EP4527055A1 - Dispositif et procede de routage de flux dans les reseaux sensibles au temps - Google Patents

Dispositif et procede de routage de flux dans les reseaux sensibles au temps

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EP4527055A1
EP4527055A1 EP23723557.7A EP23723557A EP4527055A1 EP 4527055 A1 EP4527055 A1 EP 4527055A1 EP 23723557 A EP23723557 A EP 23723557A EP 4527055 A1 EP4527055 A1 EP 4527055A1
Authority
EP
European Patent Office
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time
switches
path
switch
network
Prior art date
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Pending
Application number
EP23723557.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Siwar BEN HADJ SAID
Michael BOC
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4527055A1 publication Critical patent/EP4527055A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H04L47/28—Flow control; Congestion control in relation to timing considerations
    • H04L47/283—Flow control; Congestion control in relation to timing considerations in response to processing delays, e.g. caused by jitter or round trip time [RTT]
    • H—ELECTRICITY
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    • H04L45/12—Shortest path evaluation
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    • H04L43/10—Active monitoring, e.g. heartbeat, ping or trace-route
    • H04L43/106—Active monitoring, e.g. heartbeat, ping or trace-route using time related information in packets, e.g. by adding timestamps

Definitions

  • TSN is a set of standards, defined by the IEEE 802.1 working group, which extend the Ethernet network in order to meet the strict requirements of real-time communications.
  • TSN This type of network is intended to be used mainly in industrial networks, intra-vehicular networks, and 5G/6G core networks.
  • TSN By extending and adapting existing Ethernet standards, TSN creates convergence between information technology (IT) and business operations technology (OT) in industrial networks. This means that critical real-time data and data-intensive applications can be implemented over a common Ethernet cable without interfering with each other.
  • IT information technology
  • OT business operations technology
  • TSN specifications provide deterministic services, allowing real-time transmission of data within a predictable framework, within a known time space, in industrial environments, such as machine control applications in production processes, from the sensor to the cloud (the “cloud” according to established English). TSN provides guaranteed latency (the time it takes for a data packet to travel from source to destination across a network) and quality of service with time synchronization.
  • the TSN traffic control mechanism can then be considered under two aspects: (1) Qbv scheduling or planning (“scheduling” according to the adapted anglicism), which makes it possible to define which frame of a flow to send and when to send it; and (2) routing corresponding to the selection for each flow, of a path from the source to the destination.
  • a typical solution consists of first solving the routing problem, and then the scheduling problem.
  • the routing is calculated according to the shortest path in terms of number of hops. Then, once the routes are determined, Qbv planning is calculated based on these routes.
  • Qbv planning offers a mechanism to ensure bounded latencies. It allows switches in a TSN network to control traffic in switch output port queues, according to a predefined transmission schedule (the IEEE 802.1 Qbv time scheduler), and thus guarantee traffic quality priority.
  • the IEEE 802.1 Qbv time scheduler is designed to separate communication over the Ethernet network into repeated time cycles of fixed length. Within these cycles, different time slots can be configured and assigned to one or more of the eight Ethernet priorities.
  • Switch in English
  • the switches serve as intermediaries between transmitting terminals (Speaker(s) or “Talker(s)” in English) of data flows and receiving terminals (Auditor(s) or “Talker(s)”). Listener(s)” in English), by managing the multiplexing of data, i.e. their reception, processing and retransmission.
  • FIG. 1 illustrates in a schematic and simplified manner a TSN network composed of a plurality of source equipment (T1, T2, T3) and a destination equipment (L1) connected to switches (S1, S2, S3 , S4, S5) via Ethernet links.
  • the IEEE 802.1 Qcc standard provides two main approaches (the centralized one and the distributed one) for configuring TSN mechanisms (IEEE, “IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Bridges and Bridged Networks Amendment 31: Stream Reservation Protocol (SRP) Enhancements and Performance Improvements”, IEEE 802.1 Qcc-2018.
  • IEEE 802.1 Qcc-2018 it is emphasized that the centralized approach is the most favored to ensure the configuration of IEEE 802.1 Qbv.
  • this standard does not provide the algorithms that allow to decide the routes and generate the configuration of the gate configuration lists (GCL) (“Gate Configuration List” according to the established English) to be deployed in the network.
  • GCL Gate Configuration List
  • simulation tools such as “RTaW-Pegase” or mathematical optimization tools such as ILP (“Integer Linear Programming”) formulations or SMT (“Satisfiability modulo Theories”) solvers.
  • Cost MSOW + K*hops , where the parameter 'MSOW is a metric invented by the authors to measure the combinability of flows, the parameter 'hops' represents the length of the path, and the parameter 'K' is a weight defined by l 'user to penalize the path length with respect to the 'MSOW' parameter.
  • K the parameter which, depending on its value, can impact the performance of the algorithm.
  • this algorithm does not take into consideration flow constraints in terms of latency.
  • the present invention meets these different needs.
  • An object of the present invention is a method and a device for its implementation, making it possible to calculate the routing of flows in deterministic networks.
