[論文レビュー] A QoS Aware Approach to Service-Oriented Communication in Future Automotive Networks

Mehmet Çakır, Timo Häckel+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2019

Service-Oriented Architecture and Web Services参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、動的QoSネゴシエーションプロトコルとマルチプロトコルスタックを用いて、異種のリアルタイム要件をサポートする、将来の自動車ネットワーク向けのQoS対応サービス指向ミドルウェアを提案する。OMNeT++ベースのシミュレーションによる評価では、70％のクロストラフィックが発生してもセットアップ時間が2 ms未塔を維持され、非安全関連サービスの自動車QoS制約を満たしている。

ABSTRACT

Service-Oriented Architecture (SOA) is about to enter automotive networks based on the SOME/IP middleware and an Ethernet high-bandwidth communication layer. It promises to meet the growing demands on connectivity and flexibility for software components in modern cars. Largely heterogeneous service requirements and time-sensitive network functions make Quality-of-Service (QoS) agreements a vital building block within future automobiles. Existing middleware solutions, however, do not allow for a dynamic selection of QoS. This paper presents a service-oriented middleware for QoS aware communication in future cars. We contribute a protocol for dynamic QoS negotiation along with a multi-protocol stack, which supports the different communication classes as derived from a thorough requirements analysis. We validate the feasibility of our approach in a case study and evaluate its performance in a simulation model of a realistic in-car network. Our findings indicate that QoS aware communication can indeed meet the requirements, while the impact of the service negotiations and setup times of the network remain acceptable provided the cross-traffic during negotiations stays below 70% of the available bandwidth.

研究の動機と目的

• 既存の自動車ミドルウェアにおける動的QoSサポートの欠如に対処すること。
• 異種のリアルタイム要件を有する将来の自動車ネットワークにおけるQoS対応通信を可能にすること。
• 厳密な要件分析に基づき、複数の通信クラスをサポートするプロトコルスタックを設計すること。
• QoSネゴシエーションのセットアップ時間に与える性能への影響を、現実的な車載ネットワークシナリオで評価すること。
• 現実的なクロストラフィック条件下での動的QoSネゴシエーションの実現可能性を検証すること。

提案手法

• サービスレベルでの動的QoS合意ネゴシエーションを可能にするQoSネゴシエーションプロトコル（QoSNP）を提案する。
• ベストエフォート、レート制約、静的リアルタイム、オーディオビデオブリッジングの4つの異なるQoSクラスをサポートするマルチプロトコルスタックを設計する。
• QoSNPをSOME/IPミドルウェアおよびTSNベースのイーサネットと統合し、QoS対応サービス通信を実現する。
• 生産車両の従来のCANベースアーキテクチャをもとにした現実的な自動車ネットワークトポロジーを用いた事例研究を実施する。
• 実際の車載通信トレースを用いてOMNeT++でネットワークをシミュレートし、セットアップ時間とプロトコルオーバーヘッドを測定する。
• クロストラフィックレベルを0–1000 Mbit/sの範囲で変化させ、スケーラビリティと遅延への影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的QoSネゴシエーションプロトコルは、自動車サービス指向通信における異種のQoS要件を効果的にサポートできるか？
• RQ2 現実的な車載ネットワークにおけるクロストラフィックが、QoSネゴシエーションのセットアップ時間に与える影響は何か？
• RQ3 本稿で提案するミドルウェアは、現実的な負荷条件下でも許容可能なセットアップ遅延を維持できるか？
• RQ4 異なるQoSクラス（例：RT、BE）は、マルチプロトコルスタック内でどのように共存・相互運用するか？
• RQ5 本システムは、非安全関連サービスの自動車リアルタイム要件（例：150–200 ms）を満たすことができるか？

主な発見

• 提案されたQoSネゴシエーションプロトコルにより、サービス間での動的QoS合意が可能となり、4つの異なるQoSクラスがサポートされる。
• クロストラフィックが利用帯域幅の70％未塔の場合、セットアップ時間は2 ms未塔を維持され、大多数の自動車アプリケーションにとって許容可能である。
• 約60–70％のクロストラフィックで、セットアップ時間が急激に増加し始めることが判明し、パフォーマンスの閾値が特定された。
• 最小セットアップ時間はほぼ一定を保つが、平均および最大時間はクロストラフィックの増加に伴いほぼ指数関数的に増加する。
• 非安全関連トラフィックの自動車QoS要件（150–200 ms）を満たしており、プロトコル遅延はミリ秒レベルにとどまる。
• 安全関連トラフィックの場合は、ネゴシエーションに起因するジターフリーを避けるために、静的TDMAベースのクラスが推奨される。