Time-sensitive traffic and time-triggered mechanisms : traffic planning and analysis

Abstract

In zunehmendem Maße bilden echtzeitfähige Kommunikationsnetzwerke das Rückgrat, das einzelne Komponenten von vernetzten Anwendungen verbindet. Herkömmlicherweise finden sich solche Anwendungen zum Beispiel in Industrieautomationsanlagen oder Fahrzeugbordnetzen. Je mehr sich Software in Infrastruktursysteme einnistet, beispielsweise im Zusammenhang mit Smart Grids oder Connected Driving, desto mehr steigt der Bedarf an Echtzeitkommunikation. In der Folge werden Netzwerke mit zusätzlichen Mechanismen ausgestattet, die durch ein Zusammenspiel von deterministischem Medienzugriff, zeitlicher Koordination, Pfadberechnung und Ressourcenreservierung Garantien, zum Beispiel hinsichtlich Latenz oder Verzögerung, gewährleisten können. Im ersten Teil dieser Arbeit wird daher das Problem behandelt, wie sich ein Verkehrsplan erzeugen lässt, der Echtzeitgarantien für ein gegebenes Netzwerk und eine Menge von Datenströmen sicherstellt. Dazu werden unterschiedliche Ansätze für verschiedene Ausprägungen des Verkehrsplanungsproblems für zeitgetriggerte Datenströme vorgestellt und anhand einer großen Auswahl von synthetischen Szenarien mit prototypischen Implementierungen evaluiert. Diese Ansätze unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich der zeitlichen Auflösung und dem Freiheitsgrad bei der Pfadberechnung sowie der Methode, die zur Berechnung des Verkehrsplans genutzt wird. Zwei dieser Ansätze beruhen auf Constraint Programming. Konkret bedeutet das, dass die unterschiedlichen Verkehrsplannungsbedingungen für die Zeitpläne und Pfade von zeitgetriggerten Datenströmen als Integer Linear Programs mit linearen (Un-)Gleichungen formuliert werden. Diese beiden Ansätze werden für die Planung von sogenannten Complemental Flows erweitert. Als Complemental Flows werden hierbei Datenströme bezeichnet, die aus einem zeitgetriggerten Teil und einem sich ergänzenden ereignisgetriggerten Teil bestehen. Weiter werden zwei auf Konfliktgraphen basierende Verfahren zur Verkehrsplanung vorgestellt. Im zuerst vorgestellten Verfahren wird dabei der Konfliktgraph schrittweise aufgebaut und die Verkehrspläne für statische Szenarien werden effizient mit einer Kombination von einem exakten Algorithmus und einer Heuristik berechnet. Als zweites wird der Konfliktgraphansatz für dynamische Szenarien erweitert. Die sich dabei ergebenden zusätzliche Herausforderungen werden identifiziert und Mittel zur Quantifizierung und Steuerung der Dienstgüte bei Verkehrsplanaktualisierungen vorgestellt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Analyse von Netzwerkelementen mit zeitgetriggerten Dienstunterbrechungen im Network Calculus-Framework betrachtet. Zeitgetriggerte Dienstunterbrechungen treten beispielsweise in Netzwerkbrücken auf, die die Zeitpläne, die im ersten Teil dieser Arbeit betrachtet wurden, mit Hilfe eines Sperrmechanismus' durchsetzen. Dieser Sperrmechanismus wirkt sich so aus, dass ein Teil des Datenverkehrs für bestimmte Zeiträume nicht weitergeleitet wird. Ein ähnlicher Effekt ergibt sich auch in Netzwerkelementen, die aus Gründen der Energieeffizienz eine Leistungsabschaltung durchführen. Deshalb wird das verallgemeinerte Problem der zeitgetriggerten Dienstunterbrechung, bei dem Netzwerkelemente nach einem festgelegten Zeitplan den Dienst für bestimmte Datenströmen unterbrechen, untersucht. Eine Voraussetzung, um die Latenzgrenzen und den maximal belegten Zwischenspeicher in diesen Szenarien mit Network Calculus zu berechnen, ist zuerst einmal eine formale Beschreibung dieser Systeme. Deshalb werden zwei Grundformen von Netzwerkelementen mit zeitgetriggerter Dienstunterbrechung identifiziert, die jeweils auch beide unterschiedlich in der Analyse behandelt werden müssen. Für diese Grundformen werden zeitvariante und zeitinvariante Servicekurven herausgearbeitet. Eine Servicekurve beschreibt dabei das Weiterleitungsverhalten der untersuchten Netzwerkelemente und kann für die Analyse von zusammengesetzten Systemen mit Network Calculus verwendet werden. Diese Servicekurven werden in Hinblick auf die Unterabschätzung des angebotenen (Weiterleitungs-)Dienstes ausgewertet und Einflussfaktoren sowie Einschränkungen diskutiert.