  • the method of the invention in addition to considering the Qbv planning which is already configured in the switches forming part of the paths, considers the latencies of the data flows as metrics for determining the routing paths.
  • the proposed solution introduces a tolerance interval which will give more flexibility to the scheduler to determine time slots to allocate to the flows, when a Qbv schedule is already configured on the switches.
  • the present invention can be implemented in industrial networks (domains of the factory of the future, industry 4.0 / highly reconfigurable factories), intra-vehicular networks (domains of vehicles of all types: automobiles, trucks, buses , train, boat, etc.), or even in the heart of the 5G/6G network (to convey real-time communications).
  • a method for routing a data flow in a deterministic time-sensitive network to route the packets of a data flow from a transmitter terminal to a receiver terminal, the network comprising switches for transmitting packets, said switches being configured to implement a predefined transmission schedule over repeated time cycles having time slots of fixed length, the method being implemented by computer and comprising steps consists in :
  • - calculate for each switch of this path, a tolerance interval over the duration of the cycle, the tolerance interval defining a duration during which the packets of said data flow can remain at said switch before being transmitted, without exceeding a deadline for arrival at the receiving terminal; - determine if a time slot can be reserved on the predefined cycle for each switch, and if so select this path to route said data flow; Or
  • the step of generating the ‘k’ shortest paths consists of implementing a Yen algorithm.
  • the path latency parameter is calculated from the propagation delay and the average dwell time of packets at a switch.
  • the tolerance interval is calculated on the basis of a fair distribution between all switches in the path.
  • the tolerance interval is calculated according to the load of each switch in the path, and consisting of assigning a larger tolerance interval to the more loaded switches.
  • the method includes steps consisting of delaying the sending of packets for more loaded switches, and accelerating the sending of packets for less loaded switches.
  • the method comprises a step consisting of canceling time slot reservations made on switches preceding a switch for which there is no available time slot within the tolerance interval.
  • the method includes a preliminary step consisting of synchronizing all the switches and all the terminals connected to the TSN network between them.
  • the invention also relates to a data flow routing device in a time-sensitive deterministic network, for routing the packets of a data flow. data from a transmitter terminal to a receiver terminal, the network comprising switches for transmitting packets, said switches being configured to implement a predefined transmission schedule over repeated time cycles having time slots of fixed length, the device comprising means for implementing the steps of the method of the invention.
  • the method of the present invention can be implemented in the two network management infrastructures presented in the IEEE 802.1 Qcc standard, namely, the centralized infrastructure and the distributed infrastructure.
  • the method is executed at the central controller CNC (“Central Network Controller” in English).
  • CNC Central Network Controller
  • each switch of a TSN network determines the allocation of time slots and it publishes this allocation to its neighbors.
  • the invention also relates to a computer program product which comprises code instructions making it possible to carry out the steps of the method of the invention, when the program is executed on a computer.
  • Figure 1 is a simplified example to illustrate the problem of routing in a TSN network.
  • Figure 2 illustrates the measurement of the propagation delay between two nodes of a TSN network
  • Figure 3 illustrates the exchanges between nodes of a TSN network to synchronize the clocks
  • Figure 4 illustrates the identification of time slots available in a tolerance interval, according to one embodiment of the invention
  • Figure 5 illustrates, in a simplified example, the implementation of the routing method of the invention in a TSN network
  • Figure 6a and Figure 6b are a flowchart of the steps of the method for determining a routing path according to one embodiment of the invention.
  • Figure 7a illustrates a TSN network environment according to a centralized IEEE 802.1 Qcc approach, making it possible to implement the method of the invention
  • Figure 7b illustrates a TSN network environment according to a distributed IEEE 802.1 Qcc approach, making it possible to implement the method of the invention.
  • time range ‘time slot’, ‘time slots’ are used interchangeably to designate a duration of allocation of temporal resources.
  • a node in the network plays the role of master (GM), the “GrandMaster” according to established English, the other nodes playing the role of slave node “Slave” .
  • the election of the GM can be carried out by a human or by an algorithm such as the “Best Master Clock Algorithm” (BMCA).
  • BMCA Best Master Clock Algorithm
  • the IEEE 802.1 AS standard allows TSN devices (ie the TSN network) to synchronize their clocks with the reference clock of a GM.
  • TSN devices ie the TSN network
  • PTP Precision Time Protocol
  • gPTP improved version protocol
  • the master clock serving as a time reference is called the “reference clock” and its time can optionally be synchronized (via GPS, NTP, etc.) on a clock called the global clock.
  • the GM regularly announces his presence. It sends its clock to the slaves with a configured frequency so that they can synchronize their clock with that of the GM.
  • the operation of the standard is based on the exchange of synchronization information such as the timestamps (“Timestamp” according to the established English) of sending and receiving gPTP (or PTP) type messages.
  • the master port of a first system of the TSN network (“Time-aware system 1”) sends a delay request message ‘Pdelay_Req’, while capturing the sending timestamp ‘t1’.
