L'augmentation du nombre de systèmes interconnectés et l’expansion des données échangées dans les réseaux avioniques ont contribué à la complexification des architectures de communication. Pour gérer cette évolution, une nouvelle solution basée sur un réseau cœur haut débit, e.g., l'AFDX (Avionics Full DupleX), a été implémentée sur l'A380. Cependant, il reste des réseaux bas débit, e.g, CAN ou A429, utilisés pour certaines fonctions spécifiques. Cette architecture réduit le délai de développement, mais en contrepartie, elle conduit à de l’hétérogénéité et à de nouveaux challenges pour garantir les contraintes temps-réel. Pour résoudre ces challenges, une architecture homogène basé sur l'AFDX pourrait apporter de grands avantages, tels que une facilité de l'installation et maintenance, et une réduction de poids et coûts. Cette architecture homogène doit supporter des applications de criticités mixtes, où coexistent les trafics critiques (SCT), Best-effort (BE) et le trafic AFDX actuel (RC). Pour atteindre ce but, nous commençons par évaluer les avantages et les inconvénients des solutions existantes par rapport aux contraintes avioniques. Cela nous conduit à sélectionner le Burst Limiting Shaper (BLS) (proposé par le groupe IEEE Time Sensitive Networking (TSN)) allié à un ordonnanceur Static Priority non-preemptif. Ainsi, nous identifions quatre contributions principales dans cette thèse. Tout d'abord, nous spécifions un AFDX étendu avec le TSN/BLS. Une analyse préliminaire basée sur de la simulation a donné des résultats encourageants pour poursuivre sur cette voie. En second, nous détaillons une analyse temporelle de l'AFDX étendu, grâce au Network Calculus, pour calculer des bornes maximales des délais pire cas des différents types de trafic, pour prouver le déterminisme du réseau et le respect des contraintes temporelles. Une analyse de performance préliminaire montre l'efficacité de la solution à améliorer les délais de RC, tout en garantissant les contraintes. Cependant, cette analyse a aussi montré certaines limitations du modèle en termes de pessimisme. Notre troisième contribution est par conséquent la réduction de ce pessimisme, grâce à une seconde modélisation de l'AFDX étendu, et à une méthode de paramétrage des variables système. Cette méthode permet d'améliorer les performances de RC tout en garantissant les contraintes temporelles du SCT et RC. Finalement, nous validons notre proposition à travers des études de cas avioniques réalistes pour vérifier son efficacité. Les résultats montrent une forte amélioration des délais de RC ainsi que de l'ordonnançabilité de SCT et RC, en comparaison à l'AFDX actuel et au Deficit Round Robin. / The growing number of interconnected end-systems and the expansion of exchanged data in avionics have led to an increase in complexity of the communication architecture. To cope with this trend, a first communication solution based on a high rate backbone network, i.e., the AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet), has been implemented by Airbus in the A380. Moreover, some low rate data buses, e.g., CAN or ARINC 429, are still used to handle some specific avionics domains. Although this architecture reduces the time to market, it conjointly leads to inherent heterogeneity and new challenges to guarantee the real-time requirements. To handle these emerging issues, a homogeneous avionic communication architecture based the AFDX technology to interconnect different avionics domains may bring significant advantages, such as easier installation and maintenance and reduced weight and costs. Furthermore, this homogeneous communication architecture needs to support mixed-criticality applications, where safety-critical traffic (SCT), current rate constraint AFDX traffic (RC) and best effort traffic (BE) co-exist. To achieve this aim, first, we assess the pros and cons of most relevant existing solutions vs the main avionics requirements, to support mixed-criticality applications on the AFDX network. Afterwards, the Burst Limiting Shaper (BLS) (proposed by IEEE Time Sensitive Networking (TSN) Task group) on top of a Non-Preemptive Static Priority (NP-SP) scheduler has been selected as the most promising solution. Hence, our main contributions in this thesis are fourfold. First, we specify the extended AFDX incorporating the TSN/BLS on top of NP-SP. A preliminary performance analysis based on simulations has been conducted. These first results were encouraging to pursue this proposal. Second, we conduct a timing analysis of the extended AFDX using Network Calculus to compute the delay upper bounds of the different traffic classes and prove the determinism of such a solution. The preliminary performance evaluation has shown the efficiency of the extended AFDX to enhance the RC delay bounds while guaranteeing the constraints. However, they have also highlighted some limitations of the proposed model in terms of pessimism. Third, we introduce a second model of the extended AFDX to enhance the delay bounds tightness. Moreover, we propose a tuning method of TSN/BLS parameters to enhance as much as possible the RC timing performance, while guaranteeing the constraints. Finally, we validate our proposal through representative case studies to assess its efficiency. The results show the enhancements of the RC delay bounds as well as the schedulability level of both SCT and RC traffic, in comparison to the current AFDX and Deficit Round Robin (DRR).

