibition / October 27-30, 2008 / Town and Country Resort & Convention Center, San Diego, California / ARINC 664 presents the designers of data acquisition systems challenges not previously seen on other aircraft avionic buses. Among the biggest challenges are providing the test instrumentation system with the capacity to process two redundant Ethernet segments that may be carrying packet traffic at near wire-line speed. To achieve this level of performance, the hardware and software must not only perform mundane operations, like time stamping and simple virtual link MAC filtering, but also need to implement core ARINC 664 functions like redundancy management and integrity checking. Furthermore, other TCP/IP operations, such as IP header checksum, must also be offloaded to the hardware in order to maintain real-time operation. This paper describes the implementation path followed by TTC during its development of an ARINC 664 network monitor used in a large commercial aircraft flight test program.

Les réseaux Ethernet commuté full-duplex constituent des solutions intéressantes pour des applications industrielles. Mais le non-déterminisme d’un commutateur IEEE 802.1d, fait que l’analyse pire cas de délai de flux critiques est encore un problème ouvert. Plusieurs méthodes ont été proposées pour obtenir des bornes supérieures des délais de communication sur des réseaux Ethernet commuté full duplex temps réels, faisant l’hypothèse que le trafic en entrée du réseau peut être borné. Le problème principal reste le pessimisme introduit par la méthode de calcul de cette borne supérieure du délai. Ces méthodes considèrent que tous les flux transmis sur le réseau sont indépendants. Ce qui est vrai pour les flux émis par des nœuds sources différents car il n’existe pas, dans le cas général, d’horloge globale permettant de synchroniser les flux. Mais pour les flux émis par un même nœud source, il est possible de faire l’hypothèse d’une synchronisation locale de ces flux. Une telle hypothèse permet de bâtir un modèle plus précis des flux et en conséquence élimine des scénarios impossibles qui augmentent le pessimisme du calcul. Le sujet principal de cette thèse est d’étudier comment des flux périodiques synchronisés par des offsets peuvent être gérés dans le calcul des bornes supérieures des délais sur un réseau Ethernet commuté temps-réel. Dans un premier temps, il s’agit de présenter l’impact des contraintes d’offsets sur le calcul des bornes supérieures des délais de bout en bout. Il s’agit ensuite de présenter comment intégrer ces contraintes d’offsets dans les approches de calcul basées sur le Network Calculus et la méthode des Trajectoires. Une méthode Calcul Réseau modifiée et une méthode Trajectoires modifiée sont alors développées et les performances obtenues sont comparées. Le réseau avionique AFDX (Avionics Full-Duplex Switched Ethernet) est pris comme exemple d’un réseau Ethernet commuté full-duplex. Une configuration AFDX industrielle avec un millier de flux est présentée. Cette configuration industrielle est alors évaluée à l’aide des deux approches, selon un choix d’allocation d’offsets donné. De plus, différents algorithmes d’allocation des offsets sont testés sur cette configuration industrielle, pour trouver un algorithme d’allocation quasi-optimal. Une analyse de pessimisme des bornes supérieures calculées est alors proposée. Cette analyse est basée sur l’approche des trajectoires (rendue optimiste) qui permet de calculer une sous-approximation du délai pire-cas. La différence entre la borne supérieure du délai (calculée par une méthode donnée) et la sous-approximation du délai pire cas donne une borne supérieure du pessimisme de la méthode. Cette analyse fournit des résultats intéressants sur le pessimisme des approches Calcul Réseau et méthode des Trajectoires. La dernière partie de la thèse porte sur une architecture de réseau temps réel hétérogène obtenue par connexion de réseaux CAN via des ponts sur un réseau fédérateur de type Ethernet commuté. Deux approches, une basée sur les composants et l’autre sur les Trajectoires sont proposées pour permettre une analyse des délais pire-cas sur un tel réseau. La capacité de calcul d’une borne supérieure des délais pire-cas dans le contexte d’une architecture hétérogène est intéressante pour les domaines industriels. / Full-duplex switched Ethernet is a promising candidate for interconnecting real-time industrial applications. But due to IEEE 802.1d indeterminism, the worst-case delay analysis of critical flows supported by such a network is still an open problem. Several methods have been proposed for upper-bounding communication delays on a real-time switched Ethernet network, assuming that the incoming traffic can be upper bounded. The main problem remaining is to assess the tightness, i.e. the pessimism, of the method calculating this upper bound on the communication delay. These methods consider that all flows transmitted over the network are independent. This is true for flows emitted by different source nodes since, in general, there is no global clock synchronizing them. But the flows emitted by the same source node are local synchronized. Such an assumption