[論文レビュー] Reconfiguration Algorithms for High Precision Communications in Time Sensitive Networks: Time-Aware Shaper Configuration with IEEE 802.1Qcc (Extended Version)

Ahmed Nasrallah, Venkatraman Balasubramanian+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Network Time Synchronization Technologies参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、IEEE 802.1Qcc を用いたタイムセンシティブネットワーク（TSN）の再構成フレームワークを提案し、タイムアウェアシェーパー（TAS）のゲート制御リスト（GCL）を動的に管理することで、ゼロパケットロスと超低遅延を実現する高精度で決定論的な通信を可能にする。中央集権型（ハイブリッド）および完全分散型 802.1Qcc モデルの両方を評価し、分散型モデルが中央集権型モデルとほぼ同等の QoS 性能を達成するとともに、制御プレーンの複雑さを低減することを示している。

ABSTRACT

As new networking paradigms emerge for different networking applications, e.g., cyber-physical systems, and different services are handled under a converged data link technology, e.g., Ethernet, certain applications with mission critical traffic cannot coexist on the same physical networking infrastructure using traditional Ethernet packet-switched networking protocols. The IEEE 802.1Q Time Sensitive Networking (TSN) task group is developing protocol standards to provide deterministic properties on Ethernet based packet-switched networks. In particular, the IEEE 802.1Qcc, centralized management and control, and the IEEE 802.1Qbv, Time-Aware Shaper, can be used to manage and control scheduled traffic streams with periodic properties along with best-effort traffic on the same network infrastructure. In this paper, we investigate the effects of using the IEEE 802.1Qcc management protocol to accurately and precisely configure TAS enabled switches (with transmission windows governed by gate control lists (GCLs) with gate control entries (GCEs)) ensuring ultra-low latency, zero packet loss, and minimal jitter for scheduled TSN traffic. We examine both a centralized network/distributed user model (hybrid model) and a fully-distributed (decentralized) 802.1Qcc model on a typical industrial control network with the goal of maximizing scheduled traffic streams.

研究の動機と目的

• 変化するトラフィック需要やネットワークトポロジーの下でも、TSN ネットワークを動的に再構成しつつ、厳密な QoS 保証を維持する課題に対処すること。
• ミッションクリティカルなトラフィックの TAS スケジューリングを管理する上で、中央集権型（ハイブリッド）および完全分散型 802.1Qcc モデルの性能を評価すること。
• 超低遅延、ゼロパケットロス、最小限のジタを損なわず、動的条件下で許容可能なスケジュール済みトラフィックストリームの数を最大化すること。
• 制限されたネットワーク可視性を有する産業制御ネットワークにおける分散型設定の実現可能性と性能トレードオフを評価すること。

提案手法

• 著者らは、変化するネットワーク状態に応じてタイムアウェアシェーパー（TAS）のゲート制御リスト（GCL）を動的に調整できる再構成フレームワークを、IEEE 802.1Qcc を基盤として設計した。
• 2 つのモデルを実装・評価した：中央集権型ネットワーク／分散型ユーザー（ハイブリッド）モデルと、完全分散型（分散型）802.1Qcc モデル。
• フレームワークはストリーム登録手順を用いて総利用時間の収集を行い、アドミッション制御および再構成ポリシーを適用してストリームアドミッションを最適化する。
• 本研究では、典型的な産業制御ネットワークトポロジーを対象にシミュレーションベースの評価を実施し、フレームロス率、遅延、ジタなどの QoS メトリクスをモデル間で比較した。
• 再構成ロジックは、新しいまたは変更されたトラフィックフローに対応するために、GCL 時刻エントリ（GCE）を動的に調整し、QoS 保証を維持する。
• 性能評価は、さまざまなトラフィック負荷（低、中、高）およびネットワークトポロジー（双方向、ループ）の下で実施され、主なメトリクスとして BE トラフィックのロスと ST フレームのドロップ率を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TSN ネットワークにおけるスケジュール済みトラフィック（ST）およびベストエフォート（BE）トラフィックの QoS メトリクスに関して、完全分散型 802.1Qcc モデルは中央集権型（ハイブリッド）モデルと比較してどの程度の性能を示すか？
• RQ2 分散型モデルにおける帯域内 CDT トラフィックは ST ストリームの遅延にどのような影響を及ぼすか？また、その影響をどのように軽減できるか？
• RQ3 分散型モデルは、プラグアンドプレイによるデバイスの追加・削除を含む動的再構成を、スケジューリングの著しい混乱を伴わず効果的にサポートできるか？
• RQ4 制限されたタイムスロット利用可能量と高負荷の ST トラフィック下で、中央集権型と分散型モデルにおけるスケジュール済みトラフィックストリームのアドミッションレートはどのように異なるか？
• RQ5 中央集権型と分散型の再構成戦略の間で、ネットワーク可視性、障害回復、シグナリングオーバーヘッドのトレードオフは何か？

主な発見

• 分散型 802.1Qcc モデルは、スケジュール済みトラフィック（ST）について中央集権型モデルとほぼ同等の QoS 性能を達成しており、すべての ST ストリームでフレームドロップがゼロである。
• 双方向トポロジー下では、分散型モデルにおけるベストエフォート（BE）トラフィックのロスレートが中央集権型モデルとほぼ同等であり、BE 性能も同等であることが示された。
• 分散型モデルにおける帯域内 CDT トラフィックは、ST ストリームの遅延を引き起こし、特に高負荷の ST ロード下では最大遅延保証を破る可能性がある。
• 分散型モデルは、サービスクラスごとにトラフィックを効果的に分離でき、中央集権型ネットワークコントローラ（CNC）のオーバーヘッドなしに完全なストリームアドミッションをサポートできる。
• 中央集権型モデルは、ネットワーク全体の可視性を有するため、障害回復およびルート再ルーティングの能力が優れており、分散型モデルにはその利点が欠けている。
• 分散型モデルにおける動的再構成は、適切に管理されない場合には情報の洪水とスケジューリングスケューを引き起こす可能性があるため、堅牢なシグナリングメカニズムの導入が不可欠である。