[논문 리뷰] Real-Time Guarantees for Critical Traffic in IEEE 802.1Qbv TSN Networks with Unscheduled and Unsynchronized End-Systems

Mohammadreza Barzegaran, Niklas Reusch외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 04.

Network Time Synchronization Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 IEEE 802.1Qbv TSN 네트워크를 위한 새로운 스케줄링 기법을 제안하며, 종단 시스템이 스케줄링되지 않고 동기화되지 않은 상태에서도 실시간 보장을 가능하게 한다. 이는 최악의 지연 분석을 제약 프로그래밍 솔버에 통합하고, 탭우 검색 메타휴리스틱을 활용하여 구현된다. 이 방법은 유한한 지연을 달성하고 대역폭 사용을 줄이며, OMNET++ 시뮬레이션과 최대 500개의 흐름 및 120대의 장치를 포함한 실제 테스트 케이스를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Time-Sensitive Networking (TSN) aims to extend the IEEE 802.1Q Ethernet standard with real-time and time-aware capabilities. Each device's transmission of time-critical frames is done according to a so-called Gate Control List (GCL) schedule via the timed-gate mechanism described in IEEE 802.1Qbv. Most schedule generation mechanisms for TSN have a constraining assumption that both switches and end-systems in the network must have at least the TSN capabilities related to scheduled gates and time synchronization. However, many TSN networks use off-the-shelf end-systems, e.g., for providing sensor data, which are not scheduled and/or synchronized. In this paper, we propose a more flexible scheduling strategy that considers a worst-case delay analysis within the scheduling synthesis step, leveraging the solution's optimality to support TSN networks with unscheduled and unsynchronized end-systems while still being able to guarantee bounded latency for critical messages. Our method enables real-world systems that feature off-the-shelf microcontrollers and sensor nodes without TSN capabilities connected to state-of-the-art TSN networks to communicate critical messages in a real-time fashion. We evaluate our approach using both synthetic and real-world test cases, comparing it with existing scheduling mechanisms. Furthermore, we use OMNET++ to validate the generated GCL schedules.

연구 동기 및 목표

• 802.1Qbv 및 802.1ASrev 기능을 통해 종단 시스템이 모두 스케줄링되고 동기화되어야 하는 기존 TSN 스케줄링 방법의 한계를 해결하기 위해.
• 상용 마이크로컨트롤러 및 센서 노드가 TSN 지원을 하지 않는 산업 및 자동차 네트워크에서 실시간 통신을 가능하게 하기 위해.
• 프레임 스케줄링과 시간 인식 샤퍼 윈도우 생성을 분리하여, 실제 구현 환경에서의 유연성과 확장성을 높이기 위해.
• 비동기화 환경에서 비critical 트래픽의 종단 간 지연 한계를 확보하면서도 대역폭 사용을 최소화하기 위해.
• TSN NeSTiNg 확장 기능을 활용한 OMNET++를 통해 생성된 스케줄의 정확성과 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 최악의 지연 분석을 [32]에서 인용한 바와 같이 제약 프로그래밍(CP) 솔버에 통합하여 종단 간 지연 요구사항을 충족하는 GCL 스케줄을 생성한다.
• 해결 공간을 효율적으로 탐색하고 국소 최적해에 갇히는 것을 방지하기 위해 CP 솔버 내부에서 탭우 검색 메타휴리스틱을 적용한다.
• 실행 시간 성능와 해상도 공간 축소 간 균형을 맞출 수 있도록 설정 가능한 새로운 프록시 함수를 도입한다.
• 프레임 스케줄링과 윈도우 생성을 분리함으로써 종단 시스템이 비동기화된 상태에서도 윈도우 배치의 유연성을 확보한다.
• 대역폭 사용을 최소화하기 위해 비용 함수 Ω를 사용하며, 최적화는 평균 최악의 지연을 줄이는 가용 가능한 스케줄을 목표로 한다.
• 실제 네트워크 동작을 시뮬레이션하기 위해 OMNET++와 TSN NeSTiNg 확장 기능을 사용하여 생성된 GCL 스케줄을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 종단 시스템이 스케줄링되지 않고 비동기화된 상태일 때, IEEE 802.1Qbv TSN 네트워크에서 핵심 트래픽에 대해 실시간 보장을 달성할 수 있는가?
• RQ2 최악의 지연 분석을 스케줄링 합성 과정에 통합하여, 종단 시스템이 동기화되어 있지 않은 환경에서도 유한한 지연을 보장할 수 있는가?
• RQ3 유연한 윈도우 기반 스케줄링 접근 방식이 대규모 TSN 네트워크에서 계산 복잡도와 대역폭 사용에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 기존의 스케줄링 메커니즘인 0GCL 및 FWND와 비교해 볼 때, 제안된 방법의 성능 및 확장성은 어떠한가?
• RQ5 OMNET++에서 시뮬레이션된 지연 값은 최악의 지연 한계를 얼마나 엄격하게 반영하며, 이 솔루션은 실질적으로 타당한가?

주요 결과

• 제안된 CPWO 방법은 6개의 대규모 테스트 케이스 전부에서 실행 가능한 GCL 스케줄을 성공적으로 생성하였으며, 이 중 하나는 500개의 흐름과 120대의 장치를 포함하였다.
• 모든 테스트 케이스에서 평균 최악의 지연(WCD)가 각각의 마감 시간보다 평균 14% 작았으며, 이는 높은 시간 예측 가능성의 증거이다.
• 864개의 변수를 포함한 CEV 테스트 케이스에서는 합리적인 시간 내에 완료되었고, 102개의 변수를 가진 GM 케이스는 더 빠르게 처리되어 확장성의 가능성을 입증했다.
• OMNET++ 시뮬레이션 결과 실제 지연 값이 항상 WCD 이하로 나타나, 분석의 보수성과 동시에 실용적 타당성을 검증하였다.
• 대규모 테스트 케이스에서 기준 대비 낮은 대역폭 사용(Ω)을 달성하였으며, 값은 249에서 511 ×1000 사이로 변동하였다.
• 특히 스케줄링되지 않고 비동기화된 종단 시스템을 가진 네트워크에서 기존 방법에 비해 솔루션 공간의 유연성과 계산 효율성 면에서 뛰어난 성능을 보였다.