Design of an FPGA-based time-triggered Ethernet system

Abstract

Der Einsatz von rechnergestützten Steuerungssystemen ist in Fahrzeugen, Flugzeugen oder Automatisierungssystemen nicht mehr wegzudenken. Der Trend, Kontrollnetzwerke und Servicenetzwerke in dieselbe Netzwerkarchitektur zu integrieren verlangt einen rigorosen Ansatz, der Echtzeiteigenschaften für die Kommunikation garantiert und es ermöglicht, neue Funktionen die mehr Bandbreite benötigen zu realisieren sowie einen gemeinsamen Zugang für Konfiguration und Diagnose bereitstellt. Weiters muss es möglich sein, ältere Komponenten ohne Änderungen erneut einzusetzen.<br />Eine essentielle Anforderung an solch ein System ist Determinismus, trotz Integration und hoher Netzwerklast in normalen sowie auch in abnormalen Betriebssituationen. Indeterminismus in einem Netzwerksystem verkompliziert Redundanzmanagement und verlangt erheblichen Zusatzaufwand um Mechanismen wie zum Beispiel ein Mehrheits-Voting einzuführen um zuverlässiges Systemverhalten zu erreichen.<br />Deterministisches Verhalten erleichtert Integrations-Tests sowie die Identifikation einer Netzwerkkomponente mit abnormalen Verhalten.<br />In der Vergangenheit wurden zeitgesteuerte Systeme oft für unflexibel gehalten, da das regelmäßige Nachrichtenmodell nicht zu sporadisch arbeitenden Applikationen passt, und eine Anpassung der sporadischen Arbeitsweise an den regelmäßigen Nachrichtenfluss eines zeitgesteuerten Systems of zu einer mangelhaften Ausnutzung der Kommunikationsbandbreite führt. Der Markt verlangt eine Lösung, die ein effiziente Unterstützung der verschiedenen Nachrichtentypen bereitstellt - Unterstützung für den regelmäßigen Nachrichtenverkehr für Echtzeitnachrichten mit hohen zeitlichen Anforderungen sowie sporadischen Nachrichtenverkehr mit hoher Bandbreite.<br />Im Zuge dieser Arbeit wird ein Design für ein Kommunikationssystem entworfen welches das "Time-Triggered Ethernet" (TT-Ethernet) Kommunikationsprotokoll realisiert. TTEthernet unterscheidet zwei Nachrichtenklassen: die Echtzeit-Nachrichtenklasse und die Nicht-Echtzeit-Nachrichtenklasse. Nicht-Echtzeit-Nachrichten werden von gewöhnlichen Ethernet Geräten verwendet. Sie werden entsprechend dem IEEE 802.3 Ethernet Standard behandelt und ermöglichen die Integration herkömmlicher Ethernet Geräte in das TT-Ethernet Netzwerk ohne dass Veränderungen an einem am Netzwerk angeschlossenen Gerät vorgenommen werden müssen. Echtzeit-Nachrichten werden entsprechend eines Sendeplanes verarbeitet, die Übertragung wird durch den Ablauf der Zeit gesteuert. Um ein deterministisches Verhalten für die Übertragung von Echtzeit-Nachrichten zu etablieren werden diese immer mit einer konstanten Übertragungslatenz mit kleinen und beschränktem Jitter weitergeleitet.<br />Damit die Nicht-Echtzeit-Nachrichten keinen Einfluss auf das zeitliche Übertragungsverhalten der Echtzeit-Nachrichten haben, werden alle Nicht-Echtzeit-Nachrichten unterbrochen die sich im Übertragungsweg einer Echtzeit Nachricht befinden. Nach der Übertragung der Echtzeit Nachricht werden die unterbrochenen Nicht-Echtzeit-Nachrichten erneut übertragen.<br />Im Rahmen der Dissertation wird ein Design für einen TT-Ethernet Switch und einen TT-Ethernet Kommunikationskontroller vorgestellt. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird, basierend auf den erarbeiteten Designs, eine prototypische Implementierungen vorgestellt und mittels Experimenten gezeigt, dass das entworfene Design den Anforderungen entspricht.<br />

Today, the use of computer control systems in vehicles, airplanes, and factory control systems is common practice. The recent trend of integrating more and more control networks as well as service network accesses into an integrated broadband network demands a more rigorous network approach that provides real-time communication guarantees to support the integration efforts, to enable additional new functionality requiring increased bandwidth on the same network, and to provide a common service access point for loading and diagnosis activities all on the same network. In addition, legacy network components need to be able to be re-used in the new network approach.<br />An essential requirement for such a distributed system is determinism despite integration and high network loads in normal and abnormal situations. Non-determinism in a network complicates redundancy management and requires considerable overhead for known systematic approaches to achieve dependable system behavior, such as voting of multiple sources. Deterministic behavior also alleviates integration testing and identification of abnormal network component behavior.<br />In the past, time-triggered solutions have been perceived as too rigid because the regular traffic pattern does not well match some sporadic application needs and if mapped into the regular traffic pattern of time-triggered traffic often lead to poor bandwidth utilization. The network market demanded a solution that efficiently supports different traffic type requirements, namely regular control system traffic with tight jitter requirement and sporadic traffic with high bandwidth needs.<br />TT Ethernet distinguishes between two message classes: the real-time message class and the non-real-time message class.<br />The non-real-time messages are in full conformance to the IEEE 802.3 Ethernet standard and allow the integration of standard Ethernet devices within a TT Ethernet network without applying any changes of the connected devices.<br />Real-time messages are scheduled and the transmission is triggered by the flow of realtime. To achieve a deterministic behavior a real-time message transmission service has to guarantee a nearly constant transmission delay with small and bounded jitter. In order to avoid that non-real-time traffic affects the temporal properties of real-time traffic, a real-time message preempts all non-real-time messages which are in its transmission path. The non-real-time messages are retransmitted autonomously by the TT Ethernet switch after the real-time message has been sent.<br />The objective of this thesis is to develop a design of a TT Ethernet switch and a TT Ethernet communication controller. Based on these designs prototypical implementations of these devices are built. A TT Ethernet system composed of these devices is evaluated. The results of the experiments show that the requirements described above are met.