Evaluation of the suitability of COTS ethernet routers for distributed real-time systems

Abstract

Time-Triggered Ethernet (TTE) ist eine Erweiterung für das normale Ethernet, mit dem Ziel Applikationen mit unterschiedlichem Kritikalitäten auf einem Kommunikationskanal zu vereinen.<br />Zur Zeit existieren Hard- und Softwarelösungen für TTE Endsystems. Ein Nachteil gegenüber standard Ethernet ist, dass teure Spezialhardware für die Switche verwendet werden muss um Fehlerausbreitung zu vermeiden. Diese Hardware stellt weiters sicher, dass kritische Nachrichten innerhalb eines definierten Zeitraumes den Emfänger erreichen. Weiters wird die zeitliche Variabilität der Übertragungsdauer klein gehalten, da diese ein kritischer Faktor für zeitgesteuerte Kommunikation ist.<br />Diese Arbeit wertet die Möglichkeiten aus Commercial off-the-Shelf (COTS) Router als TTE Switch zu verwenden. Verschiedene Ansätze werden analysiert und ein Verfahren wird ausgewählt und implementiert und an konkreter Hardware getestet. Das Ziel dieses Testes ist es herauszufinden wie gut die Fehlerisolierung funktioniert, wie gut die globale Zeit einzuschätzen ist, und wie gut die zeitliche Vorhersagbarkeit eines solchen Systems ist.<br />Es wird gezeigt, dass es möglich ist, zeitlich vorhersagbare Kommunikation von zeitgesteuerten Ethernet Nachrichten zusammen mit klassischen ereignisgesteuerten Ethernet Nachrichten durchzuführen. Es wird eine Diskussion durchgeführt wie man die vorgestellten Verfahren erweitern kann um den kompletten TTE Standard umzusetzen.<br />

Time-Triggered Ethernet (TTE) is an extension to standard Ethernet, which aims to support mixed critically applications on a single, but possibly replicated, communication channel. Currently different solutions for end systems are available, both in hardware and in software. A drawback compared to standard Ethernet is the need to use special and expensive switching hardware to provide fault containment services, and to achieve low jitter for the transmission delays of time-triggered frames. Jitter is a critical factor for the quality of the global time base needed to be established for time-triggered communication. This thesis evaluates the ability of realising mixed-critically distributed embedded real-time systems using TTE based on a Commercial off-the-Shelf (COTS) Ethernet router. Different approaches (e.g., use of virtual links, use of the processor in the router to forward messages according to a time-triggered schedule) will be analysed. One approach is selected and employed in experiments to quantify the fault isolation, performance and predictability of the ensuing system. The methods discussed in this work allow timely and reliable time-triggered Ethernet frames to be sent concurrently with classic event-triggered Ethernet frames using a COTS Ethernet router with an updated firmware. A discussion on how to extend the proposed approaches, in order to implement the complete TTE standard is included.