Design and implementation of a data plane interface for a software bridge for Time-Sensitive Networking (TSN)

Abstract

Time-Sensitive Networking (TSN) is a cornerstone technology for the Industrial Internet of Things (IIoT), enabling deterministic communication over standard Ethernet. Most existing TSN solutions rely heavily on hardware-based implementations, which constrains their suitability for dynamic testing environments. Especially in virtualized edge cloud systems, where the network extends onto the host executing virtual switches to connect containers and virtual machines, the need for a software based TSN solution emerges. While software-based TSN data plane implementations like the Linux TAPRIO QDISC exist, such implementations are commonly configured using CLI commands. This results in a lack of standardization between the control plane and software based data plane implementations. This work presents a software implementation of a data plane interface utilizing NETCONF that enables a standard-compliant exchange between the control plane and the data plane. Our approach complements existing hardware implementations using existing TSN standards. As a software-based implementation, it is particularly suitable for research, prototyping, and validation phases. During this work, the data plane interface is implemented, and the validation of standardized data models is tested to ensure the correctness and standard conformance of the interface. In typical TSN environments, we want to be able to deploy a network schedule in a synchronized, atomic manner across all network devices. This enables us to adapt the schedule to certain applications while preventing network disruptions. To address this challenge, we introduce a novel protocol for coordinated, time-synchronized updates of network schedules across multiple network devices. This mechanism allows seamless transitions between TSN schedules without disrupting active communication, thereby maintaining real-time guarantees during schedule reconfiguration. The proposed solutions significantly enhance the flexibility and reliability of TSN systems in software-centric industrial applications. This work also ensures the correctness of both the software implementation and the designed protocol. We provide manual and programmatic testing methods that ensure a proper implementation of the software prototype and evaluate its performance using benchmarks. The designed protocol is argued to be correct by modelling it as a state machine. Time-Sensitive Networking (TSN) ist eine Kerntechnologie für das industrielle Internet der Dinge (IIoT), die deterministische Kommunikation über Standard-Ethernet ermöglicht. Die meisten bestehenden TSN-Lösungen sind stark auf hardwarebasierte Implementierungen angewiesen, was ihre Eignung für dynamische Testumgebungen einschränkt. Insbesondere in virtualisierten Edge-Cloud-Systemen, bei denen sich das Netzwerk auf den Host ausdehnt, der Container und virtuelle Maschinen über virtuelle Switches verbindet, entsteht der Bedarf einer softwarebasierten TSN-Lösung. Es gibt zwar softwarebasierte TSN-Implementierungen für die Datenebene, wie z. B. die Linux TAPRIO QDISC, aber solche Implementierungen werden in der Regel über CLI-Befehle konfiguriert. Dies führt zu einer mangelnden Standardisierung zwischen der Steuerungsebene und der softwarebasierten Implementierungen der Datenebene. Diese Arbeit präsentiert eine NETCONF Schnittstelle für die softwarebasierte Datenebene, die einen standardkonformen Austausch zwischen der Steuerebene und der Datenebene ermöglicht. Unser Ansatz ergänzt die bestehenden Hardware-Implementierungen, die bestehende TSN-Standards verwenden. Da es sich um eine softwarebasierte Implementierung handelt, ist diese besonders für Forschung, Entwicklung von Prototypen und Validierungsphasen geeignet. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Schnittstelle zur Datenebene implementiert und die Validierung standardisierter Datenmodelle getestet, um die Korrektheit und Standardkonformität der Schnittstelle sicherzustellen. In typischen TSN-Umgebungen wollen wir in der Lage sein, einen Zeitplan synchronisiert und atomar auf allen Netzwerkgeräte auszurollen. Dies ermöglicht uns den Zeitplan an bestimmte Anwendungen anzupassen und gleichzeitig Netzwerkunterbrechungen zu vermeiden. Um dieses Problem anzugehen, stellen wir ein neuartiges Protokoll vor. Dieses ist in der Lage, koordinierte, zeitsynchrone Aktualisierungen von Netzwerkplänen über mehrere Netzwerkgeräte hinweg auszurollen. Dieser Mechanismus ermöglicht nahtlose Übergänge zwischen TSN-Zeitplänen ohne Unterbrechung der aktiven Kommunikation, wodurch Echtzeitgarantien während der Rekonfiguration des Zeitplans aufrechterhalten werden. Die vorgeschlagenen Lösungen verbessern die Flexibilität und Zuverlässigkeit von TSN Systemen in softwarezentrierten industriellen Anwendungen erheblich. Diese Arbeit gewährleistet ebenfalls die Korrektheit der Software-Implementierung sowie des entworfenen Protokolls. Wir stellen manuelle und programmatische Testmethoden zur Verfügung, die eine ordnungsgemäße Implementierung des Software-Prototyps gewährleisten und seine Leistung anhand von Benchmarks bewerten. Die Korrektheit des entworfenen Protokolls wird durch die Modellierung als Zustandsmaschine nachgewiesen.