Evaluating software-defined networking over real-time communication
Yazılım tanımlı ağ yaklaşımının gerçek zamanlı haberleşme üzerinde değerlendirilmesi
- Tez No: 633661
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DENİZ TURGAY ALTILAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Bilgisayar ağ protokolleri, Bilgisayar ağları, Gerçek zamanlı yazılım, Sanal ağlar, Computer network protocols, Computer networks, Real time software, Virtual networks
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Endüstriyel otomasyon sistemleri, havacılık, ulaşım, sağlık ve askeri alanda kullanılan zaman kritik sistemler haberleşme ağlarından sıfır paket kaybı, sınırlı gecikme ve seğirme (jitter) gibi gerçek zamanlı isterlere ihtiyaç duyarlar. Zaman içinde bu sistemlere özgü yüksek maliyetli donanımlar üzerinde koşan protokoller geliştirilmiştir. Malzeme teknolojisindeki ilerlemeler ile birlikte Ethernet ucuz donanımlar üzerinde çalışan ve her yerde bulunabilen bir hale geldi fakat gerçek zamanlı haberleşme isterlerini karşılayabilecek mekanizmalara sahip değildi. IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN), birçok protokolden oluşan Ethernet temelli gerçek zamanlı haberleşme sağlayan bir standarttır. Bu protokoller dört ana başlıkta sınıflandırılır: zamanlama ve senkronizasyon, yüksek güvenirlik, sınırlı gecikme ve kaynak yönetimi. TSN, bu alt başlıklar altında determinizmi sağlamak ve gerçek zaman haberleşme ihtiyaçlarını karşılamak için komplike protokoller sunar. Adından da anlaşılacağı üzere, zamanlama ve senkronizasyon, ağ üzerinde haberleşen düğümlerin birbirleriyle zamanda senkron olmalarını sağlar. Gerçek zamanlı haberleşmedeki sınırlı gecikme ve seğirme gibi zaman gereksinimleri sebebiyle düğümler arası senkronizasyonun sağlanması gerçek zamanlı sistemler için önemlidir. Bu ihtiyacı karşılamak için TSN standardı IEEE 802.1AS Timing and Synchronization protokolünün kullanılmasını önerir. Bu protokol, düğümler arasında mikrosaniyenin altında zaman senkronizasyonu sağlar. Buna ek olarak, gerçek zamanlı sistemler, ağ üzerindeki bir linkte veya cihazda arıza olması ihtimaline karşı deterministtik paket iletimi, güvenilirlik ve yedeklilik gibi özelliklere de ihtiyaç duyarlar. Bu ihtiyaçların karşılanması için, IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination, IEEE 802.1Qca Path Control and Reservation ve IEEE 802.1Qci Per-Stream Filtering and Policing protokolleri TSN standartı altında yer alırlar. Bu protokoller, ayrık yollardan paket replikasyonu, gerçek zamanlı paketler için yol rezervasyonu, gerçek zamanlı ve gerçek zaman olmayan trafiklerin aynı ağ altyapısı üzerinde müşterek çalışmaları gibi bazı özellikleri sağlar. TSN standartında düğümler arası gecikmenin sınırlandırılması için, zaman senkronizasyon protokollerinden de fayda sağlanarak trafik şekillendirme ve planlama metotları kullanımı önerilmiştir. Ağ kaynaklarından verimli bir şekilde faydalanmak ve kaynak rezervasyonu sağlamak için Stream Reservation Protocol (SRP) önerilmiştir. Yazılım tanımlı ağlar (YTA) programlanabilir ağ fikri öne sürüldükten sonra ortaya çıkan yeni bir yaklaşımdır. YTA yaklaşımının ana hedefi yönlendirme yapan donanımlar ile karar verici ağ mekanizmalarının birbirinden ayrımını yaparak yazılım geliştiricilere daha efektif ağ kaynak yönetimi sunmaktır. YTA, yazılım temelli kontrol cihazları ile basit yönlendirme cihazları arasında programlanabilir bir arayüz sağlar. Bu iki arayüz arasındaki ayırım kontrol ve veri düzlemi olarak adlandırılır. YTA yaklaşımı merkezi yönetim, dinamik kontrol ve maliyet etkin bir çözüm sunar. Bu çalışmada, veriyolu temelli ve Ethernet temelli gerçek zamanlı haberleşme protokolleri incelenmiş ve tartışılmıştır. Bu protokoller kendi aralarında karşılaştırılıp, TSN standardının diğer protokollere kıyasla, YTA yaklaşımıyla gerçekleştirilmesinin elverişliliğine dair açıklamalar yapılmıştır. Bu çalışmada YTA ve TSN' in entegre edilmesiyle elde edilecek kazanımlar araştırılmış ve TSN' in yönlendirme mekanizmasına katkıda bulunulması hedeflenmiştir. Çalışma sonuçları, TSN standartının YTA yaklaşımıyla uygulanmasının merkezi yönetim sağlandığını, maliyetleri düşürdüğünü ve veriyolu temelli ve Ethernet temelli diğer gerçek zamanlı haberleşme protokolleriyle kıyaslandığında rekabetçi bir performans sağlandığını göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Time-critical systems used in