[Proposition de thèse] Gestion dynamique de la qualité de service temps réel dans les réseaux TSN

Titre : Gestion dynamique de la qualité de service temps réel dans les réseaux TSN

Encadrant : Ye-Qiong Song (ye-qiong.song@loria.fr)

Equipe d’accueil : Simbiot (https://simbiot.loria.fr/)

Type de financement : Concours à un contrat doctoral de l’Université de Lorraine

Date limite de candidature : 21/05/2020

 

Mots clés :

TSN (Time Sensitive Network), QoS (Quality of Service), Temps réel, SDN (Software Defined Networking), Allocation de ressources, Ordonnancement, Evaluation de performances.

 

Description du sujet :

TSN (Time Sensitive Network) est la dernière évolution importante d’Ethernet. Poussé par l’industrie automobile en tant que le futur réseau embarqué, TSN séduit aussi l’aéronautique et toute l’industrie 4.0, grâce notamment à de nombreuses possibilités d’assurer le transfert de données temps réel, en utilisant des différents ordonnanceurs (shapers) de trafics tels que TAS (Time-Aware Shaper), CBS (Credit-Based Shaper) et BLS (Burst-Limiting Shaper) spécifiés dans IEEE802.1Qav, IEEE802.1Qbv.

SDN (Software Defined Networking) offre la possibilité du monitoring et de la reconfiguration dynamique des équipements réseaux (e.g. commutateur/routeur programmable) via le protocole Openflow ou bien par de la programmation P4 à la fois du plan de contrôle et du plan de données. Ce qui ouvre des perspectives extrêmement intéressantes pour reconfigurer et re-allocation des ressources réseaux (e.g. bande-passante, priorité) afin de garantir la qualité de service requise pour des flux temps réel, dans un réseau commuté en générale, et dans TSN en particulier.

Les applications temps réel sont de natures et exigences diverses, les flux de paquets de données qu’un réseau TSN transmet doit garantir la qualité de service temps réel, et plus particulièrement les délais de bout en bout, tout en optimisation l’utilisation de la bande passante partagée par ces différents flux. Par ailleurs, de plus en plus d’applications temps réel sont de nature dynamique, exigeant ainsi que le réseau TSN soit capable d’admettre des nouveaux flux et gérer le retrait des flux, tout en garantissant continuellement les propriétés temps réel. Ce qui pose de nombreux défis quant à la gestion dynamique de la qualité de service et de l’allocation de ressources réseaux.

Cette thèse vise à développer principalement des méthodes dynamiques de gestion de la qualité de service temps réel et d’allocation de ressource du réseau TSN. L’idée est d’exploiter d’une part les potentiels de SDN, et d’autre part contribuer à améliorer les méthodes d’évaluation de délais dans le contexte de TSN, car les bornes des délais actuels présentent encore du pessimisme, conduisant à un surdimensionnement des ressources réseaux.

En effet, les travaux de recherche existants autour de TSN se focalisent sur deux thématiques : 1) ordonnancement optimal de time slots régulés par TAS [Dürr16], [Craciunas16], [Nayak18] ; 2) évaluation du pire temps de réponse des trafics régulés par CBS et BLS avec des approches différentes telles que l’analyse des intervalles éligibles [Maxim17], [Cao18], calcul réseau [Zhao18], [Finzi19] et l’analyse d’ordonnancement par trajectoires [Li17]. Les problèmes restants sont l’insuffisance de la prise en compte conjointe du routage et de l’ordonnancement, le manque de l’étude de l’impact de l’ordonnancement de time slots sur les trafics moins prioritaires, et le pessimisme du calcul des bornes de délais surtout dans un réseau TSN multi-sauts, ainsi qu’un cadre et des mécanismes exécutifs permettant l’admission dynamique des flux temps réel, en s’appuyant sur les différentes méthodes de vérification de la garantie de la qualité de service temps réel.

Dans cette thèse, nous nous focaliseront sur la gestion dynamique de la qualité de service temps réel dans TSN. Plus précisément, nous cherchons à allouer conjointement des “time slots” et les chemins dans un réseau TSN de façon optimale. Cette allocation peut se faire par un mécanisme de contrôle d’admission, c’est à dire chaque nouvelle demande de flux (typiquement un flux de paquets de données périodique entre une source et une ou plusieurs destinations, avec une contrainte sur le délai de bout en bout au travers plusieurs commutateurs TSN du réseau) doit être examinée afin de savoir si elle peut être acceptée. Dans le cas d’acceptation, nous devons allouer les slots temporels et un chemin au niveau de chaque commutateur TSN. Etant donné qu’il s’agit d’un problème NP-complet, la recherche des algorithmes heuristiques est une piste à privilégier. L’algorithme de contrôle d’admission s’exécutera sur le contrôleur SDN ou bien un contrôleur d’application au-dessus de SDN via une API nord (e.g. P4). Un exemple de la gestion de la QoS par un contrôleur SDN-like est donné dans [Greff17]. D’autres travaux dans ce sens peuvent être trouvés dans [Krishna16], [Durner15]. Un premier état de l’art sur la gestion de la QoS par SDN est donné dans [Murat17]. Il est à noter qu’il n’existe pas encore de commutateur TSN programmable par SDN (via commandes Openflow) au moment de l’écriture de ce sujet. Néanmoins plusieurs travaux récents vont dans ce sens [Greff17], [Schneider17], [Silva17]. Le développement pourra bien évidemment s’appuyer dans un premier temps à l’émulation de commutateurs (e.g. mininet, P4/BMv2).

