Aviyonik tam çift yönlü anahtarlamalı ethernet ağlarında uyarlanmış karınca koloni optimizasyon algoritmasıyla sanal bağlantıların optimal statik yönlendirilmesi
Optimal static routing of virtual links in avionics full duplex switched ethernet networks using modified ant colony optimization algorithm
Yazar: OTMAN BATURAY BAYRAM
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPER ÖZCAN
Nişantaşı Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Bilgi Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Aviyonik sistem = Avionic system ; Ethernet = Ethernet ; Karınca koloni algoritması = Ant colony algorithm ; Sanal bağlanma = Virtual attachment ; Yönlendirme = Routing

Özet:
ARINC 664 Aviyonik Tam Çift Yönlü Anahtarlamalı Ethernet (AFDX) veri yolu, uçak ekipmanları arasında artan miktarda veri alışverişi ihtiyaçlarını karşılamak için yedeklilik, garanti edilmiş bant genişliği ve deterministtik iletim aralığı zamanlamasını sağlayıp, aynı zamanda kablaj ağırlığını azaltmayı da amaçlayarak IEEE 802.3 Ethernet standardına dayalı olarak geliştirilmiştir. 

  Sanal Bağlantılar (SB'ler) adı verilen yalıtılmış veri tünelleri, Ethernet çerçevelerini tek bir kaynaktan bir veya daha fazla hedefe yönlendirmek için, ARINC 664 AFDX'e özgü statik bir yönlendirme mekanizması içeren uç sistemleri ve ağ anahtarlarını (AA) kullanarak kurulur. 
  Literatürde SB'leri yönlendirmek için sınırlı sayıda algoritma yaklaşımı sunulmakta olup bunlar karmaşık olmayan topolojilerde kanıtlanmıştır. 

  Sensörler, aktüatörler ve kontrolörler gibi ekipmanlarda Uç Sistem (US) modüllerinin kullanımının artmasının yanı sıra Uzak Veri Yoğunlaştırıcı (UVY) Birimlerinin kullanımı, aviyonik mimarisinin Federe ya da Entegre Modüler Aviyonik (EMA) yapısından eşler arası veri aktarımına dayalı olan dağıtılmış yapıya evrimleşmesine neden olacaktır. Bunun sonucunda uçak veri yolu yapısındaki US'lar, AA'lar ve UVY'lerden oluşan düğüm miktarları büyük ölçüde artacaktır. 

  ARINC 664 AFDX ağlarında SB'lerin yönlendirmelerini belirlemek için düğüm miktarına ek olarak bant genişliği kullanımı, ileriki dönemlerde olası ilaveler için bant genişliği esneklik payı, bağlantı noktası kullanım miktarı, toplam donanım ağırlığı, gecikme süresi ve yedeklilik dikkate alınmalıdır. 

  Bu gibi durumlarda, ARINC 664 AFDX ağlarında SB'lerin optimal yönlendirmelerinin belirlenmesi, literatürde mevcut yöntemlerle çözülmesi zor bir problem haline gelmektedir. 
  Bu tez çalışması, çoklu etken parametreleri dikkate alarak ARINC 664 AFDX ağlarının karmaşık topolojisinde optimal SB yönlendirmelerini belirlemek için Karınca Kolonisi Optimizasyonu (KKO) tabanlı bir algoritma önermektedir. 

  Sunulan algoritmanın farklı örnek olay incelemelerinde geçerliliğini doğrulamak ve sektördeki uygulanabilirliğini göstermek için deneysel simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. 
  Önerilen algoritmadan elde edilen sonuçlar; önceden tanımlanmış genişleme kapasitesi, çözüm süresi, bant genişliği kullanımı açısından literatürde var olan geleneksel algoritmalardan daha iyi performans göstermektedir. Önerilen algoritma aynı zamanda mevcut literatürde eksik olan yedeklilik, toplam kablaj ağırlığı ve gecikme limitini de dikkate alarak yenilik getirmektedir.

Abstract:
The ARINC 664 Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX) data bus has been developed based on the Ethernet standard IEEE 802.3, including redundancy, guaranteed bandwidth, and deterministic timing of transmit interval time to meet the increasing amounts of data exchange needs among aircraft equipment while reducing the harness weight. Isolated data tunnels, called Virtual Links (VLs), are established to route Ethernet frames from a single source to one or more destinations using end systems and switches that contain a static routing mechanism specific to ARINC 664 AFDX. A limited number of algorithm approaches are presented in the literature to route VLs; however, they are proved in uncomplicated topologies. Not only increasing usage of the End System (ES) modules in the equipment such as sensors, actuators, and controllers but also usage of Remote Data Concentrators (RDC) Units will cause the evolution of avionics architecture from federated or Integrated Modular Avionics (IMA) structure to distributed structure based on peer-to-peer data transfer. Therefore, node amount consisting of ESs, Switches, and RDCs in the aircraft data bus structure will increase enormously. Bandwidth utilization, bandwidth flexibility limit for further extensions, port usage, total harness weight, latency, and redundancy should be considered in addition to node amount to determine VLs' route paths in ARINC 664 AFDX networks. In such cases, determining optimal paths of VLs in ARINC 664 AFDX networks becomes a challenging problem to solve with the existing methods in the literature. This paper proposes an Ant Colony Optimization (ACO) based algorithm to determine optimal VL path routes in the complex topology of ARINC 664 AFDX networks considering multi-effective parameters. Experimental simulations are executed to confirm the validity of the presented algorithm in different case studies and show its applicability in the industry. The obtained results of the proposed algorithm outperform conventional algorithms existing in the literature in terms of bandwidth usage depending on predefined expansion capacity and solution time. The proposed algorithm also introduces novelty by considering the redundancy, total harness weight, and delay limit, which are deficient in the existing literature.