the area of industrial automation systems, aviation, transportation, in-vehicle, healthcare and military systems demand zero packet loss and real-time constraints like bounded latency and jitter from the communication network infrastructure. For those systems, different communication protocols have been enhanced and evolved. However, each protocol requires specific hardware ending up with increasing costs. Ethernet is cheap and ubiquitous, but it did not make contribution to real-time communication since it was equipped with best effort network mechanisms. IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN) is a set of protocols providing real-time Ethernet-based communication. Those protocols are classified into four subtopics: time synchronization of network nodes, high reliability, bounded latency and bandwidth and queue management. Under each subtopic, TSN defines sophisticated protocols to ensure determinism and meet real-time communication requirements. As its name signifies, protocols for timing and synchronization provides the synchronization of the communicating nodes over the network. Since, time requirements like bounded delay and jitter are requisite for real-time communication, node synchronization is an important issue for real-time systems. For this necessity, TSN proposes IEEE 802.1AS Timing and Synchronization protocol. It enables submicrosecond synchronization between the network nodes. In addition to this, those systems needs deterministic packet transmission, reliability and redundancy in case of link or device failure. TSN offers IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination, IEEE 802.1Qca Path Control and Reservation and IEEE 802.1Qci Per-Stream Filtering and Policing. Those protocols ensure replicating packets over disjoint paths, path reservation for real-time packets and interoperability for real-time and non-real-time packets over the same network infrastructure. To bound latency between the network nodes, TSN offers traffic shaping and traffic scheduling methods by utilizing time synchronization protocols. Finally, for efficient network resource utilization and reservation, Stream Reservation Protocol (SRP) is proposed. Software-Defined Networking (SDN) emerges as a new paradigm after that the idea of programmable networks has been put forward. The main point in SDN is to enable developers to effectively use network resources like bandwidth by separating forwarding hardware devices and the network's decision mechanism. SDN promises communication through a programmable interface between software-based control and simple forwarding devices. This seperation constitutes two planes named the control plane and the data plane. SDN provides centralized management, dynamism and cost-effectiveness. In this work, bus-based and Ethernet-based protocols designed for real-time communication are reviewed and discussed. Those protocols are compared and among them the clarification for convenience between TSN and SDN is made. This work investigates the advantages of integrating TSN and SDN by making contribution to forwarding mechanism of TSN. The results show that applying TSN with SDN approach ensures centralized management with minimized costs and competitive performance in comparison to specific bus-based and Ethernet based real-time communication protocols.
Benzer Tezler
- A software defined network framework in 5G wireless systems
5G kablosuz sistemlerde yazılım temelli ağ iskeleti
GÖKHAN SEÇİNTİ
- Zafiyet veritabanlarına göre trafo merkezlerindeki akıllı elektronik cihazların firmware analizörü
Firmware analyzer of intelligent electronic devices in substations based on vulnerability databases
KHOULOUD GARGOURI
- How cryptographic implementations affect mobile agent systems
Şifreleme gerçekleştirmelerinin gezgin aracı internet sistemlerini nasıl etkilediği
İSMAİL ULUKUŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Boğaziçi ÜniversitesiSistem ve Kontrol Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Yükleniyor...
- Tam zamanında üretim sistemi ve bir yan sanayi işletmesinde değerlendirilmesi
Just in time production system and evaluation of fit
DİLEK DEMİRDAĞ
- İmalat sistemlerinin tasarlanması ve öncelik kurallarının belirlenmesinde yapay sinir ağlarının kullanılması
<the use of neural networks in determination of the manufacturing systems design and dispatching rules
TARIK ÇAKAR