Par ailleurs, selon les compétences et intérêts du candidat, d’autres pistes de contributions peuvent être poursuivies, notamment sur la réduction du pessimisme des bornes existantes de délais de bout en bout, en exploitant d’autres approches plus précisent mais probablement plus complexe (e.g. Forwarding analysis [Benammar18]) que celle du calcul réseau et de l’intervalle éligible.

 

Profil du candidat :

Diplôme de Master ou équivalent en informatique ou en réseaux.

Bonne maitrise de la programmation (c, java et python) et l’environnement linux.

Connaissances et expériences dans l’un ou plusieurs des thèmes suivants seront appréciées : SDN, TSN, Optimisation, Ordonnancement, Calcul réseau (network calculus).

 

Bibliographie :

[Benammar18] Nassima Benammar, Henri Bauer, Frédéric Ridouard, Pascal Richard, Timing analysis of AVB Ethernet network using the Forward end-to-end Delay Analysis. RTNS 2018: 223-233, Poitiers, France.

[Cao18] J. Cao, M. Ashjaei, P. J. L. Cuijpers, R. J. Bril, and J. J. Lukkien. An independent yet efficient analysis of bandwidth reservation for credit-based shaping in ethernet TSN. In 2018 IEEE World Conference on Factory Communication Systems (WFCS), pages 1–10, May 2018.

[Craciunas16] Silviu S. Craciunas, Ramon Serna Oliver, Martin Chmelik, and Wilfried Steiner, “Scheduling real-time communication in IEEE 802.1qbv time sensitive networks”. In Proceedings of the 24th International Conference on Real-Time Networks and Systems, RTNS ’16, pages 183–192, New York, NY, USA, 2016. ACM.

[Durner15] Raphael Durner, Andreas Blenk, Wolfgang Kellerer, Performance Study of Dynamic QoS Management for OpenFlow-enabled SDN Switches IEEE 23rd International Symposium on Quality of Service (IWQoS 2015), Portland, OR, USA, 15-16 June 2015.

[Dürr16] Frank Dürr and Naresh Ganesh Nayak, “No-wait packet scheduling for IEEE time-sensitive networks (TSN)”. In Proceedings of the 24th International Conference on Real-Time Networks and Systems, RTNS ’16, pages 203–212, New York, NY, USA, 2016. ACM.

[Finzi19] Anaïs Finzi, Ahlem Mifdaoui, Fabrice Frances, Emmanuel Lochin, Network Calculus-based Timing Analysis of AFDX networks incorporating multiple TSN/BLS traffic classes. CoRR abs/1905.00399 (2019).

[Greff17] F. Greff, Y.-Q. Song, L. Ciarletta, and A. Samama, 
“A Dynamic Flow Allocation Method to the Design of a Software-Defined Real-Time Mesh Network,” IEEE WFCS2017, May 31 – June 2, 2017, Trondheim, Norway.

[Krishna16] Hedi Krishna, Niels L. M. van Adrichem , Fernando A. Kuipers, Providing bandwidth guarantees with OpenFlow, IEEE Symposium on Communications and Vehicular Technologies (SCVT), 2016, Mons, Belgium.

[Li17] Xiaoting Li,Laurent George, Deterministic delay analysis of AVB switched Ethernet networks using an extended Trajectory Approach. Real-Time Systems 53(1): 121-186 (2017)

[Maxim17] Dorin Maxim and Ye-Qiong Song. Delay Analysis of AVB traffic in Time-Sensitive Networks (TSN). In RTNS 2017 – International Conference on Real-Time Networks and Systems, page 10, Grenoble, France, October 2017.

[Murat17] Murat Karakus and Arjan Durresi, Quality of Service (QoS) in Software Defined Networking (SDN) J. Netw. Comput. Appl., Vol. 80, pp200-218, 2017.

[Nayak18] Naresh Ganesh Nayak, Frank Dürr, Kurt Rothermel, Routing algorithms for IEEE802.1Qbv networks. SIGBED Review 15(3): 13-18 (2018).

[Schneider17] Ben Schneider, Alois Zoitl, Monika Wenger and Jan Olaf Blech, Evaluating Software-defined Networking for Deterministic Communication in Distributed Industrial Automation Systems IEEE ETFA2017, September 12-15, 2017, Limassol, Cyprus.

[Silva17] Luis Silva, Pedro Gonçalves, Ricardo Marau, Paulo Pedreiras and Luis Almeida, Extending Openflow with Flexible Time-Triggered Real-Time Communication Services IEEE ETFA2017, September 12-15, 2017, Limassol, Cyprus.

[Zhao18] L. Zhao, P. Pop, Z. Zheng, and Q. Li. Timing analysis of avb traffic in TSN  networks using network calculus. In 2018 IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS), pages 25–36, April 2018.

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