Real-time Communication over Switched Ethernet with Resource Reservation

Due to the need for advanced computer-controlled functionality in distributed embedded systems the requirements on network communication are becoming overly intricate. This dissertation targets the requirements that are concerned with real-time guarantees, run-time adaptation, resource utilization and flexibility during the development. The Flexible Time-Triggered Switched Ethernet (FTT-SE) and Hard Real-Time Ethernet Switching (HaRTES) network architectures have emerged as two promising solutions that can cater for these requirements. However, these architectures do not support multi-hop communication as they are originally developed for single-switch networks. This dissertation presents a fundamental contribution in multi-hop real-time communication over the FTT-SE and HaRTES architectures targeting the above mentioned requirements. It proposes and evaluates various solutions for scheduling and forwarding the traffic through multiple switches in these architectures. These solutions preserve the ability of dynamic adaptation without jeopardizing real-time properties of the architectures. Moreover, the dissertation presents schedulability analyses for the timeliness verification and evaluation of the proposed solutions as well as several protocols to support run-time adaptation in the multi-hop communication. Finally, the work led to an end-to-end resource reservation framework, based on the proposed multi-hop architectures, to support flexibility during the development of the systems. The efficiency of the proposed solutions is evaluated on various case studies that are inspired from industrial systems. ISBN 978-91-7485-285-1 ISSN 1651-4238 Populärvetenskaplig sammanfattning Användandet av datorer för att underlätta vardagen i våra liv visar på en stor ökning av antalet datorer under de senaste decennierna. Datorer har många olika användningsområden för att klara av enklare vardagliga saker. Datorer finns i allt från mobiltelefoner och hushållsapparater till maskiner som utför mer komplicerade och sofistikerade uppgifter. Dessa maskiner återfinns i avancerade system så sommoderna bilar och inom automation av industri och tillverkning. I motsats till klassiska datorer med tangentbord och skärm, utformade till att kunna göra en uppsjö av olika uppgifter, är dessa datorsystem konstruerade för att utföra specifika funktioner. Vi kallar dessa datorsystem inbyggda system, där datorn är inbyggd i systemet och utför en mer eller mindre specifik uppgift. För att få en funktionalitet med hjälp av dessa specifika system är själva funktionen ofta fördelad över många olika inbyggda system. De inbyggda systemen som ingår in den specifika funktionen är förbundna med varandra via ett kommunikationssystem. Dessa system kallar vi distribuerade inbyggda system. Ett exempel på ett distribuerat inbyggt system är en krockkudde i en modern bil. Systemet innehåller flera sensorer och lämnar information till en styrenhet för att besluta om bilen har krockat. Om bilen har krockat ska styrenheten bestämma hur och när krockkudden ska blåsas upp. Styrenheten har i sin tur sensorer som skickar meddelanden i det distribuerade inbyggda systemet. Många distribuerade inbyggda system har specifika tidskrav som måste uppfyllas för att korrekt funktionalitet ska uppnås. Meddelanden som skickas över nätverket måste tas emot av mottagare inom en viss tid som kallas deadline. Denna typ av system kallas distribuerade inbyggda realtidssystem. Beroende på vilken typ av funktionalitet som används, så kan en miss av deadline leda till katastrofala konsekvenser. Till exempel så kan ett sent meddelande gällande