Design and implementation of a framework to evaluate scheduling algorithms using physical networked control systems

Abstract

Networked Control Systems (NCS) are commonly used in industrial applications like telerobotics, smart energy grids, and autonomous vehicles. In many cases, NCS share their network with other participants competing for the available bandwidth. This necessitates scheduling algorithms respecting the time-critical nature of control systems. Scientific evaluations under reproducible conditions are required to assess the performance of a given scheduling algorithm in the context of networked control systems. In this thesis, a framework to evaluate the performance of scheduling algorithms using a physical networked control system is designed and implemented. The framework comprises an inverted pendulum connected to an IEEE 802.3 Ethernet network featuring a software switch. The software switch can be programmed to execute arbitrary scheduling algorithms, significantly simplifying the evaluation process. This thesis explains the framework's design, implementation, and usage in detail. We use the proposed framework to evaluate the Multi-priority Token Bucket scheduling approach (MPTB) designed at the Institute for Parallel and Distributed Systems (IPVS) of University of Stuttgart. This scheduling algorithm dynamically assigns priorities to data streams according to their contract compliance. It is found that MPTB can provide better stability to the inverted pendulum at a lower average data rate than traditional FIFO scheduling. However, we also find that the selection of parameters for MPTB severely impacts the scheduling algorithm's performance. Further, we find that using real cross-traffic to stress the network yields non-deterministic latencies, while simulated delays at the software switch are better suited for reproducible evaluations.

Vernetzte Regelungssysteme (Networked Control Systems, NCS) werden häufig in industriellen Anwendungen wie der Telerobotik, intelligenten Stromnetzen und autonomen Fahrzeugen eingesetzt. In vielen Fällen teilen sich die NCS ihr Netz mit anderen Teilnehmern, die um die verfügbare Bandbreite konkurrieren. Dies erfordert Schedulingverfahren, die den zeitkritischen Charakter von Regelungssystemen berücksichtigen. Wissenschaftliche Messungen unter reproduzierbaren Bedingungen sind erforderlich, um die Leistung eines bestimmten Schedulingverfahrens im Kontext vernetzter Regelungssysteme zu beurteilen. In dieser Arbeit wird ein Rahmenwerk zur Bewertung der Leistung von Scheduling-Algorithmen unter Verwendung eines physischen vernetzten Regelungssystems entworfen und implementiert. Das Rahmenwerk besteht aus einem inversen Pendel, das an ein IEEE 802.3 Ethernet-Netzwerk mit einem Software-Switch angeschlossen ist. Der Software-Switch kann so programmiert werden, dass er beliebige Scheduling-Algorithmen ausführt, was den Evaluierungsprozess erheblich vereinfacht. In dieser Arbeit wird der Entwurf, die Implementierung und die Verwendung des Rahmenwerks im Detail erläutert. Wir verwenden das vorgeschlagene Rahmenwerk, um den Multi-Priority-Token-Bucket-Schedulingansatz (MPTB) zu evaluieren, welcher beim Institut für Parallele und Verteilte Systeme (IPVS) an der Universität Stuttgart entworfen wurde. Dieses Schedulingverfahren weist den Datenströmen dynamisch Prioritäten entsprechend ihres Verhaltens zu. Es zeigt sich, dass MPTB bei einer niedrigeren durchschnittlichen Datenrate eine bessere Stabilität des Pendels erzielen kann als das klassische FIFO-Scheduling. Wir stellen jedoch auch fest, dass die Auswahl der Parameter für MPTB großen Einfluss auf die Performanz des Scheduling-Algorithmus' hat. Außerdem zeigt sich, dass die Verwendung von echtem Cross-Traffic zur Auslastung des Netzwerks zu instabilen Latenzen führt, während simulierte Verzögerungen am Software-Switch besser für reproduzierbare Messungen geeignet sind.