Brevet FR2832006A1 — publié le 20030509

PROCEDE DE MISE EN _UVRE D'UN RESEAU DE COMMUNICATION REDONDANT DE TYPE ETHERNET FULL-DUPLEX COMMUTE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un procédé de mise en _uvre d'un réseau de communication redondant de type Ethernet full-duplex commuté, notamment dans le domaine avionique. Etat de la technique antérieure Le réscau Ethernet, qui est la référence dans le monde des réscaux de communication, permet d'envoyer des données sous forme numérique par paquets, ou "trames", une trame étant définie comme un ensemble de données envoyé en une seule fois sur le réseau. Dans un réseau Ethernet, les donnces de chaque trame ne sont pas interprétées. Le réseau les transporte sans connaître leur signification. Une trame est constitué de deux types de données, des données réseaux qui sont utilisés pour acheminer la trame à bon port et des données utiles qui sont la "charge utile" de la trame. Un réscau Ethernet est constitué d'équipements, qui sont abonnés au réscau, connectés entre eux par l'intermédiaire d'un moyen de communication formé d'équipements actifs appelés commutateurs, qui ont trois rôles: SP 18414 DB À connecter les abonnés du réseau en mode point à point via des liens physiques, qui sont les supports physiques des messages à échanger, par exemple des câbles en paire toreadée, À acheminer (commuter) les trames émises par des équipements sources vers un ou des équipements destinataires, À vérifier l'intégrité de la trame Ethernet et son format. La figure 1 illustre un réseau Ethernet constitué de deux commutateurs 11 interconnectés entre eux et reliés chacun à trois équipements abonnés 12 en mode point à point. Le fonctionnement d'un tel réseau est simple. Chaque abonné du réseau peut émettre des trames à tout moment sous forme numérique vers un, ou plusieurs autres abonnés. Lorsque les trames sont requs par un commutateur, les données "information réseaui' sont analysées pour connaître le ou les équipements destinataires. Les trames sont alors commutées vers ces équipements. Dans la désignation "réseau de type Ethernet full duplex commuté": - le terme "full duplex" signifie que l'abonné peut émettre et recevoir des trames en même temps sur la même liaison, - le terme "commuté" signifie que les trames sont commutées dans les commutateurs sur les sorties appropriées. Un tel réseau peut être, par exemple, un réseau de type 100 Mbit/s full duplex commuté sur paire SP 18414 DB toreadée; le terme "paire torsadée" indiquant que les liaisons entre les équipements et les commutateurs sont constituées de deux paires de câbles, chaque paire étant torsadée; le terme 100 Mbit/s indiquant simplement la vitesse d'émission ou de réception des trames sur le réseau. La technologie Ethernet impose: À une taille minimum et une taille maximum sur les trames, À une identification de la source et du ou des destinataires dans chaque trame, À un CRC (ou "cyclic redundancy cheak") qui permet de vérifier l'intégrité des données transportées. Actuellement, dans le domaine de l'acronautique civile, les échanges de données entre les différents calculateurs embarqués sont basés sur l'utilisation du standard aéronautique ARINC 429. Le réseau Ethernet full-duplex commuté est. par contre, utilisé couramment dans le domaine industriel. L'émergence de nouvelles technologies de communication fait apparaître un tel réscau comme une solution ouverte et normalisée (IEEE Standard 802.3) avec un fort potentiel de développement en tant que réscau local. Mais, une telle solution ne dispose pas de s moyens pour garant ir la ségrégat ion et les performances de transfert (en terme de débit, latence,.) nocessaires aux applications avioniques. La présente invention a pour objectif d' augmenter la disponibilité d'un tel réseau en se prémunissant de la perte d' un lien ou d' un commutateur, SP 18414 DB de manière à permettre une ut il. isat ion dans le domaine avionique En général, dans un système de contrôle distribué, pour contrôler chaque neud d'un ensemble de n_uds (équipement) à partir de l'un de ces n_uds, on réalise une redondance du système de communication permettant de connecter ces n_uds de manière à augmenter le taux de fonctionnement du système, et donc son efficacité. Une demande de brevet européen EP-O 854 610 décrit un procédé de redondance de communication Ethernet entre un ensemble de n_uds constituant un tel système de contrôle distribué. Ces n_uds sont connoctés les uns aux autres en duplex à travers les lignes de communication d'un premier et d'un second réseaux Ethernet, qui sont indépendants entre eux. Du côté émission, un premier n_ud transmet des données identiques sur les lignes de communication du premier et du second réscaux, un identificateur de données étant ajouté aux données transmises. Un second n_ud, du côté réception, détermine celle des données identiques reques