La complexité des architectures de communication avioniques ne cesse de croître avec l’augmentation du nombre des terminaux interconnectés et l’expansion de la quantité des données échangées. Afin de répondre aux besoins émergents en terme de bande passante, latence et modularité, l’architecture de communication avionique actuelle consiste à utiliser le réseau AFDX (Avionics Full DupleX Switched Ethernet) pour connecter les calculateurs et utiliser des bus d’entrée/sortie (par exemple le bus CAN (Controller Area Network)) pour connecter les capteurs et les actionneurs. Les réseaux ainsi formés sont connectés en utilisant des équipements d’interconnexion spécifiques, appelés RDC (Remote Data Concentrators) et standardisé sous la norme ARINC655. Les RDCs sont des passerelles de communication modulaires qui sont reparties dans l’avion afin de gérer l’hétérogénéité entre le réseau cœur AFDX et les bus d’entrée/sortie. Certes, les RDCs permettent d’améliorer la modularité du système avionique et de réduire le coût de sa maintenance; mais, ces équipements sont devenus un des défis majeurs durant la conception de l’architecture avionique afin de garantir les performances requises du système. Les implémentations existantes du RDC effectuent souvent une translation direct des trames et n’implémentent aucun mécanisme de gestion de ressources. Or, une utilisation efficace des ressources est un besoin important dans le contexte avionique afin de faciliter l’évolution du système et l’ajout de nouvelles fonctions. Ainsi, l’objectif de cette thèse est la conception et la validation d’un RDC optimisé implémentant des mécanismes de gestion des ressources afin d’améliorer les performances de l’architecture de communication avionique tout en respectant les contraintes temporelles du système. Afin d’atteindre cet objectif, un RDC pour les architectures réseaux de type CAN-AFDX est conçu, intégrant les fonctions suivantes: (i) groupement des trames appliqué aux flux montants, i.e., flux générés par les capteurs et destinés à l’AFDX, pour minimiser le coût des communication sur l’AFDX; (ii) la régulation des flux descendants, i.e., flux générés par des terminaux AFDX et destinés aux actionneurs, pour réduire les contentions sur le bus CAN. Par ailleurs, notre RDC permet de connecter plusieurs bus CAN à la fois tout en garantissant une isolation entre les flux. Par la suite, afin d’analyser l’impact de ce nouveau RDC sur les performances du système avionique, nous procédons à la modélisation de l’architecture CAN-AFDX, et particulièrement le RDC et ses nouvelles fonctions. Ensuite, nous introduisons une méthode d’analyse temporelle pour calculer des bornes maximales sur les délais de bout en bout et vérifier le respect des contraintes temps-réel. Plusieurs configurations du RDC peuvent répondre aux exigences du système avionique tout en offrant des économies de ressources. Nous procédons donc au paramétrage du RDC afin de minimiser la consommation de bande passante sur l’AFDX tout en respectant les contraintes temporelles. Ce problème d’optimisation est considéré comme NP-complet, et l’introduction des heuristiques adéquates s’est avérée nécessaire afin de trouver la meilleure configuration possible du RDC. Enfin, les performances de ce nouveau RDC sont validées à travers une architecture CAN-AFDX réaliste, avec plusieurs bus CAN et des centaines de flux échangés. Différents niveaux d’utilisation des bus CAN ont été considérés et les résultats obtenus ont montré l’efficacité de notre RDC à améliorer la gestion des ressources du système avionique tout en respectant les contraintes temporelles de communication. En particulier, notre RDC offre une réduction de la bande passante AFDX allant jusqu’à 40% en comparaison avec le RDC actuellement utilisé. / The aim of my thesis is to provide a resources-efficient gateway to connect Input/Output (I/O) CAN buses to a backbone network based on AFDX technology, in modern avionics communication architectures. Currently, the Remote Data Concentrator (RDC) is the main standard for gateways in avionics; and the