@misc{10481/91902,
year = {2024},
url = {https://hdl.handle.net/10481/91902},
abstract = {This document presents the research work carried out with the aim of
designing, developing, and evaluating a Time Sensitive Networking (TSN)
network scheduling solution based on Asynchronous Traffic Shaper (ATS),
ensuring deterministic requirements for industrial networks. Industry 4.0
demands services with stringent quality of service, and only TSN enables
their connectivity.
However, industrial IoT demands device mobility, which is impossible
with TSN. Therefore, 5G networks are ideal as they offer low cost, robustness,
and the interoperability of devices through ultra-reliable and lowlatency
wireless communications. Hence, the ideal scenario would be to
integrate both technologies, a topic addressed by numerous research efforts,
although only 3GPP has defined a proposal for integration. This integration
model involves the use of synchronous TSN but presents challenges such
as the need for a common time reference among network nodes and lower
scalability compared to asynchronous TSN.
Therefore, this project focuses on the study of asynchronous TSN employing
ATS. ATS is responsible for implementing flow routing in asynchronous
TSN switches and consists of several queued stages for routing.
This scheduling does not minimize the number of priorities used in each
ATS, thus reducing the cost of the asynchronous network, as asynchronous
networks directly depend on the priority levels available in ATS. Additionally,
with a lower number of priorities in each ATS, configuring and operating
an asynchronous TSN network becomes more straightforward.
Consequently, an algorithm has been defined in this project to minimize
the number of priorities used by the ATSs in a TSN network while meeting
the required delay for industrial services. This project formally formulates
the problem of flow priority assignment in a asynchronous TSN network and
demonstrates the optimization of our proposed algorithm. Furthermore, the
proposed solution is generic, scalable, and has reduced complexity.
On the other hand, a simulator has been developed to implement this
solution and verify the correct prioritization and delay distribution defined
for an asynchronous TSN network. Three network topologies have also been
implemented, and a study of the main characteristics of the existing service types in the network has been conducted for a more realistic experimentation.
In the experimental tests, several simulations have been carried out in
the test environment, testing the routing capacity and performance of ATSs
against service types with critical delay requirements. Our solution has been
compared with brute-force search to verify its optimality and correctness,
resulting that the exection time of brute force is significantly higher than
ours with exactly the same prioritization results. It has been observed that
Flow Prioritization has higher utilization than PCP Prioritization, and the
network topology does not affect the scalability of our algorithm. Furthermore,
it has been deduced that utilization varies depending on the number
of flows for services with strict delay requirements. Finally, it has been determined
that the developed algorithm scales correctly with an increasing
number of flows without excessive growth in execution time.},
abstract = {En este documento se presenta el trabajo de investigación desarrollado
que tiene como objetivo el diseño, desarrollo y evaluación de una solución de
planificación de redes Time Sensitive Networking (TSN) basadas en Asyncrhonous
Traffic Shaper (ATS), asegurando los requisitos deterministas de
las redes industriales. La Industria 4.0 presenta servicios con calidades de
servicios exigentes y solo TSN permite su conectividad. Sin embargo, el
IoT industrial demanda la movilidad de los dispositivos siendo imposible
con TSN. Por lo que las redes 5G son idóneas, ya que presentan un bajo
coste, robustez y la interoperación de dispositivos mediante comunicaciones
inalámbricas ultrafiables y de baja latencia. Por ende, lo ideal sería integrar
ambas tecnologías, tema tratado por numerosas investigaciones aunque
solo el 3GPP ha definido una propuesta de integración. Este modelo de
integración contempla el uso de TSN síncrono mas presenta inconvenientes
como la necesidad de referencia temporal común entre los nodos de la red y
una menor escalabilidad que TSN asíncrono.
Por tanto, este proyecto se centra en el estudio de TSN asíncrono que
emplean el ATS. El ATS es responsable de implementar el enrutamiento
de flujo en los conmutadores TSN asíncronos, y cuenta con varias etapas
encoladas para su enrutamiento. Esta planificación no minimiza el número
de prioridades empleadas en cada ATS y por tanto, reducir el coste de
la red asíncrona, ya que las redes asíncronas depende directamente de los
niveles de prioridad disponibles en el ATS. Además, con un menor número
de prioridades en cada ATS es más fácil configurar y operar una red TSN
asíncrona.
En consecuencia, se ha definido un algoritmo que minimiza el número
de prioridades que utiliza los ATSs de una red TSN mientras se cumple
con el requisito de retardo demandado por los servicios industriales. En
este proyecto se lleva a cabo una formulación formal del problema de asignación de prioridades de flujo en una red TSN asíncrona y se demuestra
la optimización del algoritmo propuesto. Además, la solución propuesta es
genérica, escalable y con complejidad reducida.
Por otro lado, se ha desarrollado un simulador que implementa esta
solución para verificar el correcto funcionamiento de prioritización y distribución de retardos definidos para una red TSN asíncrona. También se
han implementado tres topologías de red y realizado un estudio de las principales
características que presentan los tipos de servicios existentes en la
red para tener un experimentación más realista.
En las pruebas experimentales, se han realizado varias simulaciones en el
entorno de pruebas, probando la capacidad y el rendimiento de enrutamiento
de los ATSs frente a los tipos de servicios con requisitos de retardo críticos.
Se ha comparado nuestra solución con la búsqueda de fuerza bruta para
comprobar su optimalidad y correctitud, obteniendo que el tiempo de ejecución de la fuerza bruta es muy superior al nuestro con exactamente los
mismos resultados de priorización. Se ha comprobado que la prioritizaci´on
por flujos tiene una mayor utilización que por PCP y la topología de red no
afecta a la escalabilidad del algoritmo. Por otro lado, se deduce que la utilización varia en función del número de flujos de los servicios con requisito de
retardo estricto. Finalmente, se determina que el algoritmo desarrollado escala
correctamente con el incremento del número de flujos sin un crecimiento
excesivo del tiempo de ejecución.},
keywords = {TSN},
keywords = {Prioritization},
keywords = {Flows},
keywords = {Priorización},
keywords = {Flujos},
title = {Develop an algorithm to the flow allocation in asynchronous TSN network for the Industrial 4.0.},
author = {Caleya Sánchez, Julia},
}