  • Time-aware System is defined in English in the IEEE 802.1 AS standard as “a device that contains one or more PTP Instances and/or PTP services (e.g., Common Mean Link Delay Service).” This definition means that it is then equipment which is capable of participating in time synchronization as defined in the IEEE 802.1 AS standard, that is to say equipment capable of doing “Hardware Timestamping”. and to exchange temporal messages with its neighbors.
  • the slave port of a second system of the TSN network (“Time-aware system 2") retrieves the reception timestamp 't2' of the message.
  • the slave port of the second system "Time-aware system 2” sends a response message 'Pdelay_Resp' containing the reception timestamp 't2', and recovers the sending timestamp 't3' of this response message 'Pdelay_Resp '.
  • the master port of the first system “Time-aware system 1” receives the response message ‘Pdelay_Resp’ and captures the reception timestamp ‘t4’.
  • the slave port of the second system “Time-aware system 2” sends a follow-up message ‘Pdelay_Resp_Follow_Up’ containing the sending timestamp ‘t3’ of the previous response message ‘Pdelay_Resp’.
  • the first system “Time-aware system 1” has the four Timestamps (t1, t2, t3, t-4), which will make it possible to calculate an average propagation delay.
  • D' according to the following equation: tl)
  • the master-slave delay £ t4-t3' and the slave-master delay £ t2-t1' which are determined as the differences between the respective timestamps make it possible to calculate an average delay from which the slave knows the difference between his clock and the master's clock, which then allows him to set his own clock.
  • the IEEE 802.1 AS standard includes a second protocol exchange phase which completes the first phase and makes it possible to synchronize clocks between several systems of a time-sensitive network.
  • Figure 3 illustrates this exchange on three systems (i-1, i, i+1).
  • the master port of the first system 'i-1' (“Time-aware system i-1") sends a synchronization message 'Sync' to a slave port of a second system 'i' ("Time-aware system i"), while capturing the sending timestamp 't(s,i-1)'.
  • the slave port of the second system ‘i’ (“Time-aware system i”) receives the synchronization message ‘Sync’ and captures the corresponding reception timestamp ‘t(r, i)’.
  • the master port of the first system 'iT (“Time-aware system i-1") sends to the slave port of the second system 'i' a tracking message 'FollowJJp' containing the sending timestamp 't(s, i-1)' of the previous synchronization message.
  • a master port of the second system T (“Time-aware system i") can in turn send the synchronization message 'Sync' to a slave port of a third system 'i+T ("Time-aware system i+1"), while capturing the corresponding sending timestamp £ t(s,i)'.
  • the slave port of the third system 'i+1' (“Time-aware system i+1") receives the synchronization message 'Sync' and captures the corresponding reception timestamp 't(r, i+1)' .
  • the master port of the second system 'i' (“Time-aware system i") sends to the slave port of the third system 'i+1' the tracking message 'FollowJJp' containing the sending timestamp 't(s ,i-1)' of the first synchronization message sent by the first system 'i-T.
  • the second system 'i' and the third system 'i+1' can synchronize with the reference clock of the first system 'i-T.
  • the routing method of the invention considers that all the TSN switches as well as the terminals connected to the TSN network are considered perfectly synchronized with each other, to ensure the “Just-in-Time” property required by certain flows.
  • the switches can then recover information on the latencies of the routes or paths (by recovering the propagation delays and the average stay delay of the packets at the level of the switches to determine the latency of each road or path).
  • the routing method of the invention aims to ensure the arrival of packets at their destination “just in time”, that is to say not before or after the deadline (“deadline”). .
  • the messages sent by a sensor must arrive just at the moment when a controller must check if there is a message received from the of this sensor.
  • the deadline is a predefined parameter to meet the application needs of the flows of the application concerned, and it can be set by the operator or the designer of the application. For example, for a “sensor/PLC controller/actuator” type loop which requires a maximum latency not to be exceeded, data that will be recorded at the sensor must imperatively arrive after a specific time at the PLC controller.
  • the deadline parameter can also be configured at the level of the PLC controller which contains a loop to allow it to check the arrival of new data transmitted by the sensor.
  • the general principle of the routing method of the invention is to exploit information on the network topology as well as data coming from the IEEE 802.1 AS protocol, in order to calculate and choose the routes which make it possible to minimize latencies for each flow.
  • the data coming from the IEEE 802.1 AS protocol will in particular be a propagation time between nodes, an average residence time of packets at a switch.
  • the routing method of the invention uses the latency of a path as a metric to select or not this path.
  • the method makes it possible to calculate the k shortest paths between a transmitter terminal and a receiver terminal, then for each path, the method determines for each hop of the route (i.e. for each switch located on this path) a tolerance interval.
  • the tolerance interval of a switch will make it possible to define for how long the packets of a flow which has its own latency constraint can wait at the switch (i.e. not be retransmitted upon their arrival). before being transferred to the next node in the route, without exceeding the deadline for arrival of each packet in the flow at the destination (“deadline”).
  • a tolerance interval TI? for a flow STj at a switch SW t is calculated taking into account the deadline for the flow, the latency of the path and the number of hops (ie switches) on this path.