helps to build a more precise flow model that eliminates some impossible communication scenarios which lead to a pessimistic delay upper bounds. The core of this thesis is to study how local periodic flows synchronized with offsets can be handled when computing delay upper-bounds on a real-time switched Ethernet. In a first step, the impact of these offsets on the delay upper-bound computation is illustrated. Then, the integration of offsets in the Network Calculus and the Trajectory approaches is introduced. Therefore, a modified Network Calculus approach and a modified Trajectory approach are developed whose performances are compared on an Avionics Full-DupleX switched Ethernet (AFDX) industrial configuration with one thousand of flows. It has been shown that, in the context of this AFDX configuration, the Trajectory approach leads to slightly tighter end-to-end delay upper bounds than the ones of the Network Calculus approach. But offsets of local flows have to be chosen. Different offset assignment algorithms are then investigated on the AFDX industrial configuration. A near-optimal assignment can be exhibited. Next, a pessimism analysis of the computed upper-bounds is proposed. This analysis is based on the Trajectory approach (made optimistic) which computes an under-estimation of the worst-case delay. The difference between the upper-bound (computed by a given method) and the under-estimation of the worst-case delay gives an upper-bound of the pessimism of the method. This analysis gives interesting comparison results on the Network Calculus and the Trajectory approaches pessimism. The last part of the thesis, deals with a real-time heterogeneous network architecture where CAN buses are interconnected through a switched Ethernet backbone using dedicated bridges. Two approaches, the component-based approach and the Trajectory approach, are developed to conduct a worst-case delay analysis for such a network. Clearly, the ability to compute end-to-end delays upper-bounds in the context of heterogeneous network architecture is promising for industrial domains.

L'objectif principal de cette thèse est de proposer les méthodes permettant d'obtenir le délai de transmission de bout en bout pire cas exact d'un réseau AFDX. Actuellement, seules des bornes supérieures pessimistes peuvent être calculées en utilisant les approches de type Calcul Réseau ou par Trajectoires. Pour cet objectif, différentes approches et outils existent et ont été analysées dans le contexte de cette thèse. Cette analyse a mis en évidence le besoin de nouvelles approches. Dans un premier temps, la vérification de modèle a été explorée. Les automates temporisés et les outils de verification ayant fait leur preuve dans le domaine temps réel ont été utilisés. Ensuite, une technique de simulation exhaustive a été utilisée pour obtenir les délais de communication pire cas exacts. Pour ce faire, des méthodes de réduction de séquences ont été définies et un outil a été développé. Ces méthodes ont été appliquées à une configuration réelle du réseau AFDX, nous permettant ainsi de valider notre travail sur une configuration de taille industrielle du réseau AFDX telle que celle embarquée à bord des avions Airbus A380. The main objective of this thesis is to provide methodologies for finding exact worst case end to end communication delays of AFDX network. Presently, only pessimistic upper bounds of these delays can be calculated by using Network Calculus and Trajectory approach. To achieve this goal, different existing tools and approaches have been analyzed in the context of this thesis. Based on this analysis, it is deemed necessary to develop new approaches and algorithms. First, Model checking with existing well established real time model checking tools are explored, using timed automata. Then, exhaustive simulation technique is used with newly developed algorithms and their software implementation in order to find exact worst case communication delays of AFDX network. All this research work has been applied on real life implementation of AFDX network, allowing us to validate our research work on industrial scale configuration of AFDX network such as used on Airbus A380 aircraft. / The main objective of this thesis is to provide methodologies for finding exact worst case end to end communication delays of AFDX network. Presently, only pessimistic upper bounds of these delays can be calculated by using Network Calculus and Trajectory approach. To achieve this goal, different existing tools and approaches have been analyzed in the context of this thesis. Based on this analysis, it is deemed necessary to develop new approaches and algorithms. First, Model checking with existing well established real time model checking tools are explored, using timed automata. Then, exhaustive simulation technique is used with newly developed algorithms and their software implementation in order to find exact worst case communication delays of AFDX network. All this research work has been applied on real life implementation of AFDX network, allowing us to validate our research work on industrial scale configuration of AFDX network such as used on Airbus A380 aircraft.