en provenance du premier n_ud à travers les lignes de communication du premier et du second réseaux, qui est arrivée la première comme étant la donnce de réception. La seconde donnée, si elle est identique à la première, est alors rejetée. Contrairement au procédé décrit dans cette demande de brevet qui agit au niveau des donnces, l'objectif de l' invention est de réaliser un procédé permettant une redondance trame par trame. SP 18414 DB Exposé de l' invention L' invention concerne un procédé de mise en _uvre d'un réseau de communication redondant de type Ethernet full-duplex commuté comportant au moins deux réseaux élémentaires indépendants, comprenant chacun au moins un équipement abonné source et au moins un équipement abonné destinataire reliés entre eux par au moins un lien physique au travers d'au moins un commutateur, chaque équipement étant relié à chacun des réseaux élémentaires, dans lequel on réalise une redondance trame par trame sur chacun des réseaux élémentaires. Ce procédé comprend les étapes suivantes à l'émission: - rajout sur chaque trame émise d'un champ de numérotation permettant d'insérer un numéro de trame, - envoi de cette trame sur chacun des réseaux élémentaires. Il comprend les étapes suivantes à la réception: - mémorisation du numéro de la trame reque, - prise en compte de cette trame uniquement si son numéro n'a pas été requ préalablement. Avantageusement l'étape de prise en compte d'une trame a lieu pendant une fenêtre de temps déterminée. Dans un mode de réalisation avantageux, on utilise la notion de lien virtuel, qui est une SP 18414 DB représentation concepLuelle d'une liaison d'un équipement source vers au moins un équipement destinataire. Un numéro de lien virtuel est pris en compte dans le champ de numérotation de chaque trame émise. Un lien virtuel est caractérisé par: - un sens de transfert, le lien virtuel étant mono-directionnel, - un équipement source, - un ou plusieurs équipements destinataires, - une bande passante figée, - un temps maximum garanti de transfert des paquets d'un équipement source vers un équipement destinataire, - un chemin figé sur le réscau, - un identifiant unique. Le procédé de l' invention peut, avantageusement, être utilisé pour la mise en _uvre d'un réseau de communication redondant de type Ethernet full-duplex commuté dans le domaine avionique. Une telle redondance réseau qui consiste, par exemple, à doubler le réscau, chaque abonné ayant une connexion à chacun des deux réseaux, un des deux paquets étant sélectionné à la réception, permet d' augmenter la disponibilité du réscau; celui-ci fonctionnant même avec un ou plusieurs commutateurs ou liens défaillants. L' invention permet d'obtenir des redondances d'ordre 2 et plus indépendamment de la pile de communication et des applications. SP 18414 DB Bréve description des figures - La figure 1 illustre un réseau Ethernet de l'art connu, - la figure 2 illustre le concept de lien virtuel dans un réseau Ethernet de l'art connu, - la figure 3 illustre un réscau Ethernet de l'art connu dans lequel sont mis en évidence plusieurs liens virtuels, - la figure 4 illustre les services mis en _uvre dans le procédé de l'invention, - la figure 5 illustre un exemple de redondance 2 dans un équipement abonné selon l' invention, - les figures 6A et 6B illustrent le fonctionnement du procédé de l' invention respectivement en mode émission et en mode réception. Exposé détaillé de modes de réalisation L' invention concerne un procédé de mise en _uvre d'un réseau de communication redondant de type Ethernet full-duplex commuté comportant au moins deux réseaux élémentaires qui comprennent chacun au moins un équipement abonné source et au moins un équipement abonné destinataire reliés entre eux par au moins un lien physique. Dans la suite de la description on considérera, à titre d'exemple non limitatif, deux réseaux élémentaires RE1 et RE2. Ce procédé réalise une redondance trame par trame sur chacun des réseaux élémentaires. SP 18414 DB A l'émission, il comporte les étapes suivantes: - rajout sur chaque trame émise d'un champ de numérotation permettant d'insérer un numéro de trame et donc d' identifier temporellement chaque trame, - envoi de cette trame sur chacun des réseaux élémentaires. A la réception, il comporte les étapes suivantes: - mémorisation du numéro de la trame reque, - prise en compte de cette trame uniquement si son numéro n'a pas été reçu préalablement. Avantageusement, l'étape de prise en compte d'une trame n'a lieu que pendant une fenêtre de temps donné, ce qui permet de n'utiliser qu'une mémoire limitée, chaque numéro de trame réapparaissant au bout d'un temps déterminé. Le procédé de l' invention permet donc de n'envoyer à l 'application considérée que la première trame reque en provenance d'un réseau élémentaire, les autres trames correspondantes en provenance des autres réseaux élémentaires