Suitability of Time Sensitive Networking for spacecraft industry requirement - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Suitability of Time Sensitive Networking for spacecraft industry requirement

Adaptabilité de Time Sensitive Networking aux exigences de l'industrie aérospatiale

Résumé

The spacecraft industry is facing a new challenge: offering new capabilities and new missions around Earth, in the solar system and beyond. This will not be achievable without providing more performance on board satellites. In particular, the current satellite network technologies will not be able to handle this increasing demand for long. This leads the spacecraft industry to consider an upgrade of their on-board networks. Such an upgrade is also an opportunity to envision a disruption in the current communication architecture and move from a network system relying on MIL-STD-1553 for real-time traffic and Spacewire for high throughput traffic to a unified network relying on a single technology supporting both types of traffic. One technology is raising the interest of satellite manufacturers: IEEE Time Sensitive Networking (TSN), the state-of-the-art Ethernet technology, deemed to be capable of supporting the needs of next-generation satellites. The goal of the PhD was thus to assess the suitability of TSN with respect to space requirements. In order to address this problem, we have first identified a set of technologies – Ethernet, ARINC 664, TTEthernet, TSN and SpaceFibre – potentially able to answer to the future application demand. We have made a qualitative comparison of those technologies with respect to what is foreseen as the expected requirements. The comparison is based on three properties dealing respectively with quality of service (i.e. network performance and fault tolerance) and time management. This led us to select three suitable candidates including TSN. While the two other candidates had already been studied and even started to be included in satellite network designs at the time of writing this manuscript, TSN was completely unknown to the spacecraft industry. After this preliminary step, we studied in depth the set of more than twenty standards that TSN encompasses, each composed of several mechanisms and each mechanism composed of several parameters. We have identified IEEE 802.1Qbv Time Aware Shaper standard as the core TSN standard capable to meet the network performance requirements. In addition to Qbv, we have discussed the interest of other TSN standards (i.e. IEEE 802.1Qci, 802.1CB, 802.1AS, 802.1Qbu), which are now being fitted into a TSN aerospace profile in an IEEE/SAE joint effort. The next step was then to define a strategy to automatically compute suitable configurations for the standards in this profile. By configuration, we mean a set of assigned values for all the parameters of all the used mechanisms of the list of considered standards. In fact, there are a huge number of parameters to set and automatic strategies are a real game-changer in the road to a large scale industrial use of TSN. In our approach, we focused on the configuration of TSN Qbv standard alone so that the network copes with the satellite performance requirements. At that stage, we considered that fault tolerance capabilities could either be provided by the network or the applications running over the network. While automatic configuration strategies relying on a network wide schedule of frame transmissions is the dominant approach in the literature, we proposed a brand new configuration strategy called Egress TT. In practice, Egress TT configurations consist of scheduled frame transmissions on the last hop port in the path of any flow. What happens between the source and the last hop port may be variable, as it depends on the time at which the message is emitted by the source and on the delays encountered in the previous Ethernet hops. Nevertheless, the variability of this delay is absorbed by a correctly chosen release instant in the last hop port. This novel configuration strategy improved the scalability of configuration strategies form the state-of-the-art and reduced the necessary development effort for the upgrade of legacy application software towards a next-generation on-board satellite network system.
L'industrie aérospatiale fait face à un nouveau défi : proposer de nouvelles fonctionnalités et de nouvelles missions autour de la Terre, dans le système Solaire et au-delà. Ces nouveautés ne se feront pas sans une amélioration de la performance à bord des satellites, notamment au niveau de l'architecture de communication. C'est la raison pour laquelle l'industrie aérospatiale envisage un changement radical de ses réseaux embarqués, passant du bus MIL-STD-1553 pour le trafic temps réel et Spacewire pour le trafic haut débit, à un réseau «unifié » reposant sur une technologie unique capable de transporter ces deux types de trafic. Au début de la thèse, IEEE Time Sensitive Networking (TSN), la technologie état de l'art d'Ethernet, a commencé à attirer l'attention de différents acteurs du spatial. De fait, le but de cette thèse a été de mettre en évidence l'adéquation de TSN avec les exigences de l'industrie aérospatiale. Afin de résoudre ce problème, nous avons commencé par identifier un ensemble de technologies – Ethernet, ARINC 664, TTEthernet, Time Sensitive Networking et Spacefibre – a priori capables de répondre aux besoins des futures missions. Nous avons ensuite proposé une comparaison qualitative de ces technologies en se basant sur leur compatibilité avec les futures exigences des satellites. Cette comparaison s'est organisée autour de deux thèmes : qualité de service (i.e. performance réseau et tolérance aux fautes) et gestion du temps. Elle nous amènera à sélectionner trois candidats : TTEthernet, Spacefibre et TSN. Tandis que TTEthernet et Spacefibre étaient déjà connus et commençaient même à être intégrés dans des architectures réseaux embarqués satellite au moment d'écrire ce document, Time Sensitive Networking était lui totalement nouveau pour l'industrie aérospatiale. Ainsi, après cette étape préliminaire, nous avons étudié en profondeur les très nombreux standards de TSN. Nous avons identifié IEEE 802.1Qbv dit Time Aware Shaper comme le standard TSN indispensable pour répondre aux exigences en performance réseau des futurs satellites. Nous avons par ailleurs discuté de l'intérêt d'autres standards TSN (i.e. IEEE 802.1Qci, 802.1CB, 802.1AS, 802.1Qbu) qui sont, avec Qbv, en voie d'être inclus dans un profil TSN dédié à l'industrie aérospatiale. Afin de valider la compatibilité de TSN, nous nous sommes intéressés à la génération de configurations TSN. Cette tâche n'est pas aisée car chaque configuration nécessite d'instancier un très grand nombre de paramètres. De fait, ces configurations sont presque toujours générées de manière automatique. Cette automatisation est un véritable levier dans l'industrialisation du TSN, à la fois dans les satellites, et d'autres domaines d'application. Ainsi, nous nous sommes concentrés sur la configuration automatique du standard Qbv afin d'adresser les besoins en performance, considérant que les fonctions de tolérances aux fautes pouvaient être reléguées au niveau applicatif. Alors que les stratégies automatiques reposant sur des émissions planifiées à date fixe dans tous les équipements du réseau étaient très répandues dans l'état de l'art, nous avons proposé une nouvelle stratégie de configuration intitulée Egress TT. En pratique, les configurations Egress TT reposent sur des émissions planifiées à date fixe seulement dans le dernier équipement du trajet de n'importe quel flot. Le délai d'un message entre sa source et le dernier équipement dans son trajet peut être variable. En effet, il dépend de l'instant auquel le message a été émis à sa source et aux potentiels ralentissements qu'il rencontrerait dans le réseau. Néanmoins, ce délai variable est absorbé par une planification des émissions bien choisie au dernier saut. Cette nouvelle stratégie propose un meilleur passage à l'échelle que les stratégies existantes. Elle permet aussi de réduire l'effort de développement nécessaire pour la mise à jour des logiciels applicatifs vers l'architecture réseau nouvelle génération.
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Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04117555 , version 1 (05-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04117555 , version 1

Citer

Pierre-Julien Chaine. Suitability of Time Sensitive Networking for spacecraft industry requirement. Physics [physics]. Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace (ISAE), 2022. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04117555⟩

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