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Flexibility in Real-time Networks : Analytical Approaches for Adapting Time-Sensitive Networks to Dynamic Traffic Requirements

Gärtner, Christoph (2024)
Flexibility in Real-time Networks : Analytical Approaches for Adapting Time-Sensitive Networks to Dynamic Traffic Requirements.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027880
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Flexibility in Real-time Networks : Analytical Approaches for Adapting Time-Sensitive Networks to Dynamic Traffic Requirements
Language: English
Referees: Steinmetz, Prof. Dr. Ralf ; Rizk, Prof. Dr. Amr
Date: 26 August 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xii, 128 Seiten
Date of oral examination: 18 July 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027880
Abstract:

In the context of Industry 4.0, achieving flexible and deterministic data delivery is crucial, particularly within networks that leverage Time-Sensitive Networking (TSN) -- an extension of traditional Ethernet -- for real-time service guarantees. Current TSN configurations, however, are predominantly static and do not offer the adaptability required to cater to the continuously evolving demands of applications. Adaptations become increasingly complex when changes need to be incorporated during operation, and applications demand more stringent service guarantees. This complexity stems from elaborate TSN planning requirements, resulting in static switch configurations. Furthermore, these configurations lack indicators for the reconfiguration potential, thus making and predicting adaptations difficult. The static nature of TSN schedule configurations typically necessitates complete reconfigurations, resulting in service downtimes for applications in the network.

To address these challenges, this thesis introduces a novel flexibility metric called "flexcurve" designed to enhance the management of dynamic TSN networks. The introduction of the flexcurve metric aims to quantify the flexibility at network bottlenecks by considering frame size and other traffic requirements, thereby measuring possibilities for the integration of new traffic without extensive rescheduling. Consequently, it enables a central TSN controller to perform more informed traffic admissibility checks, path selection, and scheduling adjustments during the configuration planning phase. Utilizing a path-based approach, the flexcurve metric captures the essence of end-to-end scheduled traffic. Furthermore, the formulation allows for both disaggregation and aggregation, enhancing efficiency. Disaggregations enable traffic admissibility checks of different sources simultaneously, while aggregations facilitate the rapid construction of the metric from existing configurations.

The thesis builds on the flexcurve metric and introduces a search heuristic algorithm that employs the flexcurve for dynamic scheduling. This algorithm is designed to generate eligible candidates and incorporates a secondary heuristic for pruning to select the most promising candidates. Additionally, methods are included for choosing paths that optimize the value of the flexcurve.

As final contributions, the deployment capabilities of TSN to non-TSN hardware have been augmented by leveraging programmable Push-In-First-Out (PIFO) queues and by developing the Residence Delay Aggregation (RDA) method, which ensures per-flow delay guarantees on programmable switches. Additionally, the flexcurve has been further extended by integrating multi-mechanism support, significantly improving network flexibility and broadening TSN deployment opportunities.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Industrie 4.0 erfordert den Einsatz flexibler und deterministischer Datenübertragung, besonders in Netzen, die Time-Sensitive Networking (TSN) nutzen. TSN, eine Erweiterung von Ethernet, bietet Echtzeitgarantien für die Datenübertragung. Allerdings sind bestehende TSN-Konfigurationen überwiegend statisch und können sich nicht ausreichend an sich dynamisch ändernde Anforderungen anpassen. Ihre statische Natur, verbunden mit einem hohen Planungsaufwand und fehlenden Indikatoren für Rekonfigurationsmöglichkeiten, erschwert die Anpassung an veränderliche Bedingungen und führt bei Änderungen häufig zu Netzausfällen.

Um diese Herausforderungen anzugehen, wird in dieser Arbeit eine neuartige Flexibilitätsmetrik, die "Flexcurve" eingeführt, die es ermöglicht, das Management von dynamischen TSN-Netzwerken zu verbessern. Ziel der Flexcurve-Metrik ist es, die Flexibilität an Netzengpässen zu quantifizieren, indem sie die Datengrößen und andere Verkehrsanforderungen von Anwendungen berücksichtigt. Dadurch können ohne umfangreiche Neuplanung die Möglichkeiten für die Integration neuer Datenströme gemessen werden. Folglich ermöglicht sie es einem zentralen TSN-Controller, Prüfungen über die Zulässigkeit von Datenströmen, die Auswahl von geeigneten Pfaden und eine Anpassung der Zeitplanung durchzuführen. Durch einen pfadbasierten Ansatz erfasst die Flexcurve-Metrik den Ende-zu-Ende zeitgeplanten Netzverkehr. Darüber hinaus erlaubt die konkrete Formulierung der Flexibilitätsmetrik sowohl ein "Aufbrechen" als auch ein "Zusammensetzen", was die Effizienz steigert. Das Aufbrechen ermöglicht Prüfungen auf Zulässigkeit von verschiedenen Quellen gleichzeitig, während das Zusammensetzen den schnellen Aufbau der Metrik aus bestehenden Konfigurationen erleichtert.

Aufbauend auf dieser Metrik präsentiert diese Arbeit einen heuristischen Suchalgorithmus, der die Flexcurve für eine dynamische Zeitplanung verwendet. Dieser Algorithmus ist darauf ausgelegt, geeignete Zeitplan-Kandidaten zu erzeugen und beinhaltet eine sekundäre Heuristik zum Vorselektieren, um die vielversprechendsten Kandidaten auszuwählen. Zusätzlich sind Methoden zur Auswahl von Pfaden enthalten, die den Wert der Flexcurve optimieren.

Abschließend betrachtet diese Arbeit die Einsatzfähigkeit von TSN auf Nicht-TSN-Geräten durch die Nutzung programmierbarer Push-In-First-Out (PIFO)-Puffer sowie durch die Entwicklung der Residence Delay Aggregation (RDA)-Methode. RDA ermöglicht Latenzgarantien pro Datenstrom auf programmierbaren Netzwerkgeräten. Zudem wurde die Flexcurve durch Unterstützung für mehrere Mechanismen erweitert, was die Netzwerkflexibilität verbessert und die Einsatzmöglichkeiten von TSN erweitert.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-278806
Classification DDC: 000 Generalities, computers, information > 004 Computer science
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute of Computer Engineering > Multimedia Communications
Date Deposited: 26 Aug 2024 14:53
Last Modified: 05 Sep 2024 09:40
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27880
PPN: 521107091
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