[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种新型调度方法，用于IEEE 802.1Qbv TSN网络，通过将最坏情况延迟分析与约束规划求解器结合，并采用禁忌搜索元启发式算法，即使在终端系统未调度且未同步的情况下，也能为关键流量提供实时保障。该方法实现了有界的延迟和更低的带宽使用，通过OMNET++仿真和最多500条流、120台设备的真实场景测试案例得到验证。

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.

研究动机与目标

• 解决现有TSN调度方法的局限性，即要求终端系统同时具备802.1Qbv和802.1ASrev能力以实现调度与同步。
• 在缺乏TSN支持的现成微控制器和传感器节点的工业与车载网络中，实现实时通信。
• 将帧调度与时间感知整形器窗口生成解耦，提升实际部署中的灵活性与可扩展性。
• 在未同步环境中最小化带宽使用，同时确保关键流量的端到端延迟边界。
• 通过OMNET++与TSN NeSTiNg扩展验证生成调度的正确性与性能。

提出的方法

• 将[32]中的最坏情况延迟分析与约束规划（CP）求解器相结合，生成满足端到端延迟要求的GCL调度。
• 在CP求解器中引入禁忌搜索元启发式算法，高效探索解空间并避免陷入局部最优。
• 提出一种新型代理函数，可通过参数调节以平衡运行时间性能与搜索空间剪枝效果。
• 实现帧调度与窗口生成的解耦，即使在终端系统未同步的情况下，也能灵活安排窗口位置。
• 使用代价函数Ω最小化带宽使用，优化目标为生成可调度的解决方案，以降低平均最坏情况延迟。
• 通过OMNET++与TSN NeSTiNg扩展验证生成的GCL调度，以模拟真实网络行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 当终端系统未调度且未同步时，能否在IEEE 802.1Qbv TSN网络中为关键流量实现实时保障？
• RQ2 如何将最坏情况延迟分析集成到调度合成过程中，以在不依赖同步终端系统的情况下确保有界的延迟？
• RQ3 灵活的基于窗口的调度方法对大规模TSN网络中的计算复杂度与带宽使用有何影响？
• RQ4 与现有调度机制（如0GCL和FWND）相比，所提方法在性能与可扩展性方面表现如何？
• RQ5 OMNET++中的模拟延迟在多大程度上反映了悲观的最坏情况延迟边界？该解决方案是否具备实际可行性？

主要发现

• 所提出的CPWO方法成功为所有6个大规模测试案例生成了可调度的GCL调度，其中包括一个包含500条流和120台设备的案例。
• 在所有测试案例中，平均最坏情况延迟（WCD）比相应截止时间平均低14%，表明具有强大的时间可预测性。
• 对于包含864个变量的CEV测试案例，该方法在合理时间内完成；而包含102个变量的GM案例则更快，证明了其可扩展性。
• OMNET++仿真结果表明，实际延迟始终小于最坏情况延迟，验证了分析的保守性，同时表明方案具备实际可行性。
• 与基线方法相比，该方法实现了更低的带宽使用（Ω），在大规模测试案例中，其取值范围为249至511×1000。
• 在解空间灵活性与计算效率方面，该方法优于现有方法，尤其在未调度且未同步的终端系统网络中表现更优。