Develop an algorithm to the flow allocation in asynchronous TSN network for the Industrial 4.0.

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.

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.