Studio e sviluppo di un sistema di calcolo avionico ad alta integrità = Study and development of high integrity avionic computing platform

Questa tesi si focalizza sullo studio e la modellazione di un sistema di calcolo distribuito per il mondo dell’avionica. La tesi esplora le possibili soluzioni hardware per la creazione del sistema di calcolo distribuito e analizza i vantaggi e svantaggi delle possibili topologie con cui queste possono essere connesse. Nella tesi, viene esplorato nel dettaglio il funzionamento del protocollo AFDX (Avionics Full-Duplex Switched Ethernet) che, ad oggi, viene largamente utilizzato nella realizzazione delle ADN (Avionic Data Network). Il protocollo AFDX si basa sullo standard ethernet ma implementa un insieme di meccanismi e regole che rendono le comunicazioni deterministiche e resilienti ai guasti. Una serie di blocchi Simulink in grado di simulare il funzionamento di una rete AFDX sono stati sviluppati e proposti, includendo una serie di test di unità, allo scopo di valutarne il comportamento nell’architetture di sistema analizzate. Inoltre, il lavoro di tesi include la progettazione di un sistema di calcolo distribuito pensato per il mondo dell’avionica. Questa seconda parte ha portato è supportata dallo sviluppo di un modello Simulink di una rete i cui nodi rappresentano l’hardware che compone il sistema di calcolo distribuito. Si è individuata una topologia a torus come la soluzione più conveniente allo scopo. Questa particolare topologia prevede che i cluster, ovvero gruppi di nodi collegati a mesh, vengano interconnessi formando una griglia avente collegamenti loop che aumentino il livello di connettività. Anche in questo caso è stata realizzata una serie di test di unità per validare il corretto funzionamento dei blocchi. Il modello creato ha lo scopo di simulare il traffico tra i nodi del sistema sia in termini di routing che in termini di latenza dei flussi. Facendo riferimento a questa topologia di rete la tesi propone due possibili approcci per la gestione del routing. Il primo approccio, che viene definito statico, prevede la generazione di una tabella di forwarding fissa per ogni nodo utilizzando l’algoritmo di Dijkstra e una serie di matrici che descrivono la rete. Il secondo approccio, definito routing dinamico, consiste in una variante del routing XY adattata alla topologia in esame. In entrambi i casi una serie di script Matlab ha permesso di esaminare in modo esaustivo il funzionamento del routing proposto. L’ultima parte della tesi si è concentrata sulla modellazione di una possibile soluzione TSN. Questa parte segue quelli che sono i 3 aspetti cardine di una soluzione TSN: time-syncronizzation, traffic shaping e flows scheduling. Per la parte di sincronizzazione è stato realizzato un modello Simulink che implementa il protocollo PTP (Precision Time Protocol). Per la parte di traffic shaping è stato implementato il modulo del “time aware shaper” descritto nello standard IEEE 802.1 Qbv. Per la parte di scheduling è stato implementato in python un algoritmo di “no-wait scheduling” che risolve l’esigenza di avere latenze deterministiche nella ricezione dei pacchetti. La scelta di utilizzare strumenti del mondo Matlab per la simulazione, anche se non sono appositamente progettati per simulare reti a pacchetto, è dettata dalla larga diffusione che questo software ha all’interno dell’industria aerospaziale e dalla possibilità di integrazione con sistemi di natura meccanica.