Design and implementation of a measurement framework for time-sensitive networks

Abstract

Networks in industrial control and automation applications must be capable of providing highly predictable delivery, both in terms of latency and latency variation. Thus, a network must guarantee deterministic behavior for time-sensitive traffic. Currently, dedicated and highly engineered networking solutions such as field buses are commonly used for time-critical traffic in industrial applications. Current trends in network convergence combine mixed-criticality traffic flows into the same real-time-capable networks. Currently, the IEEE Time-Sensitive Networking (TSN) Task Group are augmenting the widely supported Ethernet standard to provide time-critical flows alongside best-effort traffic. For its capabilities in high bandwidth, mixed-application and real-time-support, TSN is expected to be widely adapted in industries. In TSN, many of the guarantees on deterministic behavior have their basis in a traffic scheduling mechanism called Time-Aware Shaper (TAS). The development and integration of TSN-capable networks require increasingly powerful diagnosis and measurement tools. However, no such framework is publicly available at this point. The focus of this thesis is the development of a framework fulfilling requirements for performance analysis of physical networks with real-time constraints. This framework enables high-performance measurement tasks for TSN, which makes measurable the inaccuracies of physical network devices. As a first result of this insight, we show that many of the assumptions researchers often make about TSN networks are simplified and do not properly model the real world. Moreover, scheduling algorithms for the TAS often disregard the same inaccuracies in the synthesis of the traffic schedule. This could render invalid the guarantees on determinism for out-of-the-box scheduling. We propose a mechanism to improve the determinism of low-quality senders and the overall network bandwidth utilization, proving its effectiveness in a proof-of-concept setup.

Netzwerke in industriellen Steuerungs- und Automatisierungsanwendungen müssen in der Lage sein, eine hochgradig vorhersagbare Zustellung zu gewährleisten, sowohl in Bezug auf die Latenz als auch auf die Latenzschwankungen. Ein Netzwerk muss also ein deterministisches Verhalten für zeitkritischen Verkehr garantieren. Derzeit werden für den zeitkritischen Verkehr in industriellen Anwendungen üblicherweise dedizierte und hochtechnisierte Netzwerklösungen wie Feldbusse eingesetzt. In aktuelle Trends der Netzwerkkonvergenz werden Datenströme verschiedener Wichtigkeitsklassen über dieselben echtzeitfähigen Netzwerke übertragen. Derzeit erweitert die IEEE Time-Sensitive Networking (TSN) Task Group den weit verbreiteten Ethernet-Standard, um zeitkritische Ströme neben Best-Effort-Verkehr zu ermöglichen. Aufgrund der hohen Bandbreitenkapazitäten und der Unterstützung gemischter Anwendungen sowie der Echtzeit-Fähigkeiten wird eine weite Verbreitung von TSN in der Industrie erwartet. In TSN haben viele der Garantien für deterministisches Verhalten ihre Grundlage in einem Mechanismus zur Verkehrsplanung, dem sogenannten Time-Aware Shaper (TAS). Die Entwicklung und Integration von TSN-fähigen Netzwerken erfordert zunehmend leistungsfähige Diagnose- und Messwerkzeuge. Ein Framework solcher Werkzeuge ist jedoch noch nicht öffentlich verfügbar. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines solchen Frameworks, das die Anforderungen an die Leistungsanalyse von physischen Netzwerken mit Echtzeiteinschränkungen erfüllt. Dieses Framework ermöglicht hochperformante Messaufgaben für TSN, die die Ungenauigkeiten von physischen Netzwerkgeräten messbar machen. Als erstes Ergebnis dieser Erkenntnis zeigen wir, dass viele der Annahmen, die Forscher oft über TSN-Netzwerke treffen, vereinfacht sind und die reale Welt nicht richtig modellieren. Darüber hinaus vernachlässigen Scheduling-Algorithmen für den TAS oft dieselben Ungenauigkeiten bei der Synthese eines Verkehrsplans. Dadurch könnten die Garantien für den Determinismus beim Out-of-the-Box-Scheduling hinfällig werden. Wir schlagen einen Mechanismus vor, das deterministische Verhalten von Sendern mit geringer Qualität und die allgemeine Bandbreitennutzung im Netzwerk zu verbessern, und zeigen die Wirksamkeit in einem Proof-of-Concept-Aufbau.