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Introduction aux réseaux embarqués
Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants Introduction aux réseaux embarqués F. Garcia Introduction aux réseaux embarqués 1 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants Introduction Pourquoi des réseaux embarqués ? Les systèmes embarqués sont de plus en plus complexes ; Tendance au traitement de données numériques ; Conception modulaire des systèmes (LRU : Line-Replaceable Units). =⇒ Nécessité d'un système de transport des données numériques. Introduction aux réseaux embarqués 2 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants Introduction Domaines d'application Déployés courament dans : l'aéronautique l'automobile le spatial Le maritime la robotique Introduction aux réseaux embarqués 3 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants PLAN 1 Évolution des systèmes embarqués 2 Caractéristiques des réseaux embarqués Contraintes générales Contraintes associées aux données Conception de réseaux embarqués 3 Systèmes existants ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) Introduction aux réseaux embarqués 4 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants Évolution des systèmes embarqués Exemple Exemples dans l'aéronautique : Début de l'aviation : lien direct entre le manche et les gouvernes ; instruments de mesure avec lecture directe ; pas de pilote automatique ou d'enregistreur de vol. Situation actuelle : gouvernes actionnés par des moteurs ; instruments de mesures envoient leurs données au cockpit (HUD), aux pilotes automatiques, aux enregistreurs de vol,. . . ; capteurs placés un peu partout dans l'avion ; plusieurs systèmes d'enregistrement qui doivent récupérer toutes les données ; ... Introduction aux réseaux embarqués 6 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants Évolution des systèmes embarqués Modularité An de gérer cette complexité, on met en place des sous-systèmes modulaires (LRU) : ayant des fonctions bien précises ; pouvant être remplacé aiséments ; devant coopérer entre eux. Solutions pour la communication entre sous-systèmes : bus simplex : un bus par paire de systèmes communicants bus mono-émetteurs et multi-récepteurs : un bus multiple depuis chaque système devant émettre des données réseaux embarqués multi-émetteurs avec capacité de diusion : un bus depuis chaque système communicant vers le c÷ur du réseau. Introduction aux réseaux embarqués 7 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants Contraintes générales Contraintes associées aux données Conception de réseaux embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Les réseaux embarqués doivent faire face à des contraintes supplémentaires par rapport aux infrastructures classiques, entre autre : Contraintes physiques du système ; Contraintes dues aux données véhiculées ; Contraintes règlementaires (certication). On doit donc utiliser des technologies et des méthodes de conception adaptées. Introduction aux réseaux embarqués Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants 9 / 39 Contraintes générales Contraintes associées aux données Conception de réseaux embarqués Contraintes générales Le choix d'un réseau embarqué est lié à la prise en compte de contraintes : d'encombrement et de poids nécessité de réduire le nombre de cables de compatibilité électromagnétique travail au niveau de la couche physique de coût utilisation de technologies simples ou réutilisation de l'existant Introduction aux réseaux embarqués 11 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants Contraintes générales Contraintes associées aux données Conception de réseaux embarqués Contraintes associées aux données Données transportées Données transportées : Informations des capteurs e.g. : altitude, position GPS,. . . Commandes vers les acteurs e.g. : commande des ailerons, ouverture des portes,. . . Informations entre sous-systèmes : e.g. : données AOC reçue par datalink, états des calculateurs,. . . autres données : e.g. : IFE, systèmes de diusion multimédia,. . . Introduction aux réseaux embarqués Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants 13 / 39 Contraintes générales Contraintes associées aux données Conception de réseaux embarqués Contraintes associées aux données Données transportées Données Informations capteurs Commandes Autres Caractéristiques périssable, périodique critique, apériodique diverses Introduction aux réseaux embarqués Contraintes abilité élevée, délai borné abilité totale, délai borné suivant l'application 14 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants Contraintes générales Contraintes associées aux données Conception de réseaux embarqués Caractéristiques générales des réseaux embarqués On cherche généralement des réseaux : robustes ables prennant en compte les délais bornés =⇒besoin de technologies permettant de garantir le respect des contraintes =⇒nécessité d'une phase de validation et de certication Introduction aux réseaux embarqués Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants 16 / 39 Contraintes générales Contraintes associées aux données Conception de réseaux embarqués Conception des réseaux embarqués Plusieurs approches : utilisation de protocoles simples e.g. : bus mono-émetteur (pas de collision possible) utilisation de technologies éprouvées. . . e.g. : AFDX reprend les bases d'Ethernet . . . avec ajout de mécanismes orant les garanties nécessaires utilisation de la modélisation et de la simulation réseau Introduction aux réseaux embarqués 17 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants Contraintes générales Contraintes associées aux données Conception de réseaux embarqués Conception des réseaux embarqués Network Calculus Principe : Modélisation du trac par une borne supérieure (Arrival curve) Modélisation du service oert