existing implementations do not integrate any resource management mechanism. To handle these limitations, we design an enhanced CAN-AFDX RDC integrating new functions: (i) Frame Packing (FP) allowing to reduce communication overheads with reference to the currently used "1 to 1" frame conversion strategy; (ii) Hierarchical Traffic Shaping (HTS) to reduce contention on the CAN bus. Furthermore, our proposed RDC allows the connection of multiple I/O CAN buses to AFDX while guaranteeing isolation between different criticality levels, using a software partitioning mechanism. To analyze the performance guarantees offered by our proposed RDC, we considered two metrics: the end-to-end latency and the induced AFDX bandwidth consumption. Furthermore, an optimization process was proposed to achieve an optimal configuration of our proposed RDC, i.e., minimizing the bandwidth utilization while meeting the real-time constraints of communication. Finally, the capacity of our proposed RDC to meet the emerging avionics requirements has been validated through a realistic avionics case study.

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Dans cette thèse, nous analysons les réseaux des systèmes temps-réel distribués et plus particulièrement ceux des domaines de l’avionique et de l’automobile. Nous nous sommes focalisés sur deux protocoles : « Avionic Full DupleX Switched Ethernet » (AFDX), « Audio Vidéo Bridging Ethernet » (AVB). Dans ces domaines critiques, le déterminisme du réseau doit être garanti. Il consiste, notamment, en la détermination d’une borne garantie du délai de bout en bout de traversée du réseau pour chaque trame ; et un dimensionnement des files d’attente des trames suffisamment grand pour garantir qu’aucune d’entre elle ne débordera et ainsi, éviter toute perte de trame.Il existe plusieurs méthodes pour l’évaluation des délais et nous avons, principalement, travaillé sur la méthode « Forward end-to-end delay Analysis » (FA). FA avait déjà été définie avec la politique d’ordonnancement « First-In-First-Out » dans le contexte de l’AFDX. Nous sommes repartis de cette approche, nous l’avons reformulé et généralisé à n’importe quel réseau Ethernet commuté. Nous l’avons aussi étendu aux priorités statiques et au protocole AVB et sa politique de service « Credit Based Shaper ». Pour chaque contribution, des démonstrations formelles ont été présentées et une expérimentation incluant une comparaison de FA avec les principales approches d’évaluation sur un exemple industriel. Finalement, nous avons développé et démontré formellement une approche pour le dimensionnement des files d’attente en termes de nombre de trames. Cette approche a été expérimentée également sur une configuration industrielle. / In this thesis, we analyze networks in the context of distributed real-time systems, especially in the fields of avionics, with “Avionics Full DupleX Switched Ethernet” (AFDX), and automobile, with “Audio Video Bridging Ethernet” (AVB). For such applications, network determinism needs to be guaranteed. It involves, in particular, assessing a guaranteed bound on the end-to-end traversal time across the network fr each frame; and dimensioning the buffers in order to avoid any loss of frame because of a buffer overflow.There are several methods for worst-case delay analysis, and we have mainly worked on the “Forward end-to-end Delay Analysis” (FA) method. FA had already been developed for “First-In-First-Out” scheduling policy in the AFDX context, so we generalized it to any Switched Ethernet network. We have also extended it to handle static priorities and the AVB protocol, shaping policy named “Credit Based Shaper” (CBS). Each contribution has been formaly proved and experiments have been led on industrial configurations. For our experimentations, we have compared our results with the results of competing approaches. Finally, we have developed and formally demonstrated an approach for buffer dimensioning in terms of number of frames. This approach has also been tested on an industrial configuration and has produced tight bounds.

