Investigation and verification of real-time schedules via simulation

Abstract

With the rise in popularity of Cyber-Physical Systems (CPSs) in various domains such as the Internet of Things (IoT) and autonomous vehicles, the demand for real-time systems especially with deterministic real-time communication, has significantly grown. Bounded latencies are a crucial part of the safety of CPSs, maintained through deterministic real-time communications. The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) recognized the rise in popularity of such real-time systems with deterministic communication, resulting in a set of standards known as Time- Sensitive Networking (TSN). Although this standard establishes the technological infrastructure for deterministic communication on Ethernet networks, it does not specify the computation of schedules for TSN networks. This led to the development of scheduling algorithms for TSN networks becoming a major field of research. A critical step prior to the deployment of these algorithms is to investigate and verify them. In this study, we investigate and verify the scheduling algorithms through a simulation of the computed schedule on TSN networks. A simulation offers an easy and cost-effective way to verify the scheduling algorithms. We utilize the discrete event simulator OMNeT++ (Objective Modular Network Test-bed in C++) with the INET framework for the simulation of the scheduling algorithms. In particular, we simulate schedules generated with the Greedy Flow Heap (GFH) algorithm. This algorithm uses a conflict-graph-approach to compute the schedules. In order to facilitate the simulation process, we have developed a pipeline that effectively transforms the computed schedules of the algorithm into a fully operational simulation. In our evaluation, we successfully compared the computed schedules of the scheduling algorithm with the simulation results. Furthermore, we show the limitations of the scheduling algorithm, which are primarily attributable to the existing implementation of the algorithm.

Mit der zunehmenden Beliebtheit von Cyber-Physical Systems (CPSs) in verschiedenen Bereichen wie dem Internet der Dinge (IoT) und autonomen Fahrzeugen, ist die Nachfrage nach Echtzeitsystemen, insbesondere mit deterministischer Echtzeitkommunikation stark gewachsen. Begrenzte Netzwerklatenzen sind ein entscheidender Teil der Sicherheit von CPSs, die durch die deterministischer Echtzeitkommunikation eingehalten werden. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) erkannte die zunehmende Beliebtheit solcher Echtzeitsysteme mit deterministischer Kommunikation und führte eine Reihe von Standards ein, die als Time-Sensitive Networking (TSN) bekannt sind. Obwohl diese Standards die technologische Infrastruktur für die deterministische Kommunikation in Ethernet-Netzwerken festlegt, spezifizieren sie nicht die Berechnung von Schedules für TSN-Netzwerke. Dies führte dazu, dass die Entwicklung von Scheduling-Algorithmen für TSN-Netzwerke zu einem wichtigen Forschungsgebiet wurde. Ein entscheidender Schritt vor dem Einsatz dieser Algorithmen in echten Netzwerken besteht darin, sie zu überprüfen. In dieser Studie untersuchen und verifizieren wir die Scheduling-Algorithmen mittels einer Simulation des von ihnen berechneten Zeitplans in TSN-Netzwerken. Die Simulation bietet eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, die Scheduling-Algorithmen zu überprüfen. Für die Simulation der Scheduling-Algorithmen nutzen wir den Netzwerksimulator OMNeT++ (Objective Modular Network Test-bed in C++) mit dem INET-Framework. Insbesondere simulieren wir Schedules, die mit dem Greedy Flow Heap (GFH)-Algorithmus erstellt wurden. Dieser Algorithmus verwendet einen Konfliktgraphen-Ansatz zur Berechnung der Schedules. Um den Simulationsprozess zu erleichtern, haben wir eine Pipeline entwickelt, die die berechneten Schedules des Algorithmus effektiv in eine voll funktionsfähige Simulation umwandelt. In unserer Auswertung haben wir die berechneten Zeitpläne des Scheduling-Algorithmus erfolgreich überprüft. Darüber hinaus zeigen wir die Einschränkungen des Scheduling-Algorithmus auf, die in erster Linie auf die bestehende Implementierung des Algorithmus zurückzuführen sind.