par les éléments du réseau (Service Curve) Application de l'algèbre min-plus pour évaluer les modications appliquées au trac d'entré Utilisation des propriétés communes de (R, +, ×)et (R, min, +) Introduction aux réseaux embarqués Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants 18 / 39 Contraintes générales Contraintes associées aux données Conception de réseaux embarqués Conception des réseaux embarqués Simulation Utilisation d'outils spéciques (OPNET, NS2, OMNet++,. . . ) Validation statistique des résultats (a) Introduction aux réseaux embarqués (b) 19 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) Exemples de systèmes existants Exemples de bus avioniques : ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) Exemples de bus automobiles : CAN (Controler Area Network) LIN (Local Interconnect Network) Introduction aux réseaux embarqués Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants 21 / 39 ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) ARINC 429 Généralités Bus mono émetteur 1 à 20 récepteur par bus Bus ARINC 429 Emetteur ARINC 429 Récepteur ARINC 429 Introduction aux réseaux embarqués Récepteur ARINC 429 Récepteur ARINC 429 23 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) ARINC 429 Niveau physique Encodage bipolaire avec Retour à Zéro Mots de 32 bits séparés par 4 bit-times NULL Support paire torsadée (DITS ou Mark 33 Digital Information Transfert System) Deux types de débits : Haut débit à 100Kbits/s Faible débit de 12Kbits/s à 14,5 Kbits/s Codage Bipolar RZ Introduction aux réseaux embarqués Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants 24 / 39 ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) ARINC 429 Niveau liaison Transfert de données numériques, discrètes ou chiers. Format des mots : données P SSM SDI LABEL 3 18 1 3 8 P SSM SDI LABEL bit de parité Sign/Status Matrix Source/Destination Identier Indentiant des données Introduction aux réseaux embarqués 25 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) ARINC 629 Généralités Développé pour le Boeing 777 Bus bi-directionnel Jusqu'à 120 terminaux Débits jusqu'à 2Mbits/s Pas de contrôleur central du bus Matériel spécique Introduction aux réseaux embarqués Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants 27 / 39 ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) MIL-STD-1553 Généralités Bus développé en 1073 par l'armée des Etats-Unis pour le F-16 Amélioration avec la norme MIL-STD-1553B Bus série asynchrone bi-directionnel Trois types de stations : Contrôleur de bus Terminal à distance Moniteur de bus MIL−STD−1553 Bus controler MIL−STD−1553 Bus Remote Terminal MIL−STD−1553 Introduction aux réseaux embarqués Remote Terminal MIL−STD−1553 MIL−STD−1553 Bus monitor 29 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) MIL-STD-1553 Niveau Physique Bus sur paire torsadée Codage Manchester pour l'horloge et les données Possibilité de redondance double ou triple du bus Variante avec bre optique (MIL-STD-1773) pour la résistance aux perturbations électromagnétiques Introduction aux réseaux embarqués Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants 30 / 39 ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) MIL-STD-1553 Niveau Liaison Trames de 20 bits : 3 bits de synchronisation 16 bits de données 1 bit de parité Système de polling dirigé par le contrôleur Communications unicast d'un terminal vers le contrôleur du contrôleur vers un terminal d'un terminal vers un autre terminal Communications broadcast (MIL-STD-1553B) Introduction aux réseaux embarqués 31 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) MIL-STD-1553 Rôle des stations Contrôleur de bus : Un seul contrôleur par bus. Initie toutes les communications sur le bus. Opère selon une liste de commande en mémoire locale Commande les terminaux à distance pour l'envoie e la réception de données Sers les requêtes des terminaux à distance Détecte et récupère les erreurs Garde un historique des erreurs Terminal à distance : Interface entre un système et le bus Pont entre deux bus Moniteur de bus : Système d'enregistrement des communications du bus Introduction aux réseaux embarqués Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants 32 / 39 ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) AFDX Généralités Avionic Full-DupleX Switched Ethernet Développé par Rockwell-Collins pour Airbus Sous ensemble de l'ARINC 664 ARINC 664 : Adaptation des normes des réseaux classiques (Ethernet, UDP, IP, . . . ) au monde de l'avionique S'appuie en grande partie sur l'Ethernet commuté car l'Ethernet classique n'ore pas de garantie sur le temps d'accès au canal (collisions) Introduction aux réseaux embarqués 34 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) AFDX Niveau Physique Topologie en étoile Liens Full Duplex en paire torsadée Codage Manchester Transmission à 100Mbit/s Introduction aux réseaux embarqués Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants 35 / 39 ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) AFDX Niveau Liaison Trames de 46 à 1500 octets Même format que les trames Ethernet : 6o DA 6o SA 2o L/T 0−1500o DATA 4o FCS Pas de CSMA/CD Introduction aux réseaux embarqués 36 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) AFDX Structure du réseau Introduction aux réseaux embarqués Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants 37 / 39 ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) AFDX Types de ports Deux types de ports sur les End Systems : Ports d'échantillonage Ports à le d'attente Introduction aux réseaux embarqués 38 / 39 Introduction Évolution des systèmes embarqués Caractéristiques des réseaux embarqués Systèmes existants ARINC 429 ARINC 629 MIL-STD-1553 AFDX (ARINC 664) AFDX Redondance Utilisation de deux réseaux physiquement indépendants Introduction aux réseaux embarqués 39 / 39
