Lisa Maile

Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit Anwendungsmöglichkeiten von Dienstgütegarantien in Time-Sensitive Networking, insbesondere mithilfe von Network Calculus. Echtzeit-Systeme werden zunehmend in der Industrie, z.B. der Automobil-, Automatisierungs- oder Unterhaltungsbranche benötigt. Klassisches Ethernet garantiert jedoch keine Echtzeitfähigkeit, weshalb die Time-Sensitive Networking Task Group (IEEE 802.1) Standards für die Echtzeitübertragung von Daten über Ethernet-Netzwerke entwickelt. Diese Standards werden unter dem Begriff Time-Sensitive Networking (TSN) zusammengefasst. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wird nun die Anwendung von Network Calculus für TSN untersucht. Network Calculus (NC) ist eine Systemtheorie zur deterministischen Leistungsbewertung. Dabei werden mathematische Methoden verwendet, um Leistungsgarantien für Kommunikationssysteme zu bieten.  NC kann dabei helfen, Echtzeit-Eigenschaften von TSN zu bewerten, erforderliche Latenz-Grenzen einzuhalten und Aufschlüsse über die optimale Konfiguration der Netzwerke liefern. Außerdem ermöglicht es die Dimensionierung der Puffer und kann existierende oder neue Scheduling-Algorithmen bewerten.

Network Calculus (NC) ist ein systemtheoretischer Ansatz zur deterministischen Leistungsanalyse. Dabei kommen mathematische Methoden zum Einsatz, um Leistungsgarantien für Kommunikationssystemen bestimmen zu können. Die Methode kann sowohl in der Planungsphase für zukünftige Systeme als auch bei der Analyse bestehender Systeme eingesetzt werden. In Echtzeitsystemen spielt die Rechtzeitigkeit bestimmter Ereignisse eine entscheidende Rolle. Daher ist es wichtig, die Ergebnisse klassischer Leistungsanalyse, die stochastische Erwartungswerte wie etwa Mittelwerte liefert, durch mathematische Methoden zu ergänzen, die garantierte Schranken für Worst-Case-Szenarien liefern können. Network Calculus ermöglicht die Bestimmung von oberen Grenzen für Ende-zu-Ende-Verzögerungen für einzelne Netzwerkknoten und Folgen von Knoten in einem Netzwerk, Obergrenzen für die benötigten Puffer und Grenzen für den ausgehenden Verkehr. Diese analytischen Grenzen charakterisieren das Verhalten im Worst-Case und erlauben eine korrekte Dimensionierung der Systeme.

Aktuell studieren wir die Grenzen der Anwendbarkeit von Network Calculus für das Multiplexen von Datenströmen, insbesondere, wenn die Aggregation von Strömen nicht nach dem FIFO-Prinzip erfolgt. Die Aggregation von Strömen spielt eine wichtige Rolle, wenn Multiplex-Verfahren modelliert werden. Wir setzen Network Calculus beim Multiplexen an einzelnen Knoten und bei der Hintereinanderschaltung mehrerer Knoten in einem Netzwerk ein.

Wir haben Methoden des Network Calcus erfolgreich in industriellen Anwendungen der internen Fahrzeugkommunikation eingesetzt. Eingebettete Netze in Fahrzeugen müssen harte Echtzeitbedingungen erfüllen. Während TDMA-Verfahren wie in FlexRay die Erfüllung von Grenzen garantieren, erlaubt das stochastische Multiplexen in CAN-Netzen lediglich die Bestimmung von Grenzen für die höchste Priorität. Durch die Anwendung von Network Calculus können wir Grenzen für alle Prioritätsklassen bestimmen, ohne dass wir einen konkreten Kommunikationsablauf vorgeben müssen. Es genügt für die Bestimmung der harten Echtzeitgrenzen, wenn lediglich obere Grenzen für die Menge der an den Knoten ankommenden Daten bekannt sind.

Ein weiteres Einsatzgebiet für Network Calculus ist die industrielle Kommunikation. In der Industrieautomatisierung sind meist auch harte Grenzen für die Ende-zu-Ende-Verzögerung gefordert. Der Einsatz von Ethernet mit unterschiedlichen Prioritätsklassen erlaubt eine kostengünstige Implementierung solcher Fabrikautomatisierungssysteme. Aber ohne strikte Planung der Netze können die geforderten Verzögerungsgrenzen aufgrund des statistischen Multiplexens nicht garantiert werden. Wird Network Calculus bereits in der Planungsphase solcher Netze eingesetzt, können die Netze so dimensioniert werden, dass alle nötigen Grenzen eingehalten werden können. Neben den Verzögerungszeiten können auch die benötigten Puffergrößen in Knoten wie etwa in Industrial Ethernet Switches begrenzt werden. Aktuell fordern einige Anwender von Industieautomatisierungslösungen die einfache Integration von nicht echtzeitfähigen Komponenten in bestehende Netze, sei es von IP-Kameras oder von Bedienterminals. Ohne zusätzliche Analysen kann der Verkehr der zusätzlichen Geräte die Echtzeitkommunikation derart stören, dass bestehende Grenzen für die Verzögerung und den Puffer von Echtzeitverkehr nicht mehr eingehalten werden können. Durch Berücksichtigung des Nicht-Echzeitverkehrs in Network Calculus und durch Verkehrsformung dieser Datenströme können die Netze so dimensioniert werden, dass die Grenzen weiterhin eingehalten werden. Aktuell werden Netwok-Calculus-Berechnungen in ein bestehendes automatisiertes Netzwerkplanungswerkzeug integriert.