title: Reliable Real-Time Communication in Time-Sensitive Networking with Static and Dynamic Network Traffic
title: Zuverlässige Echtzeitkommunikation in Time-Sensitive Networking mit statischem und dynamischem Netzwerkverkehr
Creators: name: Maile, Lisa
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Time-Sensitive Networking (TSN)
subject: Network Calculus
subject: Worst-case delay
subject: Cyber-physical system
subject: Real-time communication
subject: Flow allocation
subject: Network management
subject: Redundant transmission

description: In the rapidly evolving world of digital communication, an increasing number of safety-critical tasks rely on network-based communication systems. Safety-critical communication cannot tolerate information being lost or unpredictably delayed, as this imposes far-reaching consequences on the system. As a result, the demand for robust and responsive networks has significantly increased over the past years. To address this need, \ac{TSN} has emerged, offering deterministic data transmission for real-time communication. While \ac{TSN} provides the necessary specifications and protocols, it falls short of providing algorithms for flow allocation and device configuration to enable real-time communication. This dissertation addresses these limitations by presenting comprehensive design aspects for reliable real-time communication, integrating both static and dynamic traffic. In this context, the reservation of static traffic, which is known prior to network setup, contrasts with the reservation of dynamic traffic, which must be reserved during network operation without prior knowledge of its arrival and characteristics. This dissertation investigates centralized and decentralized network management in \ac{TSN}, critically evaluating current standards and proposing scalable, safe solutions tailored for safety-critical real-time communication, which integrates static and dynamic traffic. Real-time guarantees for data transmission are achieved through worst-case delay analysis using Network Calculus. Thereby, the focus is on facilitating reservation-independent deadline guarantees, which can be used even in highly dynamic scenarios. The reliability of the network is increased through redundant transmission mechanisms, and this dissertation introduces essential configurations which are crucial for predictable redundancy behavior. The analysis of various design aspects, including prioritization and path selection, demonstrates their impact on the success of reservations, and the proposed solutions lead to a significant improvement in the network's efficiency. Finally, the dissertation highlights that optimizing delay budgets for anticipated future traffic can significantly increase the number of successful reservations during network operation.
description: In der stetig fortschreitenden Welt digitaler Kommunikation stützen sich zunehmend mehr sicherheitskritische Anwendungen auf netzwerkbasierte Kommunikationssysteme. Bei sicherheitskritischer Kommunikation sind Informationsverluste oder unvorhersehbare Verzögerungen inakzeptabel, da sie gravierende Auswirkungen auf das Gesamtsystem haben können. Vor diesem Hintergrund ist die Nachfrage nach robusten und reaktionsschnellen Netzwerken in den vergangenen Jahren markant gestiegen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurde \ac{TSN} entwickelt, welches deterministische Datenübertragungen für Echtzeitkommunikation ermöglicht. Obgleich \ac{TSN} die erforderlichen Spezifikationen und Protokolle bereitstellt, bieten die Standards keine Algorithmen für die Zuweisung von Netzwerkverkehr und die Konfiguration der Netzwerkgeräte für Echtzeitkommunikation. Diese Dissertation geht auf diese Einschränkungen ein, indem sie umfangreiche Designaspekte für zuverlässige Echtzeitkommunikation vorstellt und dabei sowohl statischen als auch dynamischen Netzwerkverkehr integriert. Hierbei unterscheidet sich die Reservierung von statischem Verkehr, der bereits vor dem Netzwerksetup bekannt ist, von der Reservierung von dynamischem Verkehr, der während des Netzwerkbetriebs ohne vorherige Kenntnis seiner Ankunft und Merkmale reserviert werden muss. Diese Arbeit beleuchtet sowohl zentralisiertes als auch dezentralisiertes Netzwerkmanagement in \ac{TSN}, bewertet die aktuellen Standards kritisch und schlägt skalierbare und sichere Lösungen für sicherheitskritische Echtzeitkommunikation vor, welche statischen und dynamischen Verkehr kombinieren. Echtzeitgarantien für die Datenübertragung werden durch Worst-Case Latenzanalysen mit Network Calculus erreicht. Der Fokus liegt dabei auf der Bereitstellung von reservierungsunabhängigen Latenzgarantien, die auch in stark dynamischen Umgebungen anwendbar sind. Die Zuverlässigkeit des Netzwerks wird durch redundante Übertragungsmechanismen erhöht. Hier führt die Dissertation wesentliche Konfigurationen ein, die für vorhersehbares Verhalten bei redundanter Übertragung erforderlich sind. Die Analyse verschiedener Designaspekte, einschließlich Priorisierung und Pfadauswahl, verdeutlicht deren Auswirkungen auf den Erfolg von Reservierungen und die vorgeschlagenen Lösungen tragen zu einer deutlichen Steigerung der Netzwerkeffizienz bei. Zuletzt zeigt die Dissertation auf, dass die Optimierung von Latenz-Budgets für den antizipierten zukünftigen Verkehr die Zahl erfolgreicher Reservierungen während des Netzwerkbetriebs signifikant erhöhen kann.