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RoutingOptimizationofAVBStreamsinTSNNetworks
SuneMølgaardLaursen1,PaulPop1 andWilfriedSteiner21TechnicalUniversityofDenmark2TTTechComputertechnik AG,Vienna,Austria
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Outline§ Motivation§ TimeSensitiveNetworking(TSN)
§ Architectureandapplicationmodels§ Problemformulationandmotivationalexample
§ Optimizationstrategy:GRASP§ Experimentalresults
§ Summaryandmessage
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Motivation
Safety-criticalcommunication
protocols
Trend:Deterministic
Ethernet
ThewiredprotocoloftheIndustrialInternetofThingsIEEE802.1standardsforreal-timeandsafety-criticalapplicationsinprocesscontrol,industrialautomation,audioandvideosystems,vehiclesandaerospace
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Ensuring Reliable Networks
TTEthernet voll in Bewegung Für den Einsatz in Automobilen, Zügen, Flugzeugen und in der Raumfahrt wurden in der Vergangenheit viele spezielle Bussysteme entwickelt, welche die Anforderungen in diesen Anwendungsbereichen besonders gut erfüllen. Für artfremde Aufgaben sind diese Bussysteme zumeist weniger gut geeignet. Über Jahre hinweg wurden daher in vielen Anwendungen mehrere Bussysteme parallel verwendet. Diese Heterogenität soll eingedämmt werden. Ein 40 Jahre altes Netzwerk verspricht Abhilfe: Ethernet.
Ethernet wurde Anfang der 70er Jahre des letzten Jahrhunderts erfunden. Durch die rasante Vernetzung der Personal Computer und der Verbreitung des Internet erfuhr Ethernet eine explosionsartige Ausbreitung. Rasch verdrängte Ethernet konkurrierende Netzwerke, wurde laufend weiterentwickelt und ist in unserem heutigen Umfeld allgegenwärtig.
In den letzten Jahren wurden neue Ethernet-Varianten vor allem für den Einsatz in der Automatisierung von Maschinen und Produktionsanlagen vorgestellt. Auf diese Weise sollen Büro und Industrie noch enger zusammenwachsen. Aber auch in sicherheitskritischen Anlagen, in der Energieverteilung, in Autos, Zügen, Flugzeugen und Raumschiffen verspricht der Einsatz von Ethernet viel Potenzial für neue Anwendungen, Vereinfachung und Kostenersparnis.
Specializedprotocols inseveralareas:Vehicles:CAN,FlexRayAvionics:SAFEBusFactories:ProfiNet
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WhatisTimeSensitiveNetworking(TSN)?§ IEEE802.1Ethernetstandardenhanced forsafety-criticalandreal-timeapplications
§ IEEE802.1BA AudioVideoBridgingSystems§ IEEE802.1Qav ForwardingandQueuing EnhancementsforTime-SensitiveStreams§ IEEE802.1AS TimingandSynchronization (basedonIEEE1588)§ IEEE802.1Qbv EnhancementsforScheduledTraffic§ IEEE802.1Qbu FramePreemption
Gate Gate Gate Gate Gate
Transmission Selection
Time Aware Shaper
Gate Control List:
T000:01111111T001:00000000T002:10000000
…T125:10000000
TT 7 AVB A 6 AVB B 5 BE 4 BE 0
CBS CBS
§ Threetraffictypes:§ Time-Triggered(TT)
GCL:GateControlLists(synchronizedscheduletables)
§ Audio-VideoBridging(AVB)ShapedtoprovideguaranteesandpreventthestarvingofBECBS:CreditBasedShaper
§ BestEffort(BE)Regularnonreal-timetraffic
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Architectureandapplicationmodels
BR1 BR4BR2
BR3 ES4
ES5
ES2 ES3
ES6
ES1
ES7
physicalconnection
route
dp2
dp1
dataflow path
r1
Architecture
§ AVBstreamsSAVB§ Endpoints, Size,PeriodandDeadline
§ TTstreamsSTT§ Routeandscheduletables(GCL)
§ BE:Notexplicitlymodelled
Application
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Problemformulation§ Given
§ ThetopologyoftheTSNnetworkG(E,V)§ ThesetofAVBstreamsSAVB(endpoints,size,period,deadline)§ ThesetofTTstreamsSTT(routing,GateControlLists)
§ Determine§ AroutingforeachAVBstream
§ Suchthat§ TheWorst-Caseend-to-endDelays(WCD)ofAVBstreamsaresmallerthantheirdeadlines
§ TheWCDsandthe“networkutilization”areminimized
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Motivationalexample
Streams:• 𝑠" AVBA51%
𝐸𝑆" → 𝐸𝑆&• 𝑠' AVBA22%
𝐸𝑆) → 𝐸𝑆*, 𝐸𝑆&• 𝑠* AVBA31%
𝐸𝑆, → 𝐸𝑆'
• 𝑠& TT25%
• 25%isleftforBE
ShortestPathRouting
BR1 B4BR2
BR3 ES4
ES5
ES2 ES3
ES6
ES1
ES7
51%+31% >75%
8
Motivationalexample,cont.
Streams:• 𝑠" AVBA51%
𝐸𝑆" → 𝐸𝑆&• 𝑠' AVBA22%
𝐸𝑆) → 𝐸𝑆*, 𝐸𝑆&• 𝑠* AVBA31%
𝐸𝑆, → 𝐸𝑆'
• 𝑠& TT25%
• 25%isleftforBE
BR1 B4BR2
BR3 ES4
ES5
ES2 ES3
ES6
ES1
ES7
OptimizedRouting
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Optimizationstrategy§ Search-SpaceReduction
§ Generateallthepossibleroutes fortheAVBstreamsusing“KShortestPaths”:§ Kunique routesofincreasing length, startingfromtheshortest route
§ Problem:selecting arouteforeachAVBstreamfromthisgeneratedset
§ GRASPonthereducedspace§ GreedyRandomized AdaptiveSearchProcedure
§ Meta-heuristicthatsearchesforasolution thatoptimizes theCostFunction
§ Twophases:§ Phase1:Constructsa“GreedyRandomized”initialsolution
Selectrandomlyastreamatatime,andtryanumberorroutes,keepingthebestone
§ Phase2:Uses“LocalSearch”(“HillClimbing”)toimprovethe initialsolution
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Optimizationstrategy:costfunction§ 𝑐𝑜𝑠𝑡 𝑅 = 𝑂" 𝑅 3 𝑊" + 𝑂' 𝑅 3 𝑊' + 𝑂* 𝑅 3 𝑊*
§ 𝑂":ThenumberofAVBstreamsexceedingtheirdeadlines§ WeuseaWorst-Caseend-to-endDelay(WCD)analysis
§ Thispaper:extended“AVBLatencyMath”(unsafe,pessimistic)§ Ongoingwork:NetworkCalculus
§ IfallAVBstreamsmeettheirdeadlines, firsttermiszero,otherwiseweusealargepenaltyvalue𝑊"
§ 𝑂':WCDvaluesareminimized§ IfallAVBstreamsmeettheirdeadlines,wepreferasolution whereWCDsaresmaller
§ 𝑂*:TotalnumberofdatalinksusedfortheAVBstreams§ IfallAVBstreamsmeettheirdeadlines,wepreferasolution thatuseslessdatalinksforrouting
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Experimentalresults
§ Algorithms§ SFS:StraightforwardSolution,usesshortestroutes§ RO:OurRoutingOptimizationstrategy
§ Results§ 𝑂":ThenumberofAVBstreamsexceedingtheirdeadlines§ 𝑂*:TotalnumberofdatalinksusedfortheAVBstreams
MOTIV&SYNTH:synthetictestcases
ORION:OrionCEVspacecasestudy
ABB:MeshnetworkforIndustry4.0
§ Setup:𝛼 = 𝐾/2 ,𝛽 = 𝑺=>? and𝐾 = 50,𝑊" = 10,000,𝑊' = 3 and𝑊* = 1§ JavaprograminglanguageonInteli7-2600K(15min.timelimit)
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Summaryandmessage
§ Summary§ WehaveaddressedtheoptimizationoftheTSNprotocol§ TheAVBstreamroutesaredeterminedsuchthattheAVBstreamsmeettheirtimingconstraints, theWCDsandthenetworkutilizationareminimized
§ WehaveproposedaGRASPbasedoptimization solution thatuses“KShortestPaths”toreducethesearchspace
§ Message§ Configuration andanalysistoolsareareneededforTSN§ Toolscanhelptoanswer“Whatif?”questionsduring thedevelopment ofTSN
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