Autor(es):
Santos, Rui Gabriel Viegas dos 
Data: 2012
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10773/7142
Origem: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Assunto(s): Engenharia Informática; Ethernet (Redes de computadores); Sistemas embebidos; Processamento distribuído; Sistemas em tempo real; Comunicações em tempo real
Descrição
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. Doutoramento em Engenharia Informática
