Algorithmen und Konzepte für Time-Sensitive Networking

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Menth
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544468983

Ethernet ist eine weit verbreitete Kommunikationstechnologie auf Schicht 2 und wurde von der IEEE für kabelgebundene Netze standardisiert. Ethernet ist einfach zu managen, verfügt aber kaum über Mechanismen zur Unterstützung von Dienstgüte. Darum hat die Audio/Video Bridging (AVB) Task Group der IEEE Ethernet um Priorisierung und 8 Priority Queues erweitert, so dass hochpriorer Verkehr mit weniger Verzögerung als sonstiger Verkehr weitergeleitet werden kann. Weil dies für zeitkritische und sicherheitsrelevante Anwendungen nicht ausreicht, entwickelt die Time-Sensitive Networking (TSN) Task Group der IEEE Ethernet so weiter, dass sehr geringe Übertragungsverzögerungen garantiert werden können. Eine zentrale Neuerung in TSN ist der Time-Aware Shaper (TAS), der periodische Übertragungsmöglichkeiten für die 8 Priority Queues durch eine Gate Control List (GCL) steuert. Er hilft Pakete von hochprioren, periodischen Flüssen mit sehr wenig Verzögerung zu übertragen. Das wird erreicht, indem die periodischen Sendezeitpunkte aller sogenannten Scheduled Streams so koordiniert werden, dass sich ihre Pakete kaum stauen, und zur Ankunft hochpriorer Pakete an Egress Ports das Senden von anderem Verkehr durch den TAS verhindert wird. Dies erfordert die Erstellung und Konfiguration eines Schedules, welcher die periodischen Sendezeitpunkte aller Scheduled Streams festlegt sowie die GCLs der Bridges auf ihren Pfaden. TSN soll in Fabriknetzen Einzug halten. Diese sind meist hierarchisch und modular aus heterogenen Subsystemen aufgebaut und sollen rein auf Ethernet-Basis betrieben werden. Jedes Subsystem bildet eine abgeschlossene Domäne hinsichtlich Konfiguration und kann eine Untermenge von TSN-Mechanismen nutzen. In zukünftigen Fabriken sollen Maschinen durch mehrere TSN-Domänen von Anwendungs-Controllern gesteuert werden. Somit besteht der Bedarf nach Echtzeitkommunikation über TSN-Domänen hinweg. Für Inter-Domain TSN gibt es bisher nur Diskussionen aber noch keine konkreten Vorschläge. TSN steckt noch in den Kinderschuhen. Es gibt erst wenige Geräte mit eingeschränkter Funktionalität, wenig Betriebserfahrung, unzureichende Algorithmik und unvollständige Anforderungen für die Berechnung von Schedules, und fast keine Konzepte für Interdomain-TSN. Die Ziele dieses Forschungsprojektes sind neue Algorithmen und Konzepte für die TSN-Technologie. In Work Package (WP) 1 wird ein Testnetz aufgebaut, welches für Testzwecke in WPs 2-4 verwendet wird. WP 2 befasst sich mit der Validierung von Schedules und ihrem Schutz gegen falsch sendende Endsysteme, woraus auch neue Anforderungen an Schedules resultieren. In WP 3 werden Algorithmen zur Berechnung von Schedules für unterschiedliche Anforderungen entwickelt und die Leistungsfähigkeit von Algorithmen und Schedules wird verglichen und verbessert. WP 4 erarbeitet Konzepte für Inter-Domain TSN. WP 5 kommuniziert Projektergebnisse in der Standardisierung, in der Wissenschaftsgemeinde und in industriellen Interessensgruppen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen