Networked control systems: Performance evaluation of switched Ethernet architectures
Systèmes contrôlés en réseau : Evaluation de performances d'architectures Ethernet commutées
Résumé
In the field of networked control systems, researches have considerably evolved since Ethernet is more and more used to substitute the traditional industrial local area networks. Even if this choice of Ethernet is justified regarding its intrinsic ability to support all the communications of the enterprise (from office to workshop), it is not suitable to assume the time constraints of distributed control applications. Contrary to the fieldbuses, the non-determinism of the medium access method used by Ethernet does not enable to guarantee strict time constraints.
The contribution of this thesis is to define an analytical approach to upper-bound the end-to-end delays in networked control systems which are based on switched Ethernet architectures. Work has focused on the adaptation of the network calculus theory to these specifics environments. Within this framework, this thesis presents the modeling of an IEEE 802.1D switch as well as a computation method of the end-to-end delays based on the increasing of the traffic burstiness. Several real experiments validate the tightness of the computed bounds.
In addition to the performance evaluation, the work has also considered the Classification of Service (IEEE 802.1D/p) and the optimization of the frames scheduling on Ethernet. Finally, this thesis shows how such a performances evaluation method can be used to scale and optimize the design of switched Ethernet architectures.
The contribution of this thesis is to define an analytical approach to upper-bound the end-to-end delays in networked control systems which are based on switched Ethernet architectures. Work has focused on the adaptation of the network calculus theory to these specifics environments. Within this framework, this thesis presents the modeling of an IEEE 802.1D switch as well as a computation method of the end-to-end delays based on the increasing of the traffic burstiness. Several real experiments validate the tightness of the computed bounds.
In addition to the performance evaluation, the work has also considered the Classification of Service (IEEE 802.1D/p) and the optimization of the frames scheduling on Ethernet. Finally, this thesis shows how such a performances evaluation method can be used to scale and optimize the design of switched Ethernet architectures.
La recherche dans le domaine des systèmes contrôlés en réseau a considérablement évolué depuis qu'Ethernet est de plus en plus utilisé en remplacement des traditionnels réseaux locaux industriels. Si ce choix d'Ethernet se justifie par sa faculté intrinsèque à supporter toutes les communications de l'entreprise (du bureau à l'atelier), il s'accorde difficilement avec les contraintes temporelles des applications de contrôle / commande distribuées. Contrairement aux réseaux de terrain, l'indéterminisme de l'accès à la voie d'Ethernet ne permet pas de garantir le respect des contraintes temporelles strictes.
La contribution de cette thèse est la définition d'une approche analytique permettant de majorer les délais de communication de bout en bout dans les systèmes contrôlés en réseau lorsqu'ils reposent sur une architecture Ethernet commutée. Les travaux se sont focalisés sur l'adaptation de la théorie du calcul réseau à ce type d'environnement. Dans ce cadre, cette thèse développe la modélisation d'un commutateur IEEE 802.1D ainsi qu'une méthode de calcul des délais de bout en bout basée sur l'augmentation du volume des rafales. Plusieurs expérimentations réelles ont permis de valider l'efficacité des bornes obtenues par calcul.
Outre l'évaluation de performances, ces travaux s'intéressent également à la Classification de Service (IEEE 802.1D/p) et à l'optimisation de l'ordonnancement des trames sur Ethernet. Cette thèse montre enfin comment une méthode d'évaluation de performances peut être utilisée pour dimensionner et optimiser la conception d'architectures Ethernet commutées.
La contribution de cette thèse est la définition d'une approche analytique permettant de majorer les délais de communication de bout en bout dans les systèmes contrôlés en réseau lorsqu'ils reposent sur une architecture Ethernet commutée. Les travaux se sont focalisés sur l'adaptation de la théorie du calcul réseau à ce type d'environnement. Dans ce cadre, cette thèse développe la modélisation d'un commutateur IEEE 802.1D ainsi qu'une méthode de calcul des délais de bout en bout basée sur l'augmentation du volume des rafales. Plusieurs expérimentations réelles ont permis de valider l'efficacité des bornes obtenues par calcul.
Outre l'évaluation de performances, ces travaux s'intéressent également à la Classification de Service (IEEE 802.1D/p) et à l'optimisation de l'ordonnancement des trames sur Ethernet. Cette thèse montre enfin comment une méthode d'évaluation de performances peut être utilisée pour dimensionner et optimiser la conception d'architectures Ethernet commutées.
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