The computer and microelectronics technologies are developing very quickly nowadays. In the mean time, the modern integrated avionics systems are burgeoning unceasingly. The modern integrated modular architecture more and more requires the low-latency and reliable communication databus with the high bandwidth. The traditional avionics databus technology, such as ARINC429, can not provide enough high speed and size for data communication, and it is a problem to achieve transmission mission successfully between the advanced avionic devices with the sufficient bandwidth. AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet) is a good solution for this problem, which is the high-speed full duplex switched avionic databus, on the basis of the Ethernet technology. AFDX can not only avoid Ethernet conflicts and collisions, but also increase transmission rate with a lower weigh of the databus. AFDX is now adopted by A380,B787 aircraft successfully. The avionics data must be delivered punctualy and reliablely, so it is very essential to validate the real-time performance of AFDX during the design process. The simulation is a good method to acquire the network performance, but it only happends in some given set of scenarios, and it is impossible to consider every case. So a sophisticatd network performance method for the worst-case scenario with the pessimistic upper bound requires to be deduced. The avionic design engineers have launched many researches in the AFDX simulation and methods study. That is the goal that this thesis is aimming for. The development of this project can been planned in the following two steps. In the first step, a communication platform plans to be implemented to simulate the AFDX network in two versions – the RTAI realtime framework and Linux user space framework. Ultimately, these frameworks need to be integrated into net-ASS, which is an integrated simulation and assessment platform in the cranfield’s lab.The second step deduces an effective method to evaluate network performance, including three bounds(delay,backlog and output flow), based on the NC. It is called Network Calculus. It is an internet theory keeping the network system in determistic way. It is also used in communication queue management. This mathematics method is planed to be verified with simulation results from the AFDX simuation communication platform, in order to assure its validity and applicability. All in all, the project aims to assess the performance of different network topologies in different avionic architectures, through the simulation and the mathematical assessment. The technologies used in this thesis benefit to find problems and faults in the beginning stage of the avionics architecture design in the industrial project, especially, in terms of guarantee the lossless service in avionics databus.

ARINC 664/AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet) protocol is a leading onboard communication technology in civil aviation. As AFDX is a new technology, unit cost of the hardware devices are high and protocol is open to changes. This thesis discusses the design of an AFDX End System application for test environment with a software based solution with cheap COTS (Commercial offthe shelf) equipment, explains the implementation of the software and analysis the performance.

In safety-critical, networked embedded systems, it is important that the way in which a fault(s) in one component of the system can propagate throughout the system to other components is analyzed correctly. Many real-world systems, such as modern aircrafts and automobiles, use large-scale networked embedded systems with complex behavior. In this work, we have developed techniques and a software tool, FauPA, that uses those techniques to automate fault-propagation analysis of large-scale, networked embedded systems such as those used in modern aircraft. This work makes three main contributions. 1. Fault propagation analyses. We developed algorithms for two types of analyses: forward analysis and backward analysis. For backward analysis, we developed two techniques: a naive algorithm and an algorithm that uses Datalog. 2. A system description language. We developed a language that we call Communication System Markup Language (CSML) based on XML. A system can be specified concisely and at a high-level in CSML. 3. A GUI-based display of the system and analysis results. We developed a GUI to visualize the system that is specified in CSML. The GUI also lets the user visualize the results of fault-propagation analyses.

This thesis is dealing with selection of proper airplane data bus for distributed Fly-by-Wire system. The parameters of such data bus are defined here and description of such data buses are given as well. The proper data bus which fulfils the given parameters is selected. Next the safety and time-delay analysis are provided.