  • calculating a tolerance interval for each switch in a path provides latitude to the planning module for choosing the time slots to reserve for each flow.
  • Figure 4 illustrates over the duration of a cycle, an identification of time slots available in a tolerance interval.
  • the scheduling algorithms In TSN networks, to allocate a time slot to a given flow, the scheduling algorithms generally determine a time slot available over the entire Qbv cycle (excluding the time slots 402 dedicated for network control traffic exchanged between the switches), and allocate, i.e. reserve, this slot for the flow.
  • FIG 4 it is illustrated in hatched form that two time slots 404 which are calculated by the scheduling algorithm to be reserved for one flow, are already occupied, i.e. reserved for another flow.
  • the scheduling algorithm takes into account the tolerance interval 406 calculated for this switch during routing, to determine if other time slots are free while remaining within the range covered by the switch. 'tolerance interval.
  • new subsequent time slots can thus be allocated from among the existing available time slots 408 on the tolerance interval 406.
  • the routing method of the invention allows for each flow to be transmitted from a transmitter terminal to a receiver terminal within a TSN network, to calculate at least two possible paths using the latency of each path as metric, then allows you to check the possibility of reserving available time slots within the tolerance interval which is calculated for each switch on a path.
  • FIG. 5 illustrates an example of the implementation of the routing method of the invention in a simplified TSN network consisting of four TSN access switches (S1, S2, S3, S4).
  • a receiver terminal L1 which is connected to the TSN network is subscribed to three transmitter terminals (T1, T2, T3) which are themselves connected to the TSN network.
  • the receiving terminal receives flows (ie data packets) from each transmitter via different paths, the flows passing through different switches.
  • a stream ST1 transmitted by the transmitter T1 is transmitted to the receiver L1 via the switches S1 and S3
  • a stream ST2 transmitted by the transmitter T2 is transmitted to the receiver L1 via the switches S2 and S3
  • a stream ST3 transmitted by the transmitter T3 is transmitted to the receiver L1 via the switches S2 and S3.
  • the transmitter T3 must transmit a new stream ST4 to the receiver L1.
  • the implementation of the routing method of the invention makes it possible to determine the routing path for this new ST4 flow.
  • the flow ST4 cannot take the same path (S2 / S3 / L1) as the path calculated for the flow ST3 coming from the same transmitter terminal T3 and cannot take the same path (S2 / S3 / L1) than the path calculated for the flow ST2 coming from the transmitter terminal T2, because there are no more time slots available in the cycle for this switch S3 (illustrated in the top cycle diagram).
  • the routing method of the invention after having determined that the first calculated path (S2 / S3 / L1) is not reservable for the flow ST4, will calculate an alternative path to look for another switch than S3 having available time slots, while respecting the tolerance interval.
  • FIG. 5 is taken to illustrate in a simplified manner the principle of the method of the invention, but that the latter can be implemented on a TSN network comprising a plurality of transmitter terminals, terminals receivers, switches, and for many flows to be routed.
  • Step 602 in an initial step, the method makes it possible to establish or recover the configuration of the network, in the form of a graph G identifying the source node (src: transmitting terminal), the destination node (dst: receiving terminal), intermediate nodes (switches that can connect the source to the destination), and the links between the nodes.
  • the method allows in this initial step to define the number k of shortest paths to calculate, and define the latency of the path as a metric for the calculation. This metric can be calculated from the propagation delay and the average dwell time of packets at the switch, values which can be provided by the IEEE 802.1 AS standard.
  • Step 604 in a following step, the method makes it possible to calculate for this graph, the ‘k’ shortest paths taking into account the latency metric.
  • the well-known Yen algorithm is used to find the ‘k’ shortest paths.
  • the method then enters a calculation loop for each path ‘m’ among the ‘k’ shortest paths.
  • Step 606 the method makes it possible to calculate tolerance intervals TI? associated with each switch of path ‘m’.
  • the tolerance interval is calculated on the basis of a fair distribution between all the switches which are on a path between a transmitter and a receiver, of a “global budget” of latency tolerated (by application flows).
  • the tolerance interval TI? for a flow STj at a switch SWt is calculated according to the following equation: j deadline STj-path latency STj 1 number of hops
  • the distribution of the overall tolerated latency budget can be done in an unfair manner, and be allocated according to different criteria, for example according to the load of each switch in the path.
  • the tolerance interval can be calculated according to the following equation: , represents the load coefficient of the SW switch;.
  • the load coefficient can be calculated according to the following equation: OQ n i) pi ux represents the number of incoming flows into the switch SW;, and max represents the load of a path as a function of number of incoming flows to switches that are part of this path.
  • the method makes it possible to assign to this first switch has a tolerance interval larger than those of the other switches.
  • the first switch can be configured to delay the sending of packets for the flow concerned, while the rest of the switches will be configured to accelerate the sending of these packets in order not to add latencies on the path.
  • Step 608 the next step consists of identifying a time slot to reserve for the new flow in each switch SWTM of path ‘m’.
