Analyse et optimisation des réseaux avioniques hétérogènes

La complexite des architectures de communication avioniques ne cesse de croitre avec l’augmentation du nombre des terminaux interconnectes et l’expansion de la quantite des donnees echangees. Afin de repondre aux besoins emergents en terme de bande passante, latence et modularite, l’architecture de communication avionique actuelle consiste a utiliser le reseau AFDX (Avionics Full DupleX Switched Ethernet) pour connecter les calculateurs et utiliser des bus d’entree/sortie (par exemple le bus CAN (Controller Area Network)) pour connecter les capteurs et les actionneurs. Les reseaux ainsi formes sont connectes en utilisant des equipements d’interconnexion specifiques, appeles RDC (Remote Data Concentrators) et standardise sous la norme ARINC655. Les RDCs sont des passerelles de communication modulaires qui sont reparties dans l’avion afin de gerer l’heterogeneite entre le reseau cœur AFDX et les bus d’entree/sortie. Certes, les RDCs permettent d’ameliorer la modularite du systeme avionique et de reduire le cout de sa maintenance; mais, ces equipements sont devenus un des defis majeurs durant la conception de l’architecture avionique afin de garantir les performances requises du systeme. Les implementations existantes du RDC effectuent souvent une translation direct des trames et n’implementent aucun mecanisme de gestion de ressources. Or, une utilisation efficace des ressources est un besoin important dans le contexte avionique afin de faciliter l’evolution du systeme et l’ajout de nouvelles fonctions. Ainsi, l’objectif de cette these est la conception et la validation d’un RDC optimise implementant des mecanismes de gestion des ressources afin d’ameliorer les performances de l’architecture de communication avionique tout en respectant les contraintes temporelles du systeme. Afin d’atteindre cet objectif, un RDC pour les architectures reseaux de type CAN-AFDX est concu, integrant les fonctions suivantes: (i) groupement des trames applique aux flux montants, i.e., flux generes par les capteurs et destines a l’AFDX, pour minimiser le cout des communication sur l’AFDX; (ii) la regulation des flux descendants, i.e., flux generes par des terminaux AFDX et destines aux actionneurs, pour reduire les contentions sur le bus CAN. Par ailleurs, notre RDC permet de connecter plusieurs bus CAN a la fois tout en garantissant une isolation entre les flux. Par la suite, afin d’analyser l’impact de ce nouveau RDC sur les performances du systeme avionique, nous procedons a la modelisation de l’architecture CAN-AFDX, et particulierement le RDC et ses nouvelles fonctions. Ensuite, nous introduisons une methode d’analyse temporelle pour calculer des bornes maximales sur les delais de bout en bout et verifier le respect des contraintes temps-reel. Plusieurs configurations du RDC peuvent repondre aux exigences du systeme avionique tout en offrant des economies de ressources. Nous procedons donc au parametrage du RDC afin de minimiser la consommation de bande passante sur l’AFDX tout en respectant les contraintes temporelles. Ce probleme d’optimisation est considere comme NP-complet, et l’introduction des heuristiques adequates s’est averee necessaire afin de trouver la meilleure configuration possible du RDC. Enfin, les performances de ce nouveau RDC sont validees a travers une architecture CAN-AFDX realiste, avec plusieurs bus CAN et des centaines de flux echanges. Differents niveaux d’utilisation des bus CAN ont ete consideres et les resultats obtenus ont montre l’efficacite de notre RDC a ameliorer la gestion des ressources du systeme avionique tout en respectant les contraintes temporelles de communication. En particulier, notre RDC offre une reduction de la bande passante AFDX allant jusqu’a 40% en comparaison avec le RDC actuellement utilise. ABSTRACT : The aim of my thesis is to provide a resources-efficient gateway to connect Input/Output (I/O) CAN buses to a backbone network based on AFDX technology, in modern avionics communication architectures. Currently, the Remote Data Concentrator (RDC) is the main standard for gateways in avionics; and the existing implementations do not integrate any resource management mechanism. To handle these limitations, we design an enhanced CAN-AFDX RDC integrating new functions: (i) Frame Packing (FP) allowing to reduce communication overheads with reference to the currently used "1 to 1" frame conversion strategy; (ii) Hierarchical Traffic Shaping (HTS) to reduce contention on the CAN bus. Furthermore, our proposed RDC allows the connection of multiple I/O CAN buses to AFDX while guaranteeing isolation between different criticality levels, using a software partitioning mechanism. To analyze the performance guarantees offered by our proposed RDC, we considered two metrics: the end-to-end latency and the induced AFDX bandwidth consumption. Furthermore, an optimization process was proposed to achieve an optimal configuration of our proposed RDC, i.e., minimizing the bandwidth utilization while meeting the real-time constraints of communication. Finally, the capacity of our proposed RDC to meet the emerging avionics requirements has been validated through a realistic avionics case study.