Dependable systems over synchronous ethernet

Resumen

Esta tesis presenta el trabajo realizado sobre aplicaciones distribuidas críticas en infraestructuras de red industriales. Dicho trabajo se centra en proporcionar a todos los elementos de la red capacidades de redundancia para así incrementar la tolerancia a fallos tanto a nivel local como distribuido, poniendo especial énfasis en aspectos de sincronización. Esta tesis está estructurada en cuatro partes. En la primera revisaremos el estado del arte, poniendo especial atención en todos aquellos elementos que forman parte de un sistema crítico distribuido. Esta sección comienza con la evolución experimentada por los sistemas críticos (SC) a lo largo de los últimos años y su adaptación desde las arquitecturas mononúcleo a las multinúcleo. Posteriormente nos centraremos en el crecimiento progresivo experimentado por las redes eléctricas hacia los sistemas inteligentes, conocidos como Smart Grid, junto a su relación con aplicaciones críticas, además de sus necesidades relacionadas con la sincronización de los diferentes eventos que tiene lugar a lo largo de la red. Mostraremos diferentes tipos de tecnologías de sincronización, con especial atención sobre la principalmente utilizada en esta tesis, la tecnología White Rabbit (WR). Esta tecnología es capaz de proporcionar una precisión por debajo del nanosegundo en redes Ethernet. Para finalizar este apartado, hemos incluido un breve estudio de mercado para comparar nuestra contribución con otras tecnologías existentes en el mercado. En la segunda parte revisaremos los métodos utilizados para incrementar la fiabilidad en sistemas finales (nodos hoja) de criticidad mixta utilizando arquitecturas multinúcleo. Pondremos especial atención en el desarrollo de métodos para aislar las partes críticas de las no críticas tanto en software como en hardware, sin incrementar los costes del proceso de certificación del sistema final. Este desarrollo está basado en un caso de uso industrial utilizado como prueba de concepto, en el que se define la parada de emergencia de un controlador de un motor industrial. Finalizaremos esta parte con un análisis de las características de tolerancia a fallos añadidas al sistema gracias a la duplicidad de los recursos hardware, la definición de arquitecturas software redundantes y de la integración de canales de comunicación confiables entre diferentes procesadores. En la tercera parte, pasaremos de la problemática de las comunicaciones entre núcleos de un mismo dispositivo, a las comunicaciones entre diferentes procesos distribuidos a lo largo de la red. Revisaremos diferentes métodos para incrementar la fiabilidad, escalabilidad y compatibilidad en redes industriales, poniendo especial interés en la distribución de tiempo y datos. En primer lugar, introduciremos el desarrollo de diferentes tipos de relojes para la tecnología WR con el fin de incrementar su escalabilidad y su compatibilidad industrial. A continuación, describiremos los métodos desarrollados para proporcionar a las redes de sincronización WR mecanismos para incrementar la tolerancia a fallos y así evitar puntos únicos de error en topologías de red en anillo. Esto requiere la implementación de mecanismos de conmutación para cambiar de una fuente primaria de sincronización a una de respaldo (backup), los cuales son también descritos en esta parte del documento. Del mismo modo, describiremos los mecanismos de redundancia desarrollados para garantizar la distribución y recepción de datos, incrementando así la disponibilidad de los servicios proporcionados en la red y reduciendo la latencia de transmisión. Finalmente, analizaremos el ancho de banda y la fiabilidad con la que se transmiten dichos datos. La cuarta y última parte corresponde a la integración de los conceptos anteriormente descritos, tales como pueden ser las implementaciones redundantes y los métodos para incrementar la compatibilidad entre los diferentes elementos que forman un sistema de control distribuido para aplicaciones de misión-crítica sobre redes sincronizadas real. Dicho sistema estará formado por dispositivos de red que integran capacidades redundantes, módulos de adquisición de datos y terminales remotos (RTUs), todos ellos interconectados en una red anillada. Este despliegue incluye la diseminación de una referencia de tiempo duplicada, en la cual se utiliza WR para el núcleo de sincronización de la red, proporcionando la mejor precisión posible (por debajo de 1 ns). Por otro lado, se han utilizado otras soluciones industriales para sincronizar los módulos de adquisición y RTUs, como son el Protocolo de Precisión de Tiempo (PTP) e IRIG-B. Además, los datos se envían a través de la red de forma segura gracias a los canales de comunicación confiables. Finalmente, se ha utilizado una herramienta de seguridad capaz de evaluar los elementos que forman el sistema según su grado de criticidad para así definir sus niveles de integridad.