  • Step 610 the method makes it possible to determine whether a time slot is available and reservable in each SWTM switch of path ‘m’.
  • Step 612 if there is no time slot available on the switch SWTM, the method makes it possible to check whether a time slot can be available by considering the tolerance interval which has been calculated for this switch.
  • Step 614 if it is not possible to reserve a time slot in the tolerance interval on the switch SW ⁇ , the path 'm' is then not a route for routing the flow considered, and the method makes it possible to cancel the time slot reservations made on the previous switches.
  • Step 618 the method makes it possible to check whether all the 'k' paths have been processed. If paths have not yet been processed, the process returns to step 606 to calculate tolerance intervals for each switch associated with the next path to be processed.
  • Step 620 if all the paths have been processed, and it was not possible to reserve time slots to route the new flow, the process ends by indicating that no path is available to process the new flow.
  • Step 622 returning to step 610, if a time slot is available on the switch SWTM of path ‘m’, the method makes it possible to reserve this time slot.
  • Step 624 the method allows you to move on to the next switch on path ‘m’.
  • Step 626 the method makes it possible to check whether all the switches of the path ‘m’ currently being analyzed have been processed. If all the switches in path ‘m’ have not been processed, the process loops back to step 610 to determine whether it is possible to reserve time slots in the next switch, and continues with the steps described.
  • Step 628 if all the switches have been processed, meaning that it was possible to allocate time slots in all the switches of the path 'm', the process ends by indicating the path selected to process the new flow.
  • step 608 to identify whether time slots can be reserved in a switch is carried out according to the method described in patent application FR 2112233 of the Applicant.
  • the IEEE 802.1 Qcc standard mainly offers two approaches: a centralized approach and a distributed approach. The method described can be implemented in each of these two configurations.
  • FIG. 7a The centralized approach provided by the IEEE 802.1 Qcc standard is illustrated by Figure 7a, where all of the TSN switches in the network are controlled, managed and configured by a centralized entity CNC (“Centralized Network Configuration”).
  • the terminals Speakers / Listeners which will use the TSN network provide the characteristics of their flow to a CUC (“Centralized User Configuration”) entity using third-party software (“middleware”) such as for example OPC UA, ROS, DDS.
  • the role of the CUC entity is to group together requests from terminals/applications to use the TSN network and to provide them to the CNC entity. The requests are analyzed by the CNC while having information on the current capacities of the TSN network.
  • the CNC responds to the CUC that these terminals/applications can use the network.
  • the CNC can also provide these terminals/applications with the time slot to use (ie when to start using the network). For example, it can ask an application to start sending its data in x milliseconds. In the case where resource reservation is impossible for certain flows, the CNC rejects the requests associated with these flows.
  • the method of the invention can be implemented and implemented at the CNC level.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)

Abstract

La présente invention propose un procédé de routage (600) d'un flux de données dans un réseau déterministe sensible au temps, pour router les paquets d'un flux de données depuis un terminal émetteur vers un terminal récepteur, le réseau comprenant des commutateurs pour la transmission des paquets, les commutateurs étant configurés pour mettre en œuvre une planification de transmission prédéfinie sur des cycles de temps répétés ayant des créneaux de temps de longueur fixe. Le procédé de routage de l'invention utilise la latence d'un chemin comme métrique pour calculer (604) les k chemins les plus courts entre un terminal émetteur et un terminal récepteur, puis pour chaque chemin, détermine pour chaque commutateur situé sur ce chemin, un intervalle de tolérance (406) qui définit pour combien de temps les paquets d'un flux peuvent patienter au niveau du commutateur avant d'être transférés vers le commutateur suivant, sans dépasser la date limite d'arrivée de chaque paquet du flux à destination, afin de réserver des créneaux libres (408).

Description

DESCRIPTION
Titre de l’invention : Dispositif et procédé de routage de flux dans les réseaux sensibles au temps
[0001] Domaine de l’invention
[0002] La présente invention est dans le domaine des réseaux de télécommunication, et concerne plus particulièrement un procédé de routage de flux multi-QoS dans les réseaux déterministes ou réseaux sensibles au temps (TSN) « Time Sensitive Networking ».
[0003] Etat de la Technique
[0004] TSN est un ensemble de normes, définies par le groupe de travail IEEE 802.1 , qui étendent le réseau Ethernet afin de répondre aux exigences strictes des communications en temps réel.
[0005] Ce type de réseaux est destiné à être utilisé principalement dans des réseaux industriels, les réseaux intra-véhiculaires, les réseaux de cœur 5G/6G. En étendant et en adaptant les standards Ethernet existants, le TSN crée une convergence entre la technologie de l'information (IT) et la technologie de l'exploitation industrielle (OT) dans les réseaux industriels. Cela signifie que les données critiques en temps réel et les applications à forte intensité de données peuvent être mises en œuvre sur un câble Ethernet commun sans interférer les unes avec les autres.
