[論文レビュー] A Survey of Scheduling Algorithms for the Time-Aware Shaper in Time-Sensitive Networking (TSN)

Thomas Stüber, Lukas Osswald+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2022

Network Time Synchronization Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本サーベイは、リアルタイムイーサネットネットワークにおけるキューイング遅延を最小限に抑えるために、タイムセンシティブネットワーキング（TSN）におけるタイムアウェアシェーパー（TAS）のスケジューリングアルゴリズムについて包括的な分析を提供する。周期的な送信時刻とゲート制御リストの計算手法をカバーし、最適化の目的、既存のアプローチの評価、スケーラビリティ、マルチメカニズム共存、スケジュール構造の理解に関する未解決問題を特定する。

ABSTRACT

Time-Sensitive Networking (TSN) is an enhancement of Ethernet which provides various mechanisms for real-time communication. Time-triggered (TT) traffic represents periodic data streams with strict real-time requirements. Amongst others, TSN supports scheduled transmission of TT streams, i.e., the transmission of their frames by end stations is coordinated in such a way that none or very little queuing delay occurs in intermediate nodes. TSN supports multiple priority queues per egress port. The TAS uses so-called gates to explicitly allow and block these queues for transmission on a short periodic timescale. The TAS is utilized to protect scheduled traffic from other traffic to minimize its queuing delay. In this work, we consider scheduling in TSN which comprises the computation of periodic transmission instants at end stations and the periodic opening and closing of queue gates. In this paper, we first give a brief overview of TSN features and standards. We state the TSN scheduling problem and explain common extensions which also include optimization problems. We review scheduling and optimization methods that have been used in this context. Then, the contribution of currently available research work is surveyed. We extract and compile optimization objectives, solved problem instances, and evaluation results. Research domains are identified, and specific contributions are analyzed. Finally, we discuss potential research directions and open problems.

研究の動機と目的

• タイムセンシティブネットワーキング（TSN）におけるタイムアウェアシェーパー（TAS）のスケジューリングアルゴリズムについて、厳密な遅延およびジタ制約を有するタイムトリガー（TT）トラフィックに焦点を当て、体系的なレビューを提供すること。
• TSNスケジュール計算に関する既存の研究を特定・分類し、モデリングの仮定、最適化の目的、問題インスタンスを含むこと。
• TASベースのトラフィックスケジューリングにおける現在のスケジューリングおよび最適化手法のスケーラビリティ、パフォーマンス、制限要因を分析すること。
• 複数のTSNメカニズムの共存、ルーティングとスケジューリングの統合、スケジュールの構造的複雑性といった、未解決の研究課題を浮き彫りにすること。
• 産業オートメーションおよびリアルタイムアプリケーション分野におけるTSNスケジューリングの最先端手法と今後の方向性を特定する支援を研究者に提供すること。

提案手法

• 2023年3月までに発表されたTSNスケジューリングに関する論文を対象とした体系的文献レビュー。
• 問題拡張に基づく研究の分類：固定ルーティング対統合ルーティング、信頼性対応、低優先度トラフィック対応、ハードウェア制約対応。
• 最大遅延、ジタ、スケジュール長の最小化、スケジュールのタイトネスの最大化といった最適化目的の収集と分析。
• 整数線形プログラミング（ILP）、ヒューリスティックアルゴリズム、遺伝的アルゴリズムやシミュレーテッドアニーリングなどのメタヒューリスティクスを含むスケジューリング手法の評価。
• 研究間での問題インスタンス、スケーラビリティ結果、実装制約（ブリッジにおけるフィルタリングエントリ制限を含む）の比較。
• 代表的業績と人気のある出版学会を特定し、研究の地図を描き、TSNスケジューリング分野における研究の進化を追跡すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TASを用いたTSNスケジューリングで一般的に用いられる最適化目的は何か。また、それらはスケジュール設計にどのように影響を与えるか。
• RQ2 正確な手法、ヒューリスティック手法、メタヒューリスティクス（遺伝的アルゴリズム、シミュレーテッドアニーリングなど）は、さまざまな問題インスタンスにおいてスケーラビリティと解の品質の観点でどのように性能を発揮するか。
• RQ3 統合ルーティング、マルチキャスト、非周期的トラフィック対応といった基本的なTSNスケジューリング問題の拡張は、どのようなものがあり、それらがアルゴリズムの複雑性にどのように影響を与えるか。
• RQ4 フィルタリングエントリ数の制限やゲート制御リスト（GCL）サイズといった技術的制約は、スケジュールの実現可能性と構造にどのように影響を与えるか。
• RQ5 特に複数のTSNメカニズムの共存と最適スケジュールの構造的性質に関して、TSNスケジューリングにおける主要な未解決課題は何か。

主な発見

• スイッチ間でのストリーム送信時刻とゲート制御リスト（GCL）構成の間の相互依存性により、TSNスケジューリング問題は極めて複雑である。
• 既存の多くは最大遅延またはジタの最小化に注力しており、その多くが小規模インスタンスにおいて正確な解を得るために整数線形プログラミング（ILP）を用いている。
• 遺伝的アルゴリズムやシミュレーテッドアニーリングなどのヒューリスティックおよびメタヒューリスティクス手法は、大規模インスタンスで広く用いられているが、しばしば形式的なスケーラビリティ保証を欠いている。
• 関連サーベイにおいて調査された論文のうち、TASベースのスケジューリングを扱うものはわずか17件（全128件中）にとどまり、このコアTSNメカニズムに特化した分析のギャップが顕在化している。
• スケーラビリティ分析は限定的であり、特に統合ルーティングや信頼性制約といった拡張を伴う場合に、TSNスケジューリング問題が本質的に難しい理由をまだ十分に説明できていない。
• TAS、CBS、CQFなどの複数のTSNメカニズムの共存は未解決の課題であり、メカニズム間の統合的構成とストリームの割り当てを包括的に扱うフレームワークはまだ存在しない。