[論文レビュー] Real-Time Guarantees for Critical Traffic in IEEE 802.1Qbv TSN Networks with Unscheduled and Unsynchronized End-Systems

Mohammadreza Barzegaran, Niklas Reusch+3 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2021

Network Time Synchronization Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、IEEE 802.1Qbv TSNネットワークにおける新規スケジューリング手法を提案する。この手法は、エンドシステムがスケジューリングされておらず、同期されていなくても、最悪遅延解析と制約プログラミングソルバーを組み合わせることで、リアルタイム保証を可能にする。この方法により、遅延の上限が保証され、帯域幅の使用量が削減され、OMNET++を用いたシミュレーションおよび最大500フロー、120デバイスを含む実世界のテストケースにより検証された。

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.

研究の動機と目的

• 802.1Qbvおよび802.1ASrev機能を備えたエンドシステムがスケジュールおよび同期されている必要があるという、従来のTSNスケジューリング手法の制限を解消すること。
• 市販のマイコンやセンサーノードがTSNをサポートしない産業用および自動車用ネットワークにおいて、リアルタイム通信を可能にすること。
• フレームスケジューリングとタイムアウェアーシェーパーのウィンドウ生成を分離することで、実世界の展開における柔軟性とスケーラビリティを向上させること。
• 同期されていない環境でも、クリティカルトラフィックのエンドツーエンド遅延上限を保証しながら、帯域幅使用量を最小限に抑えること。
• OMNET++を用い、TSN NeSTiNg拡張機能を活用して、生成されたスケジュールの正しさと性能を検証すること。

提案手法

• 文献[32]の最悪遅延解析を制約プログラミング（CP）ソルバーと統合し、エンドツーエンド遅延要件を満たすGCLスケジュールを生成する。
• CPソルバー内にタブー探索メタヒューリスティックを採用し、解空間を効率的に探索し、局所最適解に陥るのを回避する。
• 実行時間性能と探索空間の刈り込みのバランスを取れるようにパラメータ化可能な新規プロキシ関数を導入する。
• フレームスケジューリングとウィンドウ生成を分離することで、エンドシステムが同期されていなくても、柔軟なウィンドウ配置が可能になる。
• 帯域幅使用量を最小化するためのコスト関数Ωを用い、スケジューラブルな解を最適化することで、平均最悪遅延を低減する。
• OMNET++を用い、TSN NeSTiNg拡張機能を活用して、生成されたGCLスケジュールの検証を行い、実際のネットワーク動作をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エンドシステムがスケジュールおよび同期されていない状態でも、IEEE 802.1Qbv TSNネットワークにおいてクリティカルトラフィックにリアルタイム保証を達成できるか？
• RQ2 同期されていないエンドシステムを前提とした場合、最悪遅延解析をスケジューリング合成プロセスに統合することで、遅延の上限を保証できるか？
• RQ3 柔軟なウィンドウベーススケジューリングアプローチは、大規模TSNネットワークにおける計算複雑性と帯域幅使用量にどのような影響を与えるか？
• RQ4 従来のスケジューリング手法（例：0GCL や FWND）と比較して、本手法の性能とスケーラビリティはどの程度優れているか？
• RQ5 OMNET++におけるシミュレーテッド遅延は、悲観的な最悪遅延上限（WCD）をどれほど正確に反映しているか。また、その解決策は実用的であるか？

主な発見

• 提案手法CPWOは、500フローおよび120デバイスを含む6つの大規模テストケースすべてにおいて、スケジューラブルなGCLスケジュールを正常に生成した。
• すべてのテストケースにおいて、平均最悪遅延（WCD）は、それぞれのデッドラインの平均14%未満に抑えられ、優れた時間的予測可能性が示された。
• 864変数を含むCEVテストケースでは、合理的な時間内に処理が完了した。102変数のGMケースはさらに高速に処理されたことから、スケーラビリティが確認された。
• OMNET++シミュレーションの結果、実際の遅延が常にWCD未満に抑えられていたことから、解析の悲観的特性が裏付けられるとともに、実用的妥当性が示された。
• 大規模テストケースにおいて、ベースライン手法と比較して帯域幅使用量（Ω）が低く抑えられ、249～511×1000の範囲で推移した。
• 特にスケジュールおよび同期されていないエンドシステムを有するネットワークにおいて、解空間の柔軟性と計算効率の点で、既存手法を上回った。