Control Plane Mechanisms for Multi-Domain Time-Sensitive Networking
Industry 4.0 pushes the manufacturing industry towards batch size 1 production. Due to changing communication requirements, industrial networks must dynamically provide communication with guaranteed end-to-end latencies. IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN), as an Ethernet-based open standard solution, provides on-demand end-to-end bounded-latency stream reservation. Inter-domain communication in TSN has been identified as a requirement for various use cases. The wide range of TSN standards does not support the interaction on the control plane between multiple TSN domains. In this work, TSN control plane mechanisms are developed in order to provide on-demand multi-domain end-to-end bounded-latency stream reservation. The approach of east-westbound communication, inherited from Software-Defined Networking (SDN), is applied to the TSN control plane. Different multi-domain TSN (MDTSN) architectural approaches are presented. Differences between single-domain TSN and MDTSN are elaborated. In MDTSN, a stream consists of several stream segments provided by each domain as part of an end-to-end stream. Control plane mechanisms for MDTSN integrating an east–westbound protocol in the existing TSN control plane are presented. Stream parameters that have to be determined per TSN domain as part of an end-to-end stream are shown. The procedures in the MDTSN control plane for stream segment reservations are given, including architecture diagrams, reference messages, protocols, and most relevant parameters. Furthermore, the procedures for stream releases are provided. The impact of MDTSN streams on the end-to-end latency is investigated. In addition, the affect of scheduling algorithms on MDTSN streams is shown. Solutions for issues resulting from MDTSN, particularly the Inter-Domain Forwarding Offset (IDFO), are presented. Additionally, control plane mechanisms to reduce the end-to-end latency are provided. An important advantage of the solution presented is that converting these mechanisms into standards requires additions to existing standards or additional standards but not a single modification of existing standards.
Industrie 4.0 bewegt die Industrie zur Fertigung in Losgröße 1. Aufgrund von wechselnden Kommunikationsanforderungen müssen Industrienetzwerke Kommunikationsbeziehungen mit garantierten ende-zu-ende Latenzen dynamisch bereitstellen. IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN) als Ethernet-basierte offene Lösung bietet dynamische ende-zu-ende Stream Reservierung mit garantierten Latenzen an. Domänenübergreifende Kommunikation in TSN wurde als Voraussetzung verschiedener Anwendungsfälle identifiziert. Die Breite an TSN Standards bietet bisher noch keine Interaktion auf der Control Plane zwischen mehreren TSN Domänen. In dieser Arbeit wird die TSN Control Plane erweitert um auf Abruf domänenübergreifende ende-zu-ende Streams mit garantierter Latenz zu reservieren. Der Ansatz von East-Westbound Kommunikation aus dem Bereich von Software-Defined Networking (SDN) wird auf die TSN Control Plane angewandt. Verschiedene architekturelle Ansätze für multi-domain TSN (MDTSN) werden dabei vorgestellt. Unterschiede im Einsatz von TSN in einzel-domänen und mehreren-domänen Betrieb werden gezeigt. In MDTSN besteht ein Stream aus einer Vielzahl von Stream Segmenten, die von jeder TSN Domäne als Teil eines ende-zu-ende Streams bereitgestellt werden. Control Plane Mechanismen für MDTSN werden präsentiert, die ein East-Westbound Protokoll in die vorhandene TSN Control Plane integriert. Stream Parameter werden vorgestellt, die von jeder TSN Domäne als Teil eines ende-zu-ende Streams ermittelt werden. Die Abläufe für die Stream Segment Reservierung in der MDTSN Control Plane werden gezeigt einschließlich Architekturdiagramme, Referenznachrichten, Protokolle und wichtiger Parameter. Zusätzlich wird der Abbau von MDTSN Streams erläutert. Der Einfluss von MDTSN Streams auf die ende-zu-ende Latenz wird untersucht. Dabei wird der Einfluss von Scheduling Algorithmen in MDTSN aufgezeigt. Lösungen für Probleme die bei MDTSN entstehen, insbesondere der Inter-Domain Forwarding Offset (IDFO), werden präsentiert. Control Plane Mechanismen um die ende-zu-ende Latenz zu reduzieren werden vorgestellt. Einer der wichtigsten Vorteile der präsentierten Lösung ist, dass eine Umsetzung der Mechanismen in Standards lediglich bestehende Standards erweitert oder als neuer Standard umgesetzt werden kann, jedoch keine Änderung an bestehenden Standards vorgenommen werden muss.
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