Combining ATS and Non-ATS Traffic in Shared TSN Queues

Abstract

Time-Sensitive Networking (TSN) erweitert Ethernet-basierte Netzwerke um Mechanismen zur Gewährleistung deterministischer Kommunikation, die für Echtzeitanwendungen unerlässlich ist. Ein wesentlicher Bestandteil ist das Asynchronous Traffic Shaping (ATS) gemäß IEEE 802.1Qcr, das eine rein lokale Planung und weitest-gehende Separation von Datenströmen ermöglichen soll. Der Standard spezifiziert jedoch nicht explizit, wie mit nicht-geplantem Verkehr umzugehen ist, der sich Ausgangswarteschlangen mit ATS-gesteuerten Strömen teilt. Dies kann potenziell zu undefiniertem Systemverhalten führen. Diese Arbeit untersucht drei Strategien, die darauf abzielen, nicht-geplanten Verkehr in ATS Ausgangswarteschlangen, sogenannten TSN Queues, zu integrieren, ohne eine vollständige ATS-Konformität für die gesamte Prioritätsklasse vorauszusetzen. Die Evaluation zeigt, dass diese Strategien den unmittelbaren Konflikt zwischen geplantem und nicht-geplantem Verkehr lösen können und das häufig bei akzeptabler Leistung. Dennoch werden erhebliche Einschränkungen identifiziert, darunter das Fehlen einer Durchsatzbegrenzung für verarbeitete Ströme, das Fehlen analytischer Latenzobergrenzen und das Risiko einer Prioritätsumkehr. Diese Limitationen machen die Strategien für sicherheitskritische Anwendungen ungeeignet. Für nicht-kritische Anwendungsbereiche bieten sie jedoch eine flexible Lösung, insbesondere wenn die Nutzung zusätzlicher ATS-Scheduler nicht praktikabel ist. Ihre Wirksamkeit hängt jedoch stark von Mustern im Datenverkehr und von der Netzwerktopologie ab. Zur Gewährleistung der Systemstabilität wird weiterführende Forschung empfohlen. Mit der grundlegenden Analyse des identifizierten Problems hebt die Arbeit die Notwendigkeit robuster Designpraktiken für echtzeitfähige Netzwerke hervor.

Time-Sensitive Networking (TSN) enhances Ethernet-based networks with mechanisms to ensure deterministic communication, crucial for real-time applications. Among these mechanisms, Asynchronous Traffic Shaping (ATS), as defined in IEEE 802.1Qcr, provides bounded latency and aims to isolate traffic streams effectively. However, the standard does not explicitly address scenarios where unscheduled traffic shares egress queues with ATS-managed streams, leading to potentially undefined system behaviour. This thesis investigates the challenges arising from the co-existence of ATS scheduled and unscheduled traffic within shared egress queues. Three strategies are proposed and evaluated through microbenchmarking to assign eligibility times to unscheduled frames, facilitating their integration into ATS queues without necessitating full ATS compliance for the entire traffic class. The evaluation demonstrates that the presented strategies are capable of resolving the immediate conflict between scheduled and unscheduled traffic, often maintaining acceptable performance levels. Nonetheless, significant limitations are identified, including the absence of traffic rate enforcement for processed streams, lack of analytical latency bounds and the risk of priority inversion. These constraints render the strategies unsuitable for safety-critical applications. Despite these constraints, the strategies offer a flexible solution for non-critical applications, particularly when additional ATS schedulers are impractical. Their effectiveness, however, is highly sensitive to traffic patterns and network topology. To ensure system resilience, further research is recommended. By providing a fundamental assessment of the identified problem, this thesis underscores the necessity for robust design practices.