通过恒定带宽服务器调度改进时间敏感网络(TSN)流量整形

news2025/2/25 11:05:55

论文标题

英文标题:Improving TSN Traffic Shaping with Constant Bandwidth Server Scheduling
中文标题:通过恒定带宽服务器调度改进时间敏感网络(TSN)流量整形

作者信息

作者:Benjamin van Seggelen
指导教师:dr. G.R.R.J.P. Nelissen, dr. H. Mostafaei, dr. S. Sciancalepore
所属机构:Eindhoven University of Technology, Department of Mathematics and Computer Science, Interconnected Resource-aware Intelligent Systems (IRIS)
授予日期:2024年9月

论文出处

学位:硕士论文
链接:论文链接(具体链接未提供)
版权声明:论文存储于Eindhoven University of Technology的公开存储库中,作者保留版权和道德权利。


摘要

本文研究了时间敏感网络(TSN)中的流量整形机制,特别是针对IEEE 802.1Q标准中的信用基础整形器(CBS)的改进。CBS虽然能够为网络流量提供延迟保证,但在某些情况下无法充分利用可用带宽,导致带宽浪费。为此,本文提出了一种基于恒定带宽服务器(CBSS)的替代流量整形算法,并通过P4语言实现了CBS和CBSS的编程,以验证其在实际网络中的性能。实验结果表明,CBSS能够提高带宽利用率,并减少网络数据包的最坏情况和平均转发延迟。尽管CBSS的实现比CBS更复杂,但其行为仍然可预测。


第1章:引言

本文探讨了如何在时间敏感网络(TSN)中改进流量整形机制,以提高网络的实时性和带宽利用率。TSN是一种为实时以太网通信提供延迟保证的网络标准,广泛应用于工业自动化和汽车电子等领域。TSN通过流量整形技术(如CBS)来管理网络流量,但CBS在某些情况下无法充分利用带宽。本文提出了一种基于恒定带宽服务器(CBSS)的改进方案,并通过P4语言在可编程交换机上实现和评估。


第2章:背景

本章介绍了与研究相关的背景知识,包括TSN标准、软件定义网络(SDN)、P4语言以及CBSS算法。TSN通过多种机制(如CBS和时间感知整形器TAS)来实现流量整形和延迟保证。SDN通过将网络的控制平面与数据平面分离,提供了更灵活的网络编程能力。P4语言允许直接对网络设备的数据平面进行编程,而CBSS算法最初用于实时操作系统中的任务调度,能够动态调整任务的带宽利用率。


第3章:相关工作

本章回顾了与TSN流量整形和CBSS相关的研究工作。在TSN方面,已有研究提出了多种改进方案,如引入最早截止时间优先(EDF)调度的Deadline-TSN,以及基于预测的异步时间感知整形器(ATAS)。在CBSS方面,研究者提出了多种改进算法,如贪婪带宽回收(GRUB)和硬实时CBSS(HCBSS),这些算法在实时任务调度中表现出色,但尚未应用于网络流量整形。


第4章:研究问题

本章详细阐述了本文的研究问题,包括如何将CBSS算法适应于TSN流量整形(MRQ1),在P4语言中实现TSN与CBSS的可行性(MRQ2),以及CBSS与CBS在TSN中的性能比较(MRQ3)。这些问题进一步细分为多个子问题,涉及CBSS的配置、P4的实现限制以及性能评估指标。


第5章:P4实现

本章详细介绍了CBS和CBSS在P4语言中的实现细节。CBS通过信用机制控制流量,而CBSS则通过服务器期限和信用动态调整流量。由于P4语言的限制,实现中采用了多种技术,如查找表和对数运算来近似复杂的数学运算。尽管CBS的实现未能完全成功,但CBSS的实现成功运行,并在实验中验证了其性能。


第6章:评估

本章通过实验评估了CBSS的性能,并与CBS的理论行为进行了比较。实验包括恒定流量、延迟流量、突发流量和周期性流量场景。结果表明,CBSS在带宽利用率和转发延迟方面优于CBS,尤其是在流量拥塞和延迟启动的场景中。然而,CBSS的过渡期可能导致某些流量类暂时独占带宽,这需要在实际应用中加以考虑。


第7章:结论

本文总结了通过CBSS改进TSN流量整形的研究成果。CBSS在带宽利用率和延迟性能方面优于CBS,尽管其实现更为复杂。未来的研究可以集中在完善CBS的P4实现,探索其他相关算法(如GRUB和HCBSS)在网络流量整形中的应用,并进一步优化CBSS以减少过渡期的影响。

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