Depuis quelques années, les réseaux de communication déployés au sein d’aéronefs sont toujours plus vastes et plus complexes. Ces bus numériques multiplexent différents flux de données afin de limiter les câbles, mais cela induit des retards sur les transmissions. Les travaux présentés ici portent sur une approche statistique de l’évaluation des performances du pire temps de traversée d’un réseau embarqué de type AFDX. Il s’agit de définir une nouvelle approche visant à associer à un calcul pire cas, une distribution des temps de transmission des messages, en vue notamment de permettre d’apprécier le pessimisme du calcul pire cas. Les méthodes décrites sont applicables dans le cadre plus général d’un ensemble de tâches. Nous proposons trois contributions dans ces travaux. Tout d’abord, une méthode originaled’évaluation de la distribution de la durée de traversée d’un commutateur AFDX qui s’appuie sur une énumération symbolique des scénarios d’ordonnancement dans la file d’attente. Puis, un algorithme efficace de calcul des délais subis par des messages/tâches périodiques lorsque les déphasages initiaux sont connus. Les délais calculés sont exacts ainsi que la distribution de probabilité. Enfin, le calcul de la distribution des délais subis par des messages/tâches dans un cadregénéral, à l’aide d’une méthode statistique de type Monte Carlo. Des décalages initiaux sont tirés aléatoirement et permettent de nourrir l’algorithme précédent. / Since a few years, communication networks deployed in aircrafts are ever larger and ever more complex. These digital buses multiplex different data streams in order to save cabling, but this causes delays on transmissions.The work presented here is based on a statistical evaluation of the worst case transit time of an embedded network of the AFDX type. It consists in associating a worst case computation with a complete distribution of the transit times in order, among other things, to appreciatethe pessimism of worst case approaches. The methods are also applicable to a set of realtime tasks. This work contributes three major results. First, an original method to evaluate the distribution of the transit time through an AFDX switch, based on the symbolic enumeration of the scheduling scenarios in the waiting queues of the switch. Second, an effective algorithm to compute the delays encountered by periodic messages/ tasks when initial offsets are known. Delays thus computed are exact and so is the delays distribution. Third, the computation of the delays distribution encountered by messages/tasks in a general case using a Monte Carlo based statistical method. Initial offsets are randomised and feed the preceding algorithm.

Les systèmes avioniques sont soumis à de fortes contraintes de criticité et de temps réel. Pour certifier de telssystèmes, il est nécessaire de calculer une borne supérieure du délai de bout en bout de chaque message transmisdans le réseau. Cette thèse se focalise principalement sur l'étude des systèmes avioniques civils utilisant le réseauAFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet), qui a été par exemple introduit dans l'architecture de l'AirbusA380.Dans ce contexte, nous nous sommes focalisés sur le calcul des délais de bout en bout des messages circulant dansle réseau. Parmi les méthodes existantes, nous nous sommes intéressés à la méthode des trajectoires proposéedans la littérature. Cette méthode permet de calculer des bornes supérieures du temps de traversée des messagesdans les noeuds d'un réseau AFDX. Notre première contribution a été de démontrer que cette méthode peutcalculer des délais bout en bout optimistes. Cette méthode ne peut donc pas sans modification être utilisée pourvalider les délais de bout en bout des messages transmis dans l'AFDX. Malgré l'identification des problèmes ausein de la méthode des trajectoires, il ne nous apparaît pas simple d'apporter une correction aux problèmes misen évidence. Dans un deuxième temps, nous avons proposé une nouvelle approche pour calculer ces délais quirepose sur la caractérisation pire cas du trafic que peut rencontrer un paquet, sur chaque noeud. / Avionics systems are subject to hard real-time constrainst and criticality. To certify these systems, it is neccessaryto compute the upper bound of the end-to-end delay of each message transmitted in the network. In this thesis,we mainly focus on civils avionics systems that use AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet) networkand that has been introduced in the Airbus A380 architecture.In this context, we focus in the computation of the end-to-end delays of messages crossing the network. Amongthe existing methods, we interested in the trajectory approach precedently proposed by researchers. The goal ofthis method is to compute end-to-end delay upper bounds of messages in the nodes of AFDX network. As a firstcontribution, we prove that the end-to-end delays computed by this method can be optimistic. This means thatwithout any modification, it cannot be used to validate transmission end-to-end delays for the AFDX. Despitethe identification of these optimistic problems in the trajectory approach, a solution to remove them seems notto be simple from our point of view. Hence, as a second contribution, we propose a new approach to computethese delays based on the characterization of the worst-case traffic encountered by a packet on each crossednode.