étant rejetées. La figure 5 illustre un exemple de redondance d'ordre 2 mise en _uvre dans un équipement abonné. Dans un mode de réalisation avantageux, le procédé de l' invention utilise le concept de lien virtuel pour borner le temps de transfert de bout en bout, c'est-à-dire d'un équipement source vers un ou plusieurs équipements destinataires. SP 18414 DB Ce concept de lien virtuel (VL) permet d'isoler les transferts de données entre un équipement source 13 et des équipements destinataires 14. Un lien virtuel VL est vu comme un "tuyau" sur le réseau, comme illustré sur la figure 2. Un lien virtuel VL est caractérisé par: - un sens de transfert, le lien virtuel étant mono-directionnel, - un équipement source unique 13, - un ou plusieurs équipements destinataires 14, - une bande passante (nombre maximum de paquets et leur taille par seconde) figée, - un temps maximum garanti de transfert des paquets d'un équipement source 13 vers un équipement destinataire 14, quel que soit le comportement du reste du réseau, chaque lien virtuel ayant son propre temps de transfert, - un chemin figé sur le réseau, - un identifiant unique. Un abonné du réseau peut comporter plusieurs liens virtuels VL1, VL2, VL3, comme illustré sur la figure 3. On a en effet: - un lien virtuel VL1 allant de l'équipement 21 vers les équipements 23, 24 et 25, - un lien virtuel VL2 allant de l'équipement 21 vers les équipements 22 et 23, - un lien virtuel VL3 allant de l'équipement 23 vers l'équipement 22. Lorsque l'équipement 21 veut envoyer un paquet vers les équipements 23, 24 et 25, il émet un SP 18414 DB paquet sur le lien virtuel VL1. Lorsqu'il veut émettre un paquet vers les équipements 22 et 23, il émet un paquet sur le lien virtuel VL2. La différence entre les liens virtuels VL1 et VL2 se fait par lidentifiant de destination dans le paquet. Sur le réssau, l'appartenance d'un paquet à un lien virtuel se fait par l'identificateur du lien virtuel dans le paquet. Un commutateur connaît, par une table de configuration statique, les liens virtuels qu'il doit commuter ainsi que le nombre de paquets autorisés pour un lien virtuel. Le concept de lien virtuel permet de figer les communications entre les équipements en configurant les routes et les bandes passantes allouées aux liens virtuels. Ainsi, le flux formé par un lien virtuel est assuré de ne pas être perturbé par les autres flux partageant les mêmes liens physiques tout au long de sa route dans le réseau. De plus, le concept de lien virtuel permet, par une gestion centralisoe des flux, de s' assurer que la somme des bandes passantes allouces aux liens virtuels sur un même lien physique ne dépasse pas les capacités de la technologie de celui-ci. Dans l'exemple ci-dessus, la somme des bandes passantes des liens virtuels VL1 et VL2 doit être inférieure à la capacité du lien physique en émission de l'équipement 21. Un lien virtuel est donc la représentation concepLuelle d'une liaison d'un équipement émetteur vers un ou plusieurs équipements récepteurs qui possède les caractéristiques suivantes: SP 18414 DB route fixe et prédéfinie sur le réscau, bande passante fixe et garantie, latence de bout en bout maximale garantie, - identification explicite dans une trame Ethernet de type multidestinataire ou "multicast" (adresse MAC de destination multidestinataire) et conservation de cette identification lors de la traversée d'un ou des commutateurs. Comme illustré sur la figure 4, le procédé de l' invention est alors caractérisé par la mise en _uvre de plusieurs services dans chacun des équipements abonnés 50: À Un service d'émission, dont le rôle est de permettre à une application 52 d'accéder aux liens virtuels en émission (liens virtuels VL1 et VL2). Ce service permet de multiplexer les liens virtuels vers un lien physique au travers d'un interface Ethernet et pour chaque lien virtuel d'émettre les paquets en fonction de la bande passante allouée à celui-ci. À Un service de réception 55 qui permet de décoder les trames (liens virtuels VL21 et VL22) de vérifier leur bon format et de mettre les données utiles à la disposition des applications. Dans ces services d'émission et de réception, un lien virtuel peut être représenté, vu l'application, comme une file d'attente. D'autres services de protection permettent de se prémunir de certaines défaillances du réscau: SP 18414 DB À Un service de protection de bande passante dans le commutateur, qui permet, pour chaque lien virtuel entrant, de vérifier les caractéristiques temporelles des paquets (l 'espacement entre paquets, la bande passante consommée). En cas de dépassement des caractéristiques permises, les paquets sont simplement détruits, pour éviter qu'une défaillance au niveau d'un émetteur ou d'un lien virtuel ne vienne compromettre le trafic dans les autres liens virtuels partant de ce commutateur. À Un service 60 de redondance réseau au