[0006] Les spécifications TSN fournissent des services déterministes, permettant la transmission en temps réel de données dans un cadre prévisible, à l’intérieur d’un espace de temps connu, dans les environnements industriels, telles que les applications de contrôle des machines dans les processus de production, du capteur au nuage (le « cloud » selon l’anglicisme consacré). TSN offre une latence (le temps nécessaire à un paquet de données pour passer de la source à la destination à travers un réseau) et une qualité de service garanties avec la synchronisation temporelle.
[0007] Les différents documents de la norme TSN offrent une solution de communication en temps réel complète lorsqu'ils sont utilisés ensemble de manière concertée. Chaque spécification standard est autonome et elle peut être utilisée seule. On peut regrouper les spécifications en trois catégories : - La synchronisation temporelle correspondant à la norme IEEE 802.1 AS, où tous les périphériques qui participent à la communication en temps réel doivent avoir une compréhension commune du temps.
- La planification ou ordonnancement correspondant à la norme IEEE 802.1 Qbv pour la mise en forme du trafic TSN, où tous les périphériques participant à la communication en temps réel respectent les mêmes règles dans le traitement et la transmission des paquets de communication.
- Le routage ou sélection des chemins de communication, des réservations de chemins et de la tolérance de panne, où tous les périphériques participant à la communication en temps réel respectent les mêmes règles dans la sélection des chemins de communication et dans la réservation de la bande passante et des horaires, en utilisant éventuellement plusieurs chemins simultanés pour obtenir une tolérance de panne.
[0008] Le mécanisme de contrôle d’un trafic TSN peut alors être considéré sous deux aspects : (1 ) l’ordonnancement ou planification Qbv (« scheduling » selon l’anglicisme adapté), qui permet de définir quelle trame d’un flux à envoyer et quand l’envoyer ; et (2) le routage correspondant à la sélection pour chaque flux, d'un chemin de la source à la destination.
[0009] Pour la mise en place de l'ordonnancement, certaines formules ou restrictions répondant aux exigences de temps sont introduites. Elles sont généralement résolues comme des problèmes d’optimisation en appliquant la programmation linéaire en nombres entiers ou « Integer Linear Programming » (ILP) selon l’anglicisme adapté ou comme des problèmes de décision en appliquant la théorie modulaire satisfiable ou « Satisfiability modulo theories » (SMT) selon l’anglicisme adapté. Ainsi, la recherche d’un procédé d'ordonnancement revient à résoudre un problème de complexité « NP-difficile ».
[0010] De ce fait, il devient trop complexe pour respecter la limite de temps de calcul des réseaux à grande échelle, de chercher à résoudre conjointement les deux aspects que sont l’ordonnancement et le routage.
[0011] Une solution typique consiste à résoudre d'abord le problème de routage, et ensuite le problème de planification. [0012] Dans une approche courante, le routage est calculé selon le chemin le plus court en termes de nombre de sauts. Puis, une fois que les routes sont déterminées, la planification Qbv est calculée sur la base de ces routes.
[0013] Cette approche n’est pas optimale dans le sens où le calcul des routes ne prend pas en considération les contraintes des flux en termes de latence, ni le fait qu’une planification Qbv soit en court sur les commutateurs constituant le réseau TSN.
[0014] La planification Qbv propose un mécanisme pour assurer des latences bornées. Il permet aux commutateurs d’un réseau TSN de contrôler le trafic dans des files d’attente de ports de sortie des commutateurs, selon une planification de transmission prédéfinie (l'ordonnanceur temporel IEEE 802.1 Qbv), et ainsi de garantir la qualité du trafic prioritaire. L'ordonnanceur temporel IEEE 802.1 Qbv est conçu pour séparer la communication sur le réseau Ethernet en cycles de temps répétés de longueur fixe. Au sein de ces cycles, différentes tranches de temps peuvent être configurées et être affectées à une ou plusieurs des huit priorités Ethernet.
[0015] Les commutateurs (« Switch » en anglais) servent d’intermédiaires entre des terminaux émetteurs (Parleur(s) ou « Talker(s) » en anglais) de flux de données et des terminaux récepteurs (Auditeur(s) ou « Listener(s) » en anglais), en gérant le multiplexage des données, i.e. leur réception, leur traitement et leur retransmission.
[0016] La figure 1 illustre de manière schématique et simplifiée un réseau TSN composé d’une pluralité d’équipements sources (T1 , T2, T3) et d’un équipement destinataire (L1) connectés à des commutateurs (S1 , S2, S3, S4, S5) via des liens Ethernet.
[0017] Sur cet exemple, il est considéré que trois flux TSN (ST3, ST4, ST5) allant vers la même destination (L1) ont des contraintes de latence par exemple une latence maximale de 200ps pour le flux ST3 (latenceMax3= 200ps), une latence maximale de 10ms pour le flux ST4 (latenceMax4= 10ms) et une latence maximale de 500ps pour le flux ST5 (latenceMax5= 500ps).
