Adding fault tolerance to a flexible real-time ethernet network for embedded systems
David Gessner · LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas) · 2019
[cat]Un sistema encastat distribuït consisteix en un conjunt de nodes computacionals que cooperen \t\t\t\t per aconseguir un objectiu comú dins d’un sistema físic més gran. En les societats modernes \t\t\t\t podem trobar aquests sistemes per tots costats: en avions, cotxes i trens; en fàbriques, plantes \t\t\t\t químiques i centrals elèctriques; en satèl·lits artificials i sondes espacials; en aparells \t\t\t\t domèstics i en equips mèdics; i en molts altres sistemes. \t\t\t\t Sigui on sigui que els trobem, i independentment del que facin, els nodes d’un sistema \t\t\t\t encastat distribuït han de col·laborar per aconseguir un objectiu comú. Així per exemple els \t\t\t\t nodes d’un cotxe col·laboren per assegurar un viatge segur i agradable i els nodes en una \t\t\t\t fàbrica col·laboren per fabricar un producte. Com la col·laboració requereix de comunicació, \t\t\t\t els sistemes encastats distribuïts necessiten un subsistema de comunicació o xarxa que \t\t\t\t permeti l’intercanvi de missatges entre nodes. \t\t\t\t Aquests missatges han de ser intercanviats a temps ja que els sistemes encastats distribuïts \t\t\t\t interactuen amb entorns físics que avancen de forma inexorable i no esperen. Això significa \t\t\t\t que la xarxa ha de donar suport a la comunicació en temps real; és a dir, els missatges han de \t\t\t\t ser intercanviats abans d’instants de temps preestablerts, anomenats terminis temporals. \t\t\t\t Per a aquest tipus de comunicació, Ethernet ha estat tradicionalment inadequat ja que no \t\t\t\t podia proporcionar garanties de temps real. Però això ha canviat gràcies a nous protocols \t\t\t\t basats en Ethernet. Entre ells destaquen per la seva flexibilitat els que es basen en el \t\t\t\t paradigma de comunicació FTT (flexible time-triggered). La propietat clau de FTT és que pot \t\t\t\t garantir el lliurament a temps de missatges fins i tot si els paràmetres de temps real canvien durant l’execució del sistema. Mentre s’executa el sistema, tant els terminis temporals com els \t\t\t\t temps de transmissió, els períodes i els temps mínims entre arribades dels missatges poden \t\t\t\t canviar. \t\t\t\t Malgrat els seus avantatges, les versions de FTT actuals per Ethernet només satisfan els \t\t\t\t requisits de temps real si no hi ha fallades ni avaries de components. Desafortunadament això \t\t\t\t fa que siguin inadequades per a moltes aplicacions en les quals s’usen sistemes encastats \t\t\t\t distribuïts, com per exemple els subsistemes crítics d’avions i automòbils. Al cap i a la fi, en la \t\t\t\t realitat, fallades sí que ocorren i cal tractar-los perquè el sistema sigui fiable. En aquesta tesi \t\t\t\t anem a veure que FTT basat en Ethernet pot ser modificat per ser tolerant a fallades i que això \t\t\t\t es pot fer sense sacrificar les garanties de temps real o la flexibilitat que el paradigma FTT \t\t\t\t proporciona. Això obre la possibilitat d’usar Ethernet, amb el seu baix cost i alt ample de \t\t\t\t banda, en futurs sistemes encastats distribuïts que han de ser tolerants a fallades, flexibles i \t\t\t\t alhora de temps real. \t\t\t\t Establim la veracitat de que FTT sobre Ethernet pot fer-se tolerant a fallades (preservant la \t\t\t\t seva flexibilitat i garanties de temps real) mitjançant un nou subsistema de comunicació que ho \t\t\t\t demostra. En particular, en aquesta tesi dissenyam tal subsistema de comunicació i \t\t\t\t demostram la seva factibilitat mitjançant una sèrie de prototips de prova de concepte. \t\t\t\t El nou subsistema de comunicació, denominat Flexible Time-Triggered Repli-cated Star for \t\t\t\t Ethernet (FTTRS), es basa en Hard Real-Time Ethernet Switching (HaRTES), que és una \t\t\t\t implementació en Ethernet commutat del paradigma FTT. En concret, FTTRS tracta les \t\t\t\t vulnerabilitats d’HaRTES: elimina els punts únics d’avaria d’HaRTES mitjançant la replicació \t\t\t\t de components crítics, garanteix el determinisme de rèplica d’aquests components replicats, \t\t\t\t restringeix la semàntica d’avaries dels components segons sigui necessari, i fa que els \t\t\t\t intercanvis de missatge siguin capaços de tolerar fallades transitòries de canal, mantenint la \t\t\t\t flexibilitat i les garanties en temps real del paradigma FTT.