通过恒定带宽服务器调度改进时间敏感网络（TSN）流量整形

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
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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。