时间敏感网络中全面分析与调度的模型驱动方法

论文：A Model-Driven Approach for the Comprehensive Analysis and Scheduling in Time-Sensitive Networks》

1. 背景与动机
   • TSN 的发展与应用领域：自 2012 年起，IEEE 802.1 TSN 任务组致力于开发通信标准，增强 IEEE 802 网络（尤其是以太网）的确定性和可靠性，使其适用于实时系统。TSN 在多个领域有应用，如工业自动化、汽车、航空航天等，以应对数据量增长和实时性需求的挑战1。
   • TSN 中的调度问题：IEEE 802.1Qbv 标准中的 Time - Aware Shaper（TAS）机制在 TSN 中用于实时数据传输调度，但标准未定义有效调度生成。现有调度算法多关注关键流的端到端延迟和抖动，未充分考虑 TAS 硬件限制，可能导致资源分配不合理2。
   • 通信系统建模问题：当前 TSN 通信系统建模工具存在局限性，如专有、闭源、不考虑与其他工程领域接口等。传统系统工程方法在跨域开发中易导致不兼容和不一致，而 Model - Based Systems Engineering（MBSE）等方法可提供统一视角，但现有建模语言在定义 TSN 相关 QoS 属性时存在不足34。

1. 主要贡献
   • 提出模型驱动工作流程：集成建模与网络工程原理技术，包括网络工程（含 TAS 调度算法、Network Calculus 分析、模拟）、建模（引入基于 UML 和 SysML 的 DSML）、模型转换（开发 M2M 和 M2T 转换），加速通信系统性能评估和 TAS 调度计算，通过铁路领域用例验证有效性589。
   • 开发调度算法：提出启发式和元启发式算法解决 TAS 网络调度问题，关注延迟、抖动和资源利用效率，复用概念开发应用任务与网络流联合调度算法，用于处理传感器 - 执行器流程等6。
   • 引入分析方法：运用 Network Calculus 分析 TAS - free 环境下设备的最坏情况延迟和缓冲区使用，集成 OMNeT++ 模拟环境验证调度结果和无 TAS 时的性能710。
2. 论文结构
   • 第二章介绍以太网网络和 TSN 中 QoS 的基本概念，包括 QoS 工具、调度、流量整形方法以及 TSN 的特性和相关标准13。
   • 第三章阐述 TAS 调度算法、Network Calculus 框架，讨论相关工作并通过综合案例研究进行评估12。
   • 第四章介绍联合任务和网络管理（含 TAS 功能），回顾相关工作并评估合成和实际场景12。
   • 第五章详述建模方法和 DSML12。
   • 第六章描述转换过程12。
   • 第七章讨论相关框架和工作流程，基于现有列车通信系统展示整体工作流程12。
   • 第八章总结工作并展望未来工作12。
3. 研究资助：本研究由德国联邦经济事务和气候行动部在 “MBPLE4Mobility” 项目中资助，旨在通过端到端系统建模优化铁路和汽车领域产品开发，关注以太网通信系统配置和资源分配11。