title: A Model-Driven Approach for the Comprehensive Analysis and Scheduling in Time-Sensitive Networks
Creators: name: Baron, Anna
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: TSN
subject: QoS
subject: Real-Time
subject: Scheduling
subject: Analysis
subject: Ethernet

description: Since 2012, the Time-Sensitive Networking (TSN) Task Group has been developing standards to leverage Ethernet technology for real-time systems. These standards target deterministic and reliable communication, addressing the challenges posed by increased data volume and challenging timeliness from emerging trends like the Internet of Things, Industry 4.0, and autonomous driving. Specifically, the IEEE standard 802.1Qbv introduces the Time-Aware Shaper (TAS) for scheduled data transmission with real-time requirements. This standard does not, however, cover the generation of valid schedules for the proposed mechanism. This dissertation addresses this gap and proposes incremental heuristic and metaheuristic scheduling algorithms for TAS-enabled networks. The proposed scheduling algorithms are able to meet stringent latency and jitter requirements while optimizing resource usage. To gain deeper performance insights about TAS-enabled compared to TAS-free networks, we incorporated network simulations using the simulation framework OMNeT++ and integrated the Network Calculus framework, which analytically derives the performance of TAS-free systems. Additionally, the network scheduling process has been expanded to encompass producer and consumer tasks, allowing complete sensor-to-actuator flows to be represented and scheduled. The combined task and network scheduling algorithms demonstrated scalability and efficiency across different system scales. The analyzed networks and their properties are stored in a model based on a self-designed Domain-Specific Modeling Language (DSML), which is built upon the standardized Unified Modeling Language (UML). This setup enables a model-driven assessment of large real-world communication systems. It covers their description, the selection of scheduling algorithms and parameters, and automated schedule generation and evaluation. Furthermore, it facilitates the export of artifacts for further analysis frameworks such as OMNeT++ or Network Calculus. We have developed model transformation processes to seamlessly integrate modeling, scheduling, and analysis. These processes automatically convert the DSML-based model into the necessary input models for scheduling and analysis. A concluding case study focusing on a real-world communication system demonstrates the practical applicability of this model-driven workflow.
description: Seit 2012 entwickelt die Task Group Time-Sensitive Networking (TSN) Standards, um die Ethernet-Technologie für Echtzeitsysteme zu etablieren. Die Standards ermöglichen eine deterministische und zuverlässige Kommunikation, um den Herausforderungen des wachsenden Datenvolumens und der zeitlichen Anforderungen zu begegnen, die sich durch neue Trends wie das Internet der Dinge, Industrie 4.0, und autonomes Fahren ergeben haben. Der IEEE-Standard 802.1Qbv führt insbesondere den Time-Aware Shaper (TAS) für zeitgesteuerte, echtzeitfähige Datenübertragungen ein. Der Standard deckt jedoch nicht die Generierung von gültigen Ablaufplänen für den vorgesehenen Mechanismus ab. Diese Dissertation befasst sich mit dieser Forschungslücke und schlägt inkrementelle heuristische und metaheuristische Planungsalgorithmen für TAS-gestützte Netzwerke vor. Diese erfüllen die strengen Latenz- und Jitter-Anforderungen und optimieren gleichzeitig die Ressourcennutzung. Zur Leistungsbewertung von Netzwerken mit und ohne TAS verwenden wir OMNeT++-Simulationen sowie Network Calculus für mathematische Analysen von Systemen ohne TAS. Zusätzlich wurde der Planungsprozess des Netzwerks erweitert, um Produzenten- und Konsumenten-Tasks zu umfassen, so dass komplette Sensor-zu-Aktor-Flüsse geplant werden können. Die kombinierten Task und Netzwerkplanungsalgorithmen zeigten Skalierbarkeit und Effizienz über verschiedene Systemgrößen hinweg. Die analysierten Netzwerke und ihre Eigenschaften werden unter Verwendung einer selbst entwickelten Domain-Specific Modeling Language (DSML) hinterlegt, die auf der standardisierten Sprache Unified Modeling Language (UML) basiert. Dies ermöglicht eine modellgestützte Begutachtung komplexer realer Kommunikationssysteme, einschließlich Systembeschreibung, Auswahl von Planungsverfahren und Parametern, sowie automatischer Ablaufplanerstellung und Bewertung. Zudem unterstützt es den Export von Artefakten für Analyse-Frameworks wie OMNeT++ oder Network Calculus. Durch die zusätzliche Entwicklung von Modelltransformationsprozessen gewährleisten wir eine nahtlose Integration von Modellierung, Planung, und Analyse. Diese Prozesse konvertieren automatisch das DSML-basierte Modell in die erforderlichen Eingabemodelle für Planung und Analyse. Eine Fallstudie, basierend auf einem realen Kommunikationssystem, demonstriert die praktische Anwendbarkeit dieses modellgetriebenen Ansatzes.