[0018] Selon l’approche courante précitée, ces trois flux vont prendre la même route (i.e. le chemin le plus court, par exemple via les commutateurs S2 et S3), puis l’ordonnanceur décidera un nouveau cycle intégrant trois plages de temps (créneaux de temps ou « time slots » en anglais) pour ces trois flux. Cependant, quand le cycle (calculé sur le port de sortie du commutateur S3 connecté au terminal destinataire L1 ) ne pourrait pas inclure tous les flux, car devenant complet, comme illustré sur la figure 1 où le cycle répartit des plages de temps restantes pour les flux ST1 à ST4 et ne peut plus prendre en compte le flux ST5, l’ordonnanceur (i.e. le module de planification) pourrait décider (i.e. produire le résultat ou l’information) de la non- faisabilité de la configuration du système.
[0019] Ainsi sur cet exemple simplifié, il ressort que par l’approche courante, le fait de considérer uniquement le nombre des sauts (le chemin le plus court) dans le calcul des routes, peut conclure à la sélection d’une même route pour tous les flux, et de ce fait peut entrainer une complexité dans le calcul de la planification Qbv, voire une impossibilité de planifier la transmission de certains flux.
[0020] De plus, cette approche courante n’est pas adaptée pour les nouveaux scénarios envisagés tel que des lignes de productions reconfigurables dans l’industrie 4.0, ayant un cœur 5G basé sur un réseau TSN. En effet, dans ces types de scénarios, le système est dit ouvert car les flux ne sont pas tous connus à l’avance avant le déploiement du réseau, et le mécanisme de planification Qbv est alors sujet à des reconfigurations pour pouvoir satisfaire les exigences applicatives des flux critiques. Dans ces systèmes, de manière à garantir la précision d’un processus de fabrication et minimiser tout défaut, les appareils tels que les robots, les actionneurs et les capteurs doivent communiquer entre eux rapidement car ils doivent réagir très vite en fonction du système de commande et de contrôle, ou en fonction de certains événements inattendus.
[0021] Aussi, pour pouvoir répondre à des scénarios envisagés dans l’industrie 4.0 où les lignes de production sont reconfigurables (ce qui implique une dynamique dans le réseau industriel), ou pour répondre au scénario d’intégrer la technologie TSN dans le cœur 5G/6G où les flux ne sont pas connus d’avance, il existe le besoin d’algorithmes qui répondent aux exigences strictes des communications en temps réel.
[0022] Il existe quelques approches qui abordent en partie ces problématiques. [0023] Le standard IEEE 802.1 Qcc fournit deux approches principales (celle centralisée et celle distribuée) pour configurer les mécanismes TSN (IEEE, “IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Bridges and Bridged Networks Amendment 31 : Stream Reservation Protocol (SRP) Enhancements and Performance Improvements”, IEEE 802.1 Qcc-2018. Dans ce standard, il est souligné que l’approche centralisée est la plus favorisée pour assurer la configuration de l’IEEE 802.1 Qbv. Cependant, ce standard ne fournit pas les algorithmes qui permettent de décider les routes et générer la configuration des listes de configuration de portes (GCL) (« Gate Configuration List » selon l’anglicisme consacré) à déployer dans le réseau.
[0024] Dans la littérature, l’approche principale repose généralement sur des outils d’ingénierie : outils de simulation comme « RTaW-Pegase » ou bien des outils d’optimisation mathématiques comme les formulations ILP (« Integer Linear Programming ») ou les solveurs SMT (« Satisfiability modulo Theories »).
[0025] Or, ces outils d’ingénierie ne permettent pas d’assurer l’aspect de la dynamique attendue par l’ensemble des nouveaux scénarios envisagés dans le futur comme celui des systèmes ouverts dans lesquels l’arrivée des flux n’est pas connue à l’avance.
[0026] Par exemple, l’article de Nayak, N. G., Duerr, F., & Rothermel, K. (2018), Routing algorithms for IEEE802. 1 Qbv networks, ACM SIGBED Review, 15(3), 13-18, propose un algorithme de routage basé sur la technique ILP qui vise à réduire le nombre des flux à ordonnancer dans chaque commutateur. Cependant, l’inconvénient principal de ce type de technique est le temps d’exécution qui ne convient pas pour gérer et configurer un réseau TSN d’une manière dynamique.
[0027] Les articles de Singh, S. (2017), Routing algorithms for time sensitive networks (Master's thesis), et de Ojewale, M. A., & Yomsi, P. M. (2020), Routing heuristics for load-balanced transmission in TSN-based networks, ACM Sigbed Review, 16(4), 20-25, ont proposé des heuristiques pour le routage qui considèrent comme métrique de calcul des routes, la quantité de trafic à ordonnancer maximale (« Maximum scheduled traffic load MSTL »). Ensuite pour l’ordonnancement des flux, Singh, S. se repose sur la théorie modulaire satisfiable (SMT solver). L’algorithme de routage a pour objectif de minimiser cette métrique pour trouver le chemin pour chacun des flux.
[0028] L’inconvénient des algorithmes de routage proposés dans la littérature est qu’ils décident des routes seulement sur la base de la quantité du trafic à ordonnancer, sans tenir en compte des contraintes de latence associées à ces flux. Ainsi, avec ce type d’algorithme de routage, les flux ayant des contraintes strictes en termes de latence pourraient malgré tout emprunter des chemins plus longs et de fait leurs contraintes de latence ne seraient pas respectées.