niveau abonné, qui permet d'envoyer et de recevoir chaque trame sur les deux réseaux élémentaires RE1 et RE2, afin de mettre en _uvre une redondance réseau. Cette duplication du réseau en deux réscaux élémentaires RE1 et RE2, qui est transparente pour les applications, permet de se prémunir d'une panne d'un commutateur ou d'une interface (elle ne remplace pas la redondance de niveau système). Ce service de redondance réseau 60 est relié à au moins un premier interface Ethernet 61 avec le réseau élémentaire RE1, et un second interface Ethernet 62 avec le réseau élémentaire RE2. Comme illustré sur la figure 5, dans le procédé de l' invention pour obtenir une redondance des liens virtuels sur la couche physique, les équipements comprennent au moins deux interfaces physiques, qui leur permettent de se connecter sur au moins deux réseaux élémentaires indépendants RE1 et RE2. Leurs piles de communication incluent les mécanismes de redondances qui autorisent: SP 18414 DB - d'émettre sur les réseaux élémentaires RE1 et RE2 une trame identique, de sélectionner la première trame recue valide. Dans ce mode de réalisation, les étapes du procédé de l' invention mises en _uvre dans les équipements abonnés et appliquéss par lien virtuel sur le réscau sont donc telles que: - en émission, à chaque trame reque de la pile de communication: À on ajoute un champ de numérotation, tel que, pour chaque lien virtuel, un compteur numérote la trame correspondante, À on envoie cette trame sur les réseaux élémentaires RE1 et RE2. - en réception, pour chaque trame reque affectée à un lien virtuel: - on mémorise le numéro de la trame, - on prend en compte cette trame si ce numéro n'a pas été préalablement reçu, dans le cas contraire on la détruit. Les figures 6A, en émission, et 6B, en réception, illustrent ce mode de réalisation du procédé de l' invention. Sur la figure 6A, on a successivement: - ajout d'un champ de numérotation sur l' ensemble IP/UDP/données, - numérotation de la trame pour chaque lien virtuel, - envoi de la trame à chaque contrôleur Ethernet qui la formate en une trame IEEE 802.3. SP 18414 DB La numérotation est faite par lien virtuel, un même numéro peut être utilisé pour deux liens virtuels différents. Sur la figure 6B on a successivement: - vérification, pour chaque lien virtuel, du numéro dans le champ numérotation, - élimination de la trame si le numéro a déjà été requ, - sinon transmission de la trame à la couche supérieure. Le champ compteur peut être de faible taille, lorsque le compteur atteint sa valeur maximum, la numérotation de la trame repart de zéro. SP 18414 DB REVENDICATIONS 1. Procédé de mise en _uvre d'un réseau de communication redondant de type Ethernet full-duplex commuté comportant au moins deux réseaux élémentaires indépendants (RE1, RE2) comprenant chacun au moins un équipement abonné source (13) et au moins un équipement abonné destinataire (14) reliés entre eux par au moins un lien physique au travers d' au moins un commutateur, chaque équipement étant relié à chaque réseau élémentaire, caractérisé en ce que l'on réalise une redondance trame par trame sur chacun des réseaux élémentaires. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les réseaux élémentaires sont au nombre de deux. 3. Procédé selon la revendication 1, qui comprend les étapes suivantes à l'émission: - rajout sur chaque trame émise d'un champ de numérotation permettant d'insérer un numéro de trame, - envoi de cette trame sur chacun des réseaux élémentaires (RE1, RE2). 4. Procédé selon la revendication 3, qui comprend les étapes suivantes à la réception: - mémorisation au numéro de la trame rec,ue, SP 18414 DB - prise en compte de cette trame uniquement si son numéro n'a pas été requ préalablement. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'étape de prise en compte d'une trame a lieu pendant une fenêtre de temps déterminée. 6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on utilise la notion de lien virtuel (VL), qui est une représentation concepLuelle d'une liaison d'un équipement source (13) vers au moins un équipement destinataire (14). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel un numéro de lien virtuel est pris en compte dans le champ de numérotation. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel un lien virtuel (VL) est caractérisé par: - un sens de transfert, le lien virtuel étant monodirectionnel, - un équipement source (13), - un ou plusieurs équipements destinataires (14), - une bande passante figée, - un temps maximum garanti de transfert des paquets d'un équipement source (13) vers un équipement destinataire - un chemin figé sur le réseau, - un identifiant unique. SP 18414 DB 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes qui est utilisé pour la mise en _uvre d'un réscau de communication redondant de type Ethernet full-duplex commuté dans le domaine avionique.