[논문 리뷰] Reconfiguration Algorithms for High Precision Communications in Time Sensitive Networks: Time-Aware Shaper Configuration with IEEE 802.1Qcc (Extended Version)

Ahmed Nasrallah, Venkatraman Balasubramanian외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 27.

Network Time Synchronization Technologies참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 IEEE 802.1Qcc를 사용하여 시간 민감 네트워크(TSN)의 재구성 프레임워크를 제안하며, 시간 인식형 슈퍼바이저(TAS) 게이트 제어 목록(GCL)을 동적으로 관리하여 고정밀, 결정론적 통신을 실현하고 패킷 손실 없이 초저지연을 달성한다. 중앙집중식(하이브리드) 및 완전 분산형 802.1Qcc 모델을 평가하여, 분산형 모델이 제어 평면 복잡도를 줄이면서도 중앙집중식 모델과 거의 동일한 QoS 성능을 달성함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 변동하는 트래픽 수요와 네트워크 토폴로지 조건 하에서 TSN 네트워크를 동적으로 재구성하면서도 엄격한 QoS 보장을 유지하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 임무 핵심 트래픽을 위한 TAS 스케줄링을 관리하는 데 있어 중앙집중식(하이브리드) 및 완전 분산형 802.1Qcc 모델의 성능을 평가하기 위해.
• 초저지연, 패킷 손실 없음, 최소한의 제타를 유지하면서도 동적 조건 하에서 수용 가능한 스케줄된 트래픽 스트림의 수를 최대화하기 위해.
• 제한된 네트워크 가시성 조건 하에서 산업 제어 네트워크에 분산형 구성의 타당성과 성능 트레이드오프를 평가하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 네트워크 조건 변화에 대응하여 시간 인식형 슈퍼바이저(TAS) 게이트 제어 목록(GCL)을 동적으로 조정할 수 있도록 IEEE 802.1Qcc 기반의 재구성 프레임워크를 설계한다.
• 그들은 중앙집중식 네트워크/분산 사용자(하이브리드) 모델과 완전 분산형(분산형) 802.1Qcc 모델을 구현하고 평가한다.
• 프레임워크는 전체 활용 시간을 수집하기 위해 스트림 등록 절차를 사용하며, 스트림 수용 최적화를 위한 수용 제어 및 재구성 정책을 적용한다.
• 연구는 일반적인 산업 제어 네트워크 토폴로지에서 시뮬레이션 기반 평가를 수행하여, QoS 메트릭(예: 프레임 손실 비율, 지연, 제타)을 모델 간 비교한다.
• 재구성 로직은 새로운 또는 변경된 트래픽 플로우를 수용하기 위해 GCL 타이밍 항목(GCE)을 동적으로 조정하여 QoS 보장을 유지한다.
• 성능 평가는 다양한 트래픽 부하(저부하, 중부하, 고부하)와 네트워크 토폴로지(양방향, 링) 조건 하에서 평가되며, 주요 메트릭으로 BE 트래픽 손실 및 ST 프레임 드롭 비율을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TSN 네트워크에서 스케줄된 트래픽과 베스트 에프포트(BE) 트래픽에 대해 완전 분산형 802.1Qcc 모델의 QoS 메트릭 성능이 중앙집중식(하이브리드) 모델과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ2 분산형 모델에서 인바운드 CDT 트래픽은 ST 스트림 지연에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 분산형 모델은 중앙집중식 네트워크 제어기(CNC)의 오버헤드 없이도 플러그 앤 플레이 장치 추가 및 제거와 같은 동적 재구성 기능을 효과적으로 지원할 수 있는가?
• RQ4 제한된 시간 슬롯 가용성과 고부하 ST 환경 하에서 중앙집중식 및 분산형 모델 간 스케줄된 트래픽 스트림의 수용률은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 중앙집중식과 분산형 재구성 전략 간 네트워크 가시성, 장애 복구 능력, 신호 전송 오버헤드의 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• 분산형 802.1Qcc 모델은 스케줄된 트래픽(ST)에 대해 중앙집중식 모델과 거의 동일한 QoS 성능을 달성하며, 모든 ST 스트림에서 프레임 손실이 발생하지 않는다.
• 양방향 토폴로지 조건 하에서 분산형 모델의 베스트 에프포트(BE) 트래픽 손실 비율은 중앙집중식 모델과 거의 동일하여 BE 성능이 유사함을 시사한다.
• 분산형 모델에서 인바운드 CDT 트래픽은 ST 스트림 지연을 유발할 수 있으며, 특히 고부하 ST 환경에서 최대 지연 보장을 위반할 위험이 있다.
• 분산형 모델은 서비스 등급 기반으로 트래픽을 효과적으로 분리하고, 중앙집중식 네트워크 제어기(CNC)의 오버헤드 없이도 완전한 스트림 수용을 지원할 수 있다.
• 중앙집중식 모델은 전체 네트워크 가시성 덕분에 뛰어난 장애 복구 및 경로 재루팅 능력을 보이며, 이는 분산형 모델에서는 확보되지 않는다.
• 분산형 모델에서의 동적 재구성은 신호 전송 메커니즘이 철저히 관리되지 않으면 정보 폭주와 스케줄링 왜곡을 유발할 수 있으며, 이는 강력한 신호 전송 메커니즘의 필요성을 강조한다.