Determinism Enhancement and Reliability Assessment in Safety Critical AFDX Networks

AFDX est une technologie basée sur Ethernet, qui a été développée pour répondre aux défis qui découlent du nombre croissant d'applications qui transmettent des données de criticité variable dans les systèmes modernes d'avionique modulaire intégrée (Integrated Modular Avionics). Cette technologie de sécurité critique a été notamment normalisée dans la partie 7 de la norme ARINC 664, dont le but est de définir un réseau déterministe fournissant des garanties de performance prévisibles. En particulier, AFDX est composé de deux réseaux redondants, qui fournissent la haute fiabilité requise pour assurer son déterminisme. Le déterminisme de AFDX est principalement réalisé par le concept de liens virtuels (Virtual Links), qui définit une connexion unidirectionnelle logique entre les points terminaux (End Systems). Pour les liens virtuels, les limites supérieures des délais de bout en bout peuvent être obtenues en utilisant des approches comme calcul réseau, mieux connu sous l'appellation Network Calculus. Cependant, il a été prouvé que ces limites supérieures sont pessimistes dans de nombreux cas, ce qui peut conduire à une utilisation inefficace des ressources et augmenter la complexité de la conception du réseau. En outre, en raison de l'asynchronisme de leur fonctionnement, il existe plusieurs sources de non-déterminisme dans les réseaux AFDX. Ceci introduit un problème en lien avec la détection des défauts en temps réel. En outre, même si un mécanisme de gestion de la redondance est utilisé pour améliorer la fiabilité des réseaux AFDX, il y a un risque potentiel souligné dans la partie 7 de la norme ARINC 664. La situation citée peut causer une panne en dépit des transmissions redondantes dans certains cas particuliers. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est d'améliorer la performance et la fiabilité des réseaux AFDX. Tout d'abord, un mécanisme fondé sur l'insertion de trames est proposé pour renforcer le déterminisme de l'arrivée des trames au sein des réseaux AFDX. Parce que la charge du réseau et la bande passante moyenne utilisée augmente due à l'insertion de trames, une stratégie d'agrégation des Sub-Virtual Links est introduite et formulée comme un problème d'optimisation multi-objectif. En outre, trois algorithmes ont été développés pour résoudre le problème d'optimisation multi-objectif correspondant. Ensuite, une approche est introduite pour incorporer l'analyse de la performance dans l'évaluation de la fiabilité en considérant les violations des délais comme des pannes.

Abstract

AFDX is an Ethernet-based technology that has been developed to meet the challenges due to the growing number of data-intensive applications in modern Integrated Modular Avionics systems. This safety critical technology has been standardized in ARINC 664 Part 7, whose purpose is to define a deterministic network by providing predictable performance guarantees. In particular, AFDX is composed of two redundant networks, which provide the determinism required to obtain the desired high reliability. The determinism of AFDX is mainly achieved by the concept of Virtual Link, which defines a logical unidirectional connection from one source End System to one or more destination End Systems. For Virtual Links, the end-to-end delay upper bounds can be obtained by using the Network Calculus. However, it has been proved that such upper bounds are pessimistic in many cases, which may lead to an inefficient use of resources and aggravate network design complexity. Besides, due to asynchronism, there exists a source of non-determinism in AFDX networks, namely frame arrival uncertainty in a destination End System. This issue introduces a problem in terms of real-time fault detection. Furthermore, although a redundancy management mechanism is employed to enhance the reliability of AFDX networks, there still exist potential risks as pointed out in ARINC 664 Part 7, which may fail redundant transmissions in some special cases. Therefore, the purpose of this thesis is to improve the performance and the reliability of AFDX networks. First, a mechanism based on frame insertion is proposed to enhance the determinism of frame arrival within AFDX networks. As the network load and the average bandwidth used by a Virtual Link increase due to frame insertion, a Sub-Virtual Link aggregation strategy, formulated as a multi-objective optimization problem, is introduced. In addition, three algorithms have been developed to solve the corresponding multi-objective optimization problem. Next, an approach is introduced to incorporate performance analysis into reliability assessment by considering delay violations as failures. This allowed deriving tighter probabilistic upper bounds for Virtual Links that could be applied in AFDX network certification. In order to conduct the necessary reliability analysis, the well-known Fault-Tree Analysis technique is employed and Stochastic Network Calculus is applied to compute the upper bounds with various probability limits.