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Theses Year : 2023

Dimensioning TSN network synchronization in different embedded contexts

Dimensionnement de la synchronisation d'un réseau TSN dans différents contextes embarqués

Abstract

Distributed critical embedded systems faced a growing need for performance, which cannot be achieved without improving the communication architecture. To cope with this need, IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN) working group proposes a set of standards known as the TSN standard to extend Ethernet. These new protocols quickly gained the interest of the embedded industrial world by the promise of a unified network adaptable to numerous data rate with numerous Quality Of Service (QoS) mechanisms intended to offer different levels of determinism. Among the new mechanisms proposed, some mechanisms, such as the Time-Aware Shaper or the Cyclic Queuing and Forwarding, stand out due to the need for a common time base throughout the entire network in order to function optimally. This network-wide synchronization is provided by the IEEE 802.1AS standard which is the adaptation for TSN networks of IEEE 1588, better known under the name Precision Time Protocol (PTP). However, this type of synchronization protocol is a substantial novelty for the embedded world. Therefore, the protocol must provide numerous guarantees before to be used in a critical embedded system. This thesis takes place in this critical context with needs from the automotive, aeronautical and space worlds. Thus, in this manuscript, we will try to provide the keys to obtain these missing guarantees. At first, we will ask ourselves the question of the synchronization precision achievable with IEEE 802.1AS. To do this, a set of improvements made to an open source simulator of the protocol, carried out with the aim of making it representative of reality, will be presented. Then, based on the knowledge acquired with the simulator, a formal model allowing the calculation of a bound on the worst case precision will be explained. These two contributions will be supported by intensive measurements obtained on hardware supporting IEEE 802.1AS and will make it possible to study the parameters impacting the synchronization precision. Secondly, we will question the ability of the protocol to withstand link and device failures. Thus, a comparison between the two robustness mechanisms proposed by the standard will be made. This study will highlight that the static robustness mechanism better meets the needs of critical environments at the cost of a more complex manual configuration. For a use of this mechanism in the industrial environment, it then seemed important to us to propose a method to help the configuration of this mechanism. Thus, a robustness evaluation method to determine the optimal configuration will be proposed. And finally, we will put into practice, on the case study of a satellite embedded network, the results obtained previously in order to study the impact of the precision and the robustness on the rest of the network activities. The low impact in terms of bandwidth wasted due to an oversizing of time-trigger activities to take into account the precision and in terms of worst-case latency of application flows will be highlighted. Furthermore, these results will underline the need to finely bound the worst case precision, but also to release the need for precision for most Time-Aware Shaper uses.
Les systèmes distribués embarqués critiques sont aujourd’hui face à un besoin grandissant de performance, qui ne pourra pas être atteint sans amélioration de l’architecture de communication. C’est pour répondre à ce besoin que le groupe de travail IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN) propose un ensemble de standards connu sous le nom de standard TSN afin d’étendre Ethernet. Ces nouveaux protocoles ont très vite gagné l’intérêt du monde industriel embarqué par la promesse d’un réseau unifié adaptable à de nombreux débits avec de nombreux mécanismes de qualité de service destiné à offrir différents niveaux de déterminisme. Parmi les nouveaux mécanismes proposés, quelques-uns, comme le Time-Aware Shaper ou bien le Cyclic Queuing and Forwarding, se démarquent par un besoin de base de temps commune dans l’ensemble du réseau pour fonctionner optimalement. Cette synchronisation est apportée par le standard IEEE 802.1AS qui est l’adaptation pour les réseaux TSN d’IEEE 1588, plus connus sous le nom Precision Time Protocol (PTP). Cependant, ce type de protocole de synchronisation est une nouveauté conséquente qui doit apporter de nombreuses garanties avant une utilisation dans un système embarqué critique. C’est dans ce contexte critique que se déroule cette thèse avec des besoins provenant du monde automobile, aéronautique et spatial. Ainsi, nous tenterons de fournir les clés pour obtenir ces garanties. Dans un premier temps, nous nous poserons la question de la précision de synchronisation atteignable avec IEEE 802.1AS. Pour ce faire, un ensemble d’améliorations apportées à un simulateur open source du protocole, effectué dans le but de le rendre représentatif de la réalité, seront présentés. Puis fort du savoir acquis avec le simulateur, un modèle formel permettant le calcul d’une borne sur la précision pire cas sera explicité. Ces deux contributions seront étayées à l’aide de mesure intensive obtenue sur du matériel supportant IEEE 802.1AS et permettront d’étudier les paramètres dimensionnant de la précision de synchronisation. Dans un second temps, nous nous interrogerons sur la capacité du protocole à résister aux pannes de lien et d’équipement. Ainsi, une comparaison entre les deux mécanismes proposés par le standard sera effectuée. Cette étude mettra en avant que le mécanisme de robustesse statique répond mieux aux besoins des environnements critiques au prix d’une configuration manuelle plus complexe. Pour une adoption de ce mécanisme dans l’environnement industriel, il nous a alors semblé important de proposer une méthode pour aider à la configuration de ce mécanisme. Ainsi, une méthode d’évaluation de la robustesse destinée à déterminer la configuration optimale sera proposée. Et enfin, nous mettrons en pratique, sur le cas d’étude d’un réseau embarqué de satellite, les résultats obtenus précédemment dans le but d’étudier l’impact de la précision et de la robustesse sur le reste des activités du réseau. La faible influence en termes de bande passante perdue à cause d’un surdimensionnement des activités dicté par le temps pour prendre en compte la précision et en termes de latence pire cas des flux applicatifs sera mise en avant. Ces résultats nous permettront aussi de mettre en avant la nécessité de borner finement la précision pire cas, mais aussi de relâcher le besoin de précision pour la plupart des utilisations du Time-Aware Shaper.
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Dates and versions

tel-04400599 , version 1 (17-01-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04400599 , version 1

Cite

Quentin Bailleul. Dimensioning TSN network synchronization in different embedded contexts. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2023. English. ⟨NNT : 2023INPT0093⟩. ⟨tel-04400599⟩
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