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Open Access
Algorithms for calculating robust schedules for time sensitive networking (TSN)
(2023) Nieß, Adriaan
With the 802.1Qbv standard, the time-sensitive networking (TSN) task group has specified a TDMA-based scheduling method based on Ethernet, that allows to ensure real-time guarantees for time-critical data streams. A major challenge here is the computation of the cyclic schedules required for the switch configurations in the network. There exist already a number of different approaches to calculate these schedules. However, most of them focus on supporting a high number of streams and optimize target functions such as the Makespan. This leads to schedules that are particularly fragile against errors in the system model. To close this gap, we have developed a scheduler based on simple temporal networks (STNs) that maximizes the intervals allocated for the transmission of data packets in order to ensure a very high degree of robustness against unforeseen delay or cross-traffic. In a simulation it could be shown that the calculated schedules could still guarantee a loss-free data transmission under compliance with all deadlines if the actual per-hop network delay deviated from the assumed delay by a factor of up to 7. Furthermore, an even larger error did not immediately lead to a breakdown, but to a gradual degradation. This makes the scheduling method presented here as well as the underlying algorithms particularly interesting for applications that come with a high degree of uncertainty in the system model, such as wireless communications or heterogeneous networks.
Open Access
Simulation of control systems in IEEE 802.1Qbv networks using OMNeT++
(2019) Nieß, Adriaan
Cyber Physical Systems (CPS) verbinden physikalische und digitale Komponenten in dem Sensoren und Aktoren mit Softwarekomponenten über ein Netzwerk rückgekoppelt werden. Zur Einhaltung der Stabilitätskriterien dieser Systeme ist in vielen Fällen die Zusicherung harter Echtzeitanforderungen erforderlich. Ein Simulationsmodell, dass Time-sensitive Networking (TSN) mit Networked Control Systems (NCS) verbindet wäre deswegen ein wertvolles Hilfsmittel zur Evaluation dieser Systeme. Mit dem NeSTiNg Framework, das am Institut für Parallele und Verteilte Systeme (IPVS) der Uni Stuttgart im Rahmen eins Studienprojekts entwickelt wurde, stehen die Komponenten zur Simulation TSN fähiger Switches bereits zur Verfügung. Deshalb wurden in dieser Arbeit die Host Module für Regler, Sensor bzw. Aktuator implementiert. Da hierfür viele Funktionen aus der linearen Algebra sowie Numerik benötigt werden, wurde die wissenschaftliche Programmiersprache Julia verwendet. Das eventbasierte Simulationsframework Omnet++ wurde zu diesem Zweck um eine Plug-in-Schnittstelle erweitert, mit der Simulationsmodule statt in C++ nun auch in Julia implementiert werden können. Die Julia Anbindung für Omnet++ wurde hierbei so modular aufgebaut, dass diese als eigenständige Bibliothek auch unabhängig von anderen Komponenten einsetzbar ist. Am Beispiel eines LQ-Reglers für ein inverses Pendel wurde eine Proof of Concept Simulation innerhalb eines IEEE 802.1Qbv Netzwerkes evaluiert und dabei die Einflussfaktoren verschiedener Netzwerkschedulingsverfahren beobachtet. Zuletzt wurde noch ein Performance Benchmark der Julia Erweiterung für Omnet++ durchgeführt und dabei der Performance Overhead gegenüber herkömmlichen in C++ implementierten Modulen gemessen. Mit der Julia Anbindung für Omnet++ und den entwickelten Host Modulen können somit auf einfache und intuitive Weise NCS Prototypen entwickelt und analysiert werden.