Pós-Graduação em Ciência da Computação – UFPE
Defesa de Tese de Doutorado Nº 620
Aluno: David Alain do Nascimento
Orientador: Prof. Divanilson Rodrigo de Sousa Campelo
Coorientador: Prof. Steffen Bondorf (Ruhr-University Bochum)
Título: Enabling TSN Scheduled Traffic on Ethernet Multidrop In-Vehicle
Networks
Data: 29/02/2024
Hora/Local: 15h – Virtual – Interessados em assistir entrar em contato com o aluno
Banca Examinadora:
Prof. José Augusto Suruagy Monteiro (UFPE / Centro de Informática)
Prof. Abel Guilhermino da Silva Filho (UFPE / Centro de Informática)Prof. Kelvin Lopes Dias (UFPE / Centro de Informática)
Prof. Moisés Renato Nunes Ribeiro (UFES / Departamento de Engenharia Elétrica)
Prof. Dave Alberto Tavares Cavalcanti (Intel / Intel Labs)
RESUMO:
Nos últimos anos, tem havido interesse da indústria automotiva no fornecimento da Ethernet half-duplex de par único baseado em multidrop (isto é, 10BASE-T1S), a qual é baseada em um método coordenado de acesso ao canal fornecido pelo mecanismo Physical Layer Collision Avoidance (PLCA).
O PLCA evita colisões de quadros Ethernet e fornece latência limitada, ao mesmo tempo que garante justiça entre os nós e utilização ideal da largura de banda.
No entanto, apesar destas características vantajosas, o PLCA não tem ciência das prioridades dos fluxo e não fornece Qualidade de Serviço (em inglês, Quality of Service, QoS) baseada em prioridades.
Assim, há uma oportunidade para integrar ao PLCA esquemas cientes de QoS, como o algoritmo Time-Aware Shaper (TAS), que governa um dos padrões mais relevantes do Time-Sensitive Networking (TSN), o IEEE 802.1Qbv.
Embora o TAS tenha sido inicialmente projetado para enlaces Ethernet ponto a ponto full-duplex, uma integração apropriada do TAS com o PLCA tem o potencial de permitir latência determinística rigorosa com jitter muito baixo em provisões multidrop half-duplex.
Neste trabalho, apresentamos estratégias de modelagem e análise usando Network Calculus para integração do TAS ao PLCA para dar suporte a tráfego agendado, e comparamos nossa modelagem e análise com trabalhos anteriores que modelaram o TAS apenas para Ethernet em meio não compartilhado, ou seja, ponto a ponto.
Fornecemos abordagens de modelagem e análise usando Network Calculus para o protocolo TAS em redes Ethernet full-duplex, bem como em redes Ethernet multidrop que empregam o PLCA. Além disso, nossa solução utiliza um método aprimorado de análise do Network Calculus como uma abordagem alternativa à maioria dos estudos do estado da arte.
Nossa solução reduz o atraso de pior caso na maioria dos casos em um cenário de rede com enlaces ponto a ponto considerado em um trabalho anterior. No entanto, em contraste com trabalhos anteriores, fornecemos modelagem e análise alternativas, com as quais conseguimos reduzir os limites de atraso usando curvas simples com análise precisa, em vez de curvas precisas com uma análise arcaica.
Além disso, mostramos que a substituição de enlaces ponto a ponto por enlaces enlaces multidrop com PLCA ainda cumpre os limiares de atraso fim a fim, ao mesmo tempo em que leva a uma redução dos custos do sistema devido ao menor número de transceptores Ethernet.
Fornecemos modelos e ferramentas para analisar o agendamento do TAS em enlaces de diferentes tipos.
As técnicas descritas nesta pesquisa podem ajudar os engenheiros de rede na integração eficaz de TAS e PLCA para resolver demandas de aplicações em tempo real.
ABSTRACT:
In recent years, there has been interest from the automotive industry in a novel single-pair, half-duplex Ethernet multidrop bus provision (i.e., 10BASE-T1S), which relies on a coordinated channel access method provided by Physical Layer Collision Avoidance (PLCA).
PLCA avoids Ethernet frame collisions and provides bounded latency while guaranteeing fairness among nodes and optimal bandwidth utilization.
However, despite these advantageous features, PLCA is unaware of flow priorities and does not provide priority-based Quality of Service (QoS).
Thus, there is an opportunity for integrating QoS-aware schemes into PLCA, such as the Time-Sensitive Networking (TSN)-based Time-Aware Shaper (TAS) algorithm which governs one of the most relevant TSN standards, the IEEE 802.1Qbv.
While TAS was initially designed for full-duplex point-to-point Ethernet links, an appropriate integration of TAS with PLCA can enable stringent deterministic latency with very low jitter in half-duplex multidrop provisions.
In this work, we present modeling and analysis strategies using Network Calculus for integrating TAS with PLCA to support scheduled traffic, and we compare our modeling and analysis with a baseline work that previously modeled TAS for full-duplex point-to-point Ethernet only.
We provide modeling and analysis approaches using Network Calculus for the Time-Aware Shaper (TAS) protocol in full-duplex Ethernet networks as well as Ethernet multidrop networks that employ Physical Layer Collision Avoidance (PLCA). Also, our analysis utilizes an enhanced Network Calculus method as an alternative approach to most state-of-the-art studies.
Our solution reduces the worst-case delay bound in most GCL scheduling cases in a full-duplex point-to-point network scenario, i.e., the same network of the baseline work. However, in contrast to the baseline work, we provide alternative modeling and analysis, in which we can reduce delay bounds by using simple curves with accurate analysis rather than accurate curves with an archaic analysis.
Also, we show that replacing full-duplex point-to-point links with half-duplex PLCA multidrop links still complies with end-to-end delay deadlines while leading to a reduction of system costs due to the fewer number of Ethernet transceivers in a PLCA multidrop.
Moreover, we also show that our results for TAS, when applied only on full-duplex point-to-point links, outperform the results of the baseline work in most use cases.
We provide models and tools for analyzing TAS scheduling on distinct link types.
The modeling and analysis techniques outlined in this research can assist network engineers in effectively integrating TAS and PLCA to solve real-time application GCL scheduling demands.
Palavras-chave: Ethernet Automotivo; Redes Intra-Veiculares; Time-Sensitive
Networking; Network Calculus; Análise de tempo; Latência
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