Evaluation and implementation of a mixed TTEthernet and AVB Network

Abstract

In dieser Arbeit werden die zwei Ethernet Erweiterungen Time-Triggered Ethernet (TTEthernet) und Audio/Video Bridging (AVB) analysiert. Das Ziel ist es AVB und TTEthernet zusammen in einem Switch zu implementieren und dafür neue Parameter für die dynamische Verfügbarkeit von Bandbreite basierend auf den in AVB spezifizierten Werten zu entwickeln. Um das zu erreichen verwenden wir ein, von der TTTech Computertechnik AG zur Verfügung gestelltes, Switch IP als Basis und implementieren die in AVB erforderlichen Protokolle für die dynamische Bandbreitenreservierung inklusive eines Verfahrens zur Glättung des Datenverkehrs (traffic shaping). Die AVB-speziefischen Protokolle sind teils in VHDL- und teils in hardwarenahem C-Code implementiert. Die Basis für die Softwareimplementierung liefert ein Altera NIOS2 CPU System. Die TTTech Computertechnik AG stellte außerdem TTEthernet Test Hardware zur Verfügung, AVB Endsysteme wurden von der Firma XMOS bezogen. Dieses Testequipment nutzen wir zum Aufbau eines Demonstrationsnetzwerkes auf dessen Basis funktionale Tests der Implementierung durchgeführt werden.<br />Eine mathematische Analyse dieser Ergebnisse schafft theoretische Grundlagen für die Bestimmung neuer Parameter, welche die Bandbreite für AVB Verkehr in einem Switch, der bereits TTEthernet Verkehr enthält, angeben. Durch diese resultierenden Parameter sind die Latenzgarantien für AVB Verkehr auch in einem integrierten TTEthernet/AVB Netwerk weiterhin gültig. Der einzige Nachteil dieser Lösung ist, dass einige Restriktionen beim Scheduling von TTEthernet Nachrichten entstehen.<br />

In this thesis, we analyze the two different Ethernet extensions Time-Triggered Ethernet (TTEthernet) and Audio/Video Bridging (AVB).<br />The major goal is to develop a set of bandwidth availability parameters based on the parameters defined for AVB in order to integrate both extensions into one single switch implementation.<br />Therefore, we use an existing TTEthernet Switch IP core provided by TTTech Computertechnik AG as a basis and implement the dynamic bandwidth reservation protocol together with a traffic shaping algorithm as defined in the standards describing the AVB protocols. The implementation of this protocols is realized in VHDL- and Embedded C code. An Altera NIOS2 based System on a Programmable Chip (SOPC) inside the switch IP is used for the execution of the software part.<br />TTTech Computertechnik AG provided TTEthernet test hardware and AVB end systems were provided by XMOS.<br />For testing the resulting design, we set up a demonstrator network using the provided hardware components. Based on a formal model, a set of parameters which define the integration of TTEthernet and AVB on one shared link are derived. The benefit of this solution is, that the latency guarantees offered by AVB together with the fault-tolerant realtime properties of TTEthernet remain unchanged. Solely some scheduling restrictions for TTEthernet emerge from that solution.