Time redundancy mechanisms for tolerating temporary faults in the communication subsystem of systems based on Time-Sensitive Networking standards

Abstract

[eng] In the last years several novel industrial applications have emerged, such as Industry 4.0, autonomous driving or intelligent energy distribution. On top of the intrinsic characteristics of traditional industrial applications, i.e. realtime constraints and increased dependability; these novel applications exhibit new requirements such as adaptivity, high inter-connectivity or integration of services with di erent operation requirements over a single infrastructure. Because of their nature, the systems that support these applications are distributed, which means that the communication subsystem is fundamental to guarantee the proper operation of the overall system. Nonetheless, currently there is not a standardised communication protocol capable of ful lling all the needs of the communication subsystems of these novel applications. For this reason, the Time-Sensitive Networking (TSN) Task Group has been working on proposing a series of technical standards to provide Ethernet with hard real-time guarantees, on-line management of the tra c and fault tolerance mechanisms to increase reliability. Speci cally, TSN proposes using space redundancy to increase the reliability of Ethernet networks, which consists in transmitting each frame in parallel through several physical paths. Nevertheless, using space redundancy to tolerate temporary faults is not a cost-e ective solution. For this reason, in this dissertation, we propose to use time redundancy to tolerate temporary faults in the links of TSN-based networks. Speci cally, we present the Proactive Transmission of Replicated Frames mechanism, which consists in transmitting several copies of each frame in a preventive manner to increase the chances of at least one copy reaching its intended destination even in the presence of temporary faults. This mechanism is specially tailored to the speci c characteristics of TSN. In this dissertation we show that we can increase the reliability of TSNbased networks using PTRF to provide proactive time redundancy to tolerate vi temporary faults in the links, while keeping the characteristics that make TSN an appealing technology for the communication subsystem of the aforementioned applications.

[spa] En los ultimos a~nos han emergido novedosas aplicaciones industriales, tales como la Industria 4.0, la conducci on aut onoma o la distribuci on inteligente de energ a. Adem as de las caracter sticas intr nsecas de las aplicaciones industriales, es decir, requisitos de tiempo real y una elevada garant a de funcionamiento; estas nuevas aplicaciones presentan nuevos requisitos, tales como la adaptividad, la elevada interconectividad o la integraci on de servicios con distintos requisitos operacionales sobre una unica infraestructura. Debido a su naturaleza, los sistemas que ejecutan estas aplicaciones son distribuidos, lo que convierte al subsistema de comunicaciones en una pieza fundamental para garantizar el correcto funcionamiento del sistema en su conjunto. Sin embargo, en la actualidad no hay ning un protocolo de comunicaciones que cubra todas las necesidades de los subsistemas de comunicaciones de estas nuevas aplicaciones. Por este motivo, el grupo de trabajo Time- Sensitive Networking (TSN) lleva a~nos trabajando en una serie de est andares t ecnicos para dotar a Ethernet de garant as de tiempo real, gesti on del tr a co en tiempo de funcionamiento y de mecanismos de tolerancia a fallos para incrementar la abilidad. En concreto, TSN propone utilizar redundancia espacial para incrementar la abilidad de redes Ethernet, que consiste en enviar cada trama por varios caminos en paralelo. Sin embargo, usar redundancia espacial para tolerar fallos temporales no es una soluci on e ciente. Por esta raz on, en esta monograf a, proponemos utilizar redundancia temporal para tolerar fallos temporales en los enlaces de redes basadas en los est andares TSN. Concretamente, presentamos el mecanismo Proactive Transmission of Replicated Frames que consiste en transmitir varias copias de cada trama de manera preventiva para incrementar la probabilidad de que al menos una copia llegue a su destino correctamente, incluso en presencia de fallos temporales. En esta monograf a mostramos que podemos incrementar la abilidad de viii redes basadas en TSN utilizando PTRF para dotar a la red de redundancia temporal para tolerar fallos temporales en los enlaces, todo ello manteniendo las caracter sticas que hacen de TSN una tecnolog a adecuada para los subsistemas de comunicaci on de las aplicaciones arriba mencionadas.

[cat] En els ultims anys han emergit noves aplicacions industrials, com ara la Ind ustria 4.0, la conducci o aut onoma o la distribuci o intel·ligent d'energia. A m es de les caracter stiques intr nseques de les aplicacions industrials, es a dir, requisits de temps real i una elevada garantia de funcionament; aquestes noves aplicacions presenten nous requisits, com ara, l'adaptabilitat, l'elevada interconnectivitat o la integraci o de serveis amb diferents requisits operacionals sobre una unica infraestructura. A causa de la seva naturalesa, els sistemes que executen aquestes aplicacions s on distribu ts, la qual cosa converteix al subsistema de comunicacions en una pe ca fonamental per garantir el correcte funcionament del sistema en el seu conjunt. No obstant aix o, en l'actualitat no hi ha cap protocol de comunicacions que cobreixi totes les necessitats dels subsistemes de comunicacions d'aquestes noves aplicacions. Per aquest motiu, el grup de treball Time-Sensitive Networking (TSN) porta anys treballant en una s erie d'est andards t ecnics per dotar a Ethernet de garanties de temps real, gesti o del tr a c en temps de funcionament i de mecanismes de toler ancia a fallades per incrementar la abilitat. En concret, TSN proposa utilitzar redund ancia espacial per incrementar la abilitat de xarxes Ethernet, que consisteix a enviar cada trama per diversos camins en paral·lel. No obstant, usar redund ancia espacial per a tolerar fallades temporals no es una soluci o e cient. Per aquesta ra o, en aquesta monogra a, proposem utilitzar redund ancia temporal per a tolerar fallades temporals en els enlla cos de xarxes basades en els est andards TSN. Concretament, presentam el mecanisme Proactive Transmission of Replicated Frames que consisteix a transmetre diverses c opies de cada trama de manera preventiva per a incrementar la probabilitat que almenys una c opia arribi al seu dest correctament, ns i tot en pres encia de fallades temporals. En aquesta monogra a mostrem que podem incrementar la abilitat de x xarxes basades en TSN utilitzant PTRF per a dotar a la xarxa de redund ancia temporal per a tolerar fallades temporals en els enlla cos, tot aix o mantenint les caracter stiques que fan de TSN una tecnologia adequada per als subsistemes de comunicaci o de les aplicacions a dalt esmentades.