ÅF Digital Solutions AB are looking to replace their current legacy system for audio transmissions within aircrafts with a new system based on Ethernet. They also want the system to be as closely matching the current Audio Integration System as possible as well as preferably using commercial off the shelf components. The issue evaluated in this thesis is whether it is feasible to port the legacy protocol over to an Ethernet based solution with as few modifications as possible, what performance requirements are present on the Ethernet solution as well as what remaining capacity is available in the network. Furthermore is ÅF Digital Solutions AB interested in what avionics related Ethernet based protocols and standards are already present on the market.The work is conducted in two tracks - one track of experimental measurements and statistical analysis of the latency present in the proposed solutions and one track with a survey regarding the integration of the present Audio Integration System protocol into the propesed Ethernet based solutions. The study finds two standards present on the market: Avionics Full-Duplex Ethernet (AFDX) and Time-Triggered Ethernet (TTEthernet). Two prototype implementations are built, one implementing AFDX and one custom built upon Ethernet and UDP. The latency of these are measured and found to be largely similar at ideal conditions. Ethernet is found to be more flexible, whilst AFDX allow for interoperation with other manufacturers and TTEthernet facilitates strict timing requirements at the cost of specialised hardware. The bandwidth utilisation of AFDX at ideal conditions is found to be 0.980% per stream and for the Ethernet solution 0.979% per stream.It is proposed that ÅF Digital Solutions AB pursue a custom Ethernet based solution unless they require interoperability on the same network with other manufacturers as a custom solution with full control over the network allows the largest flexibility in regards to timings and load. If interoperability is required is AFDX proposed instead as it is a standardised protocol and without the, for ÅF Digital Solutions AB, unnecessary overhead of TTEthernet. / Åf Digital Solutions AB vill undersöka möjligheterna att byta sitt nuvarande legacysystem för kommunikation inom flygplan till ett Ethernet-baserat system. Detta på ett sätt som håller implementationen så nära deras nuvarande Audio Integration System som möjligt. Problemet som undersöks är huruvida det är rimligt att flytta legacyprotokollet till Ethernet med så lite modifikationer som möjligt. Utöver detta vill ÅF Digital Solutions AB veta prestandakraven som blir på en Ethernet-lösning samt hur mycket resterande kapacitet som eventuellt finns kvar för framtida användning. Vidare vill de veta vilka standarder som redan finns på marknaden.Arbetet genomförs genom två spår - ett med experimentella mätningar och statistisk analys och en med ett case-study av integrationen av Audio Integration System och Ethernet. Undersökningen finner två standarder på marknaden relaterat till avionik; Avionics Full-Duplex Ethernet (AFDX) samt Time-Triggered Ethernet (TTEthernet).Två prototyper byggs, en baserad på AFDX och en baserad på UDP och Ethernet. Latencyn för dessa två mäts och finns vara snarlika vid deras respektive ideala scenarion. Ethernet finns vara mer flexibelt, AFDX merinteroperabel och TTEthernet mer lämplig vid strikta tidskrav. Bandbreddsutnyttjandet för AFDX finns vara 0.980% vid ideala förhållanden och 0.979% för Ethernetvid ideala förhållanden.Det rekommenderas att ÅF Digital Solutions använder sig av en egenutformad Ethernetbaserad lösning om de inte har krav på interoperabilitet ty det ger mer flexibilietet gällande tidskrav, protokoll och dataflödet.