Resumen de Time-sensitive networks based on ultra-accurate synchronization mechanisms
- español
En esta tesis se exploran aspectos avanzados en cuanto a la construcción, implementación y validación de sistemas TSN. De este modo, en la Parte I, se le proporciona al lector una descripción general de las tecnologías y especificaciones principales que gobiernan las redes TSN. Asimismo, ponemos en contexto el uso y la definición de perfiles para TSN, al tiempo que enfatizamos su papel fundamental como garantes de la adopción generalizada de TSN en múltiples industrias y aplicaciones, al proporcionar las “plantillas” que definen de forma maestra el diseño y parámetros que debe cumplir un sistema TSN para adaptarse a una aplicación determinada. A continuación, presentamos las metodologías experimentales, herramientas, material de laboratorio, y el diseño de los bancos de pruebas que utilizamos en las etapas de desarrollo y caracterización experimental. De este modo, conseguimos construir sistemas TSN convergentes al combinar todos estos elementos. La convergencia de flujos de datos en TSN es la propiedad fundamental que llevará al eventual reemplazo de los buses de campo, dado que los sistemas TSN pueden manejar tanto datos críticos, como flujos best-effort, y protocolos de sincronización simultáneamente. En este contexto, también desglosamos un caso de uso con la sincronización de White Rabbit (WR) en el Array de Telescopios de Cherenkov (CTA) como una motivación en la que se ilustra cómo al integrar esta tecnología con TSN se posibilita el despliegue de los mismos para aplicaciones científicas. Se enfatiza el haber realizado la implementación exitosa de un sistema TSN determinista basado en una arquitectura para FPGA que es altamente personalizable a la vez que adaptable, por lo que se puede ajustar y parametrizar a múltiples dispositivos y escenarios. En este contexto, cabe destacar la realización con éxito de casos de uso para las Smart Grids y para la aviónica del microlanzador del Miura 1. También se han mostrado resultados preliminares de una integración experimental con WR para explorar la posible aplicación de sistemas TSN en infraestructuras científicas, así como otros aspectos avanzados en relación con la generación automática de parámetros de configuración. Se concluye con una evaluación del nivel general de cumplimiento de los objetivos iniciales del trabajo y proponiendo una hoja de ruta para la mejora y actualización del sistema en el trabajo futuro. Por último, hemos incluido algunas consideraciones en los Apéndices sobre temas seleccionados relacionados con el desarrollo de drivers de red en entornos Linux empotrados.
- English
This thesis explores advanced topics with respect to the construction, implementation, and validation of TSN systems. Hence, in Part I, we provide the reader with an overview of the main technologies and specifications that lie at the foundation of TSN networks. We also introduce the use and definition of profiles for TSN and emphasize their pivotal role in ensuring that the adoption of TSN will be widespread in multiple industries and applications, as they provide well-defined “templates” tailored to the requirements of a specific application domain. After that, we present the experimental methodologies, tools, laboratory material, and the layout of the test benches that we used during the development and experimental characterization stages. We built convergent TSN network systems with the use of these elements. This convergence is the fundamental property that will allow the eventual replacement of fieldbuses. Hence, TSN networks can handle critical data, best-effort traffic, and timing synchronization protocols simultaneously. In this context, we also introduce a motivational case with White Rabbit (WR) synchronization in the Cherenkov Telescope Array to illustrate how an integration with TSN could pave the way for the use of TSN networks for scientific infrastructures. We show that we have implemented a deterministic TSN system using a highly customizable FPGA architecture, that is also adaptable, and that can be fitted and targeted to multiple devices and scenarios. In this context, we emphasize our successful implementation of the system for major use cases in the Smart Grid and for the avionics of the Miura 1 microlauncher. Also, we have shown the preliminary results of our integration with WR timing for exploring the application of TSN to scientific infrastructure and other advanced topics related to the automatic generation of configuration parameters. We conclude by assessing the overall level of compliance of our initial objectives and with the proposal of an upgrade path for the system as future work. Lastly, we have included some considerations in the Appendixes on select topics relating to network driver development for embedded Linux environments.
