Integration of a Centralized Network Controller into the OMNeT++/INET network simulator

Abstract

The increasing demand for deterministic network transmission in industrial applications, including autonomous driving, automation, and healthcare necessitates highly reliable, time-sensitive data exchanges. In order to meet these needs, the IEEE 802.1 working group's Time-Sensitive Networking (TSN) standards ensure predictable communication with bounded latency and minimal delay variation on Ethernet networks. The TSN standard IEEE 802.1Qbv defines Time-Aware Shaping (TAS) as a mechanism enabling bridges and end stations to transmit frames of different priorities according to specified time schedules. A current area of research is the development of adaptive scheduling algorithms for TAS that can react to varying requirements and topology changes. These algorithms aim to generate synchronized schedules for all bridges within the network during runtime. Typically, these scheduling algorithms are executed on a Centralized Network Controller (CNC). One common method that the CNC may use to implement schedules on the bridges is through the Network Configuration Protocol (NETCONF). In this work, we present the design and implementation of an extensible NETCONF server interface for TSN bridges, which are simulated within an OMNeT++/INET simulation environment. The primary focus of our implementation is on the reconfiguration of TAS during runtime. We provide two distinct server backends for handling the NETCONF messages. Moreover, we design an additional dummy CNC module to provide a transparent interface to an external CNC, which is not part of the simulation. In order to facilitate communication between the dummy CNC and the external CNC, we implement an additional external component, designated as the CNC bridge server. Furthermore, we extend the NETCONF server interface with a basic Link Layer Discovery Protocol (LLDP) implementation, thereby enabling the external CNC to construct a global network topology. To validate our approach, we reconfigure TAS and request LLDP data of a simulated TSN bridge from an external CNC during runtime. Subsequently, we employ the result analysis feature of OMNeT++ to confirm the successful implementation of the changes. Our evaluation confirms the successful implementation of the new schedule at the desired point in time. Furthermore, we can confirm, that the retrieved LLDP data contains the requisite information for the computation of a global network topology. Die steigende Nachfrage nach deterministischer Netzwerkübertragung in industriellen Anwendungen, einschließlich autonomem Fahren, Automatisierung und Gesundheitswesen, erfordert einen hochzuverlässigen, zeitkritischen Datenaustausch. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, bieten die Time-Sensitive Networking (TSN)-Standards der IEEE 802.1 Working Group vorhersehbare Kommunikation mit begrenzter Latenz und minimaler Verzögerungsvariation in Ethernet-Netzwerken. Der TSN-Standard IEEE 802.1Qbv definiert Time-Aware Shaping (TAS) als einen Mechanismus, der es Bridges und Endstations ermöglicht, Frames mit unterschiedlichen Prioritäten anhand festgelegter Schedules zu übertragen. Ein aktuelles Forschungsgebiet ist die Entwicklung adaptiver Scheduling-Algorithmen für TAS, die auf sich ändernde Anforderungen und Topologieänderungen reagieren können. Diese Algorithmen zielen darauf ab, synchronisierte Schedules für alle Bridges im Netzwerk zur Laufzeit zu generieren. In der Regel werden diese Scheduling-Algorithmen auf einem Centralized Network Controller (CNC) ausgeführt. Eine gängige Methode, die der CNC zur Implementierung von Schedules auf den Bridges verwenden kann, ist das Network Configuration Protocol (NETCONF). In dieser Arbeit präsentieren wir das Design und die Implementierung einer erweiterbaren NETCONF-Server-Schnittstelle für TSN-Bridges, die in einer OMNeT++/INET-Simulationsumgebung simuliert werden. Der primäre Fokus unserer Implementierung liegt auf der Rekonfiguration von TAS zur Laufzeit. Wir stellen zwei verschiedene Server-Backends für die Verarbeitung der NETCONF-Nachrichten zur Verfügung. Außerdem entwerfen wir ein zusätzliches Dummy-CNC-Modul, das eine transparente Schnittstelle zu einem externen CNC bietet, der nicht Teil der Simulation ist. Um die Kommunikation zwischen dem Dummy-CNC und dem externen CNC zu ermöglichen, implementieren wir eine zusätzliche externe Komponente, die wir als CNC-Bridge-Server bezeichnen. Außerdem erweitern wir die NETCONF-Serverschnittstelle um eine grundlegende Link Layer Discovery Protocol (LLDP)-Implementierung, die es dem externen CNC ermöglicht, eine globale Netzwerktopologie zu erstellen. Zur Validierung unseres Ansatzes rekonfigurieren wir TAS und fragen LLDP-Daten einer simulierten TSN-Bridge zur Laufzeit von einem externen CNC ab. Anschließend verwenden wir die Ergebnisanalyse-Funktion von OMNeT++, um die erfolgreiche Implementierung der Änderungen zu bestätigen. Unsere Auswertung bestätigt die erfolgreiche Implementierung der neuen Schedule zum gewünschten Zeitpunkt. Darüber hinaus können wir bestätigen, dass die abgerufenen LLDP-Daten die notwendigen Informationen für die Berechnung einer globalen Netzwerktopologie enthalten.