Echtzeitübertragung mit Time-Sensitive Networking

Themen

Der Themenblock Time-Sensitive Networking (TSN) beschäftigt sich mit der Implementierung und dem Einsatz von Mechanismen für deterministische Übertragung in Ethernet-Netzwerken. Das bedeutet, dass durch Reservierung von Netzwerkressourcen oder durch genaues Scheduling der Übertragungen feste Garantien eingehalten werden können. Dies beinhaltet 0% Paketverlust durch Überlast, sowie feste obere Grenzen für maximale Latenz und für Latenzvariation (Jitter).

Diese Technologien sollen Bus-Systeme (CAN, PROFIBUS, ...) mit geringer Bandbreite ablösen, sowie die vielen existierenden Technologien (AFDX, PROFINET, EtherCAT, ...) vereinheitlichen. Prominente Use-Cases für TSN beinhalten Industrielle Automatisierung (Industrie 4.0) und Netzwerke im Fahrzeug (In-Vehicle Communication), welche Sensoren, Aktoren und Logik-Controller verknüpfen. Die Standardisierung der Shaper und Scheduler ist weitgehend abgeschlossen, aber deren Anwendung und Konfiguration ist noch ein aktuelles Forschungsthema.

Dieses Seminar soll einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik geben, die wichtigsten Herausforderungen und Lösungsansätze beschreiben, und auch einige Zusammenhänge erläutern. Zu Beginn des Seminars wird eine Einführungsveranstaltung stattfinden, in der ein kurzer Überblick und erste Zusammenhänge zur Orientierung während der Arbeit erläutert werden.

Als übergreifende Quellen für die meisten Arbeiten eignen sich die Seite der TSN-Arbeitsgruppe, sowie ein Übersichtsartikel. Für einige Themen werden weitere, spezifischere Quellen gestellt. Es wird erwartet, dass Teilnehmer eigenständig weitere Recherchen durchführen.

 

0. Historischer Abriss: Was gab es vor TSN? FlexRay, CAN, PROFINET, und deren Probleme (Betreuer: Alexej Grigorjew)
   • Welche Mechanismen (Ethernet, Bus-Systeme) wurden vor TSN verwendet? Was waren ihre Grundprinzipien?
   • Was sind die allgemeinen Anforderungen von Echtzeit-Anwendungen, beispielsweise in den Bereichen Automotive und Industrielle Fertigung?
   • Wie funktioniert Echtzeit-Übertragung in diesem Systemen? Welche Rahmenbedingungen existieren? Welche Annahmen können getroffen werden?
1. Latenzgarantien in Ethernet - Überblick und Herausforderungen (Betreuer: Alexej Grigorjew)
   • Welche Ziele verfolgen TSN-Switches im Vergleich zu Standard Ethernet? An welchen Szenarien orientieren sich die Anforderungen?
   • Berechnungen von Latenzschranken: Zentrale und Verteilte Ansätze, Herausforderungen dabei
   • Unterschiede zwischen globalen und lokalen Informationen
2. Latenzberechnung in Statischen Netzwerken (Betreuer: Alexej Grigorjew)
   • Allgemein: Einordnung, Voraussetzungen, Grenzen, Optimierungsmöglichkeiten
   • Grundsätzliche Strategien zur Latenzbestimmung in statischen Netzwerken
   • Beispiele
3. Synchrone Mechanismen: TAS und CQF (Betreuer: Nicholas Gray)
   • Erläuterung der Mechanismen Time-Aware Shaper und Cyclic Queuing and Forwarding
   • Unterschiede der Mechanismen und in der Anwendung, Beispiele
   • Diskussion: Optimierungspotenzial, Komplexität, Abhängigkeiten
4. Asynchrone Mechanismen: CBSA und ATS (Betreuer: Florian Metzger)
   • Erläuterung der Mechanismen Credit-Based Shaper und Asynchronous Traffic Shaping
   • Unterschiede der Mechanismen und in der Anwendung, Beispiele
   • Diskussion: Flexibilität, Implementierungsaufwand der Hardware, Jitter
5. TSN Control Plane und Komplementäre Mechanismen (Betreuer: Stefan Geißler)
   • TSN Konfiguration und Reservierungsprozess: Protokoll, Informationen, Anforderungen
   • Weitere Mechanismen: Filter und Frame Preemption
   • Diskussion: Reservierung der Ressourcen vs. Granularität der Hardware
6. Redundanz und Frame Replication and Elimination for Reliablity (FRER) (Betreuer: Nicholas Gray)
   • Zweck zusätzlicher Redundanz, trotz Reservierung
   • Unterschiedliche Arten der Redundanz
   • FRER-Standard: Frame Replication and Elimination for Reliability
7. SDN und TSN (Betreuer: Stefan Geißler)
   • Erläuterung des Konzepts Software-Defined Networking
   • Gemeinsame Architektur und Synergien der Konzepte
   • Schnelle Umsetzung durch Rapid Prototyping
8. Was kommt nach Layer 2? (Betreuer: Florian Metzger)
   • Echtzeitgarantien über mehrere Netzwerke hinweg, Interoperabilität
   • IETF DetNet Gruppe zur Standardisierung von Layer 3
   • Ausblick, weitere Mechanismen und mögliche Use-Cases: 5G, Carrier Networks, Virtuelle Controller in der Cloud

Hinweise

Trotz der aktuellen Einschränkungen des Lehrstuhlalltags wird das Seminar im Sommersemester stattfinden. Den Ablauf und aktuelle Termine finden sie im dazugehörigen WueCampus-Kursraum, in den Sie von ihrem*r Betreuer*in eingeladen werden.

Das Seminar wird als Blockseminar abgehalten. Die einzelnen Vortragstermine werden während des Semesters im WueCampus und per Mail angekündigt.

Teilnehmende des Seminars müssen rechtzeitig auf ihre*n Betreuer*in zugehen, um das Thema mit ihm*ihr zu besprechen. Wir legen sehr großen Wert auf einen professionellen Vortrag. Dazu zählen sowohl der Inhalt als auch die Art der Präsentation sowie das Vortragen.

Die Seminarteilnehmenden müssen sich selbstständig in ihr Thema einarbeiten und einen didaktisch gut aufbereiteten Vortrag von 25 bis 30 Minuten ausarbeiten. Material zur Vorbereitung stellt der*die Betreuer*in. Er*Sie steht für Fragen zur Verfügung. Eine weiterführende Literaturrecherche wird ggf. erwartet. Die schriftliche Ausarbeitung des Themas ist laut Prüfungsordnung verpflichtend.

Wir erwarten etwa zwei Wochen vor dem offiziellen Vortragstermin einen Probevortrag, der dazu dient den Vortrag zu üben und zu verbessern. Manche Betreuer*innen haben Dienstreisen und andere Termine, sodass sie zeitlich gebunden sind. Daher muss der Termin rechtzeitig mit dem*der Betreuer*in abgestimmt werden. Wir erwarten, dass sich die Teilnehmenden für den Probevortrag vorbereiten und ihren Vortrag vorher mit Mitstudierenden mehrfach üben. Etwaiges Feedback der Mitstudierenden sollte eingearbeitet werden.

Vortragende, die keinen angemessenen Vortrag bis zu ihrem finalen Vortragstermin vorbereitet haben, werden auf das kommende Semester verwiesen. Eine kurzfristige Verschiebung der Vortragstermine ist leider nicht möglich. Es besteht Anwesenheitspflicht bei allen Terminen für die Teilnehmenden. Die Anwesenheit wird kontrolliert.