[0029] Une autre approche connue est décrite dans l’article de Huang, K., Wu, J., Jiang, X., Xiong, D., Huang, K., Yao, H., ... & Liu, Z. (2020), A period-aware routing method for IEEE 802.1 Qbv TSN networks, Electronics, 10(1 ), 5, qui propose un algorithme de routage qui prend en considération la période des flux. Dans un premier temps, l’algorithme permet d’organiser les flux suivant une métrique de combinabilité des flux (« flux combinability » selon l’anglicisme consacré), qui traduit la capacité des flux à se mettre ensemble sur le même ordonnancement. Dans un second temps, l’algorithme de routage se base sur une métrique de coût calculée selon l’équation suivante :
Coût = MSOW + K*hops , où le paramètre ‘MSOW est une métrique inventée par les auteurs pour mesurer la combinabilité des flux, le paramètre ‘hops’ représente la longueur du chemin, et le paramètre ‘K’ est un poids défini par l’utilisateur pour pénaliser la longueur du chemin vis-à-vis du paramètre ‘MSOW’. L’inconvénient de cette solution réside dans le choix du paramètre ‘K’ qui selon sa valeur peut impacter les performances de l’algorithme. Par ailleurs, cet algorithme ne prend pas en considération les contraintes des flux en termes de latence.
[0030] Aussi, il n’existe pas de solution connue d’algorithme de routage pour les réseaux sensibles au temps, qui tienne compte des contraintes de latence des flux tout en respectant les exigences applicatives de ces flux, telle que l’exigence d’arrivée juste à temps (« Just-in-Time » selon l’anglicisme consacré).
[0031] La présente invention répond à ces différents besoins.
[0032] Résumé de l’invention [0033] Un objet de la présente invention est un procédé et un dispositif pour sa mise en œuvre, permettant de calculer le routage de flux dans les réseaux déterministes.
[0034] Avantageusement le procédé de l’invention, en plus de considérer la planification Qbv qui est déjà configurée dans les commutateurs faisant partie des chemins, considère les latences des flux de données comme des métriques pour la détermination des chemins de routage.
[0035] A la différence des méthodes de routage connues, la solution proposée introduit un intervalle de tolérance qui va donner plus de flexibilité à l’ordonnanceur pour déterminer des créneaux de temps à allouer aux flux, quand une planification Qbv est déjà configurée sur les commutateurs.
[0036] La présente invention peut être mise en œuvre dans les réseaux industriels (domaines de l’usine du future, industrie 4.0 / usines fortement reconfigurables), les réseaux intra-véhiculaires (domaines de véhicules de tout type : automobile, camions, bus, train, bateau... ), ou encore dans le cœur du réseau 5G/6G (pour véhiculer des communications temps réels).
[0037] Pour obtenir les résultats recherchés, il est proposé un procédé de routage d’un flux de données dans un réseau déterministe sensible au temps, pour router les paquets d’un flux de données depuis un terminal émetteur vers un terminal récepteur, le réseau comprenant des commutateurs pour la transmission des paquets, lesdits commutateurs étant configurés pour mettre en œuvre une planification de transmission prédéfinie sur des cycles de temps répétés ayant des créneaux de temps de longueur fixe, le procédé étant mis en œuvre par ordinateur et comprenant des étapes consistant à :
- générer en prenant en compte un paramètre de latence de chemin, un ensemble de ‘k’ chemins les plus courts entre le terminal émetteur et le terminal récepteur ;
- pour un chemin ‘m’ parmi les ‘k’ chemins :
- calculer pour chaque commutateur de ce chemin, un intervalle de tolérance sur la durée du cycle, l’intervalle de tolérance définissant une durée pendant laquelle les paquets dudit flux de données peuvent rester au niveau dudit commutateur avant d’être transmis, sans dépasser une date limite d’arrivée au terminal récepteur ; - déterminer si un créneau de temps peut être réservé sur le cycle prédéfini pour chaque commutateur, et si oui sélectionner ce chemin pour router ledit flux de données ; ou
- s’il existe un ou plusieurs commutateurs n’ayant pas de créneau de temps pouvant être réservé, déterminer si un créneau de temps peut être disponible dans l’intervalle de tolérance calculé pour chaque commutateur, et si oui sélectionner ce chemin pour router ledit flux de données, ou si non itérer les étapes précédentes de calcul d’intervalle de tolérance et de détermination de créneau de temps pour un autre chemin ‘m+1’ parmi les ‘k’ chemins.
[0038] L’invention peut être mise en œuvre selon des modes de réalisation alternatifs ou combinés, où :
- l’étape de générer les ‘k’ chemins les plus courts consiste à mettre en œuvre un algorithme de Yen.
- le paramètre de latence de chemin est calculé à partir du délai de propagation et le temps de séjour moyen des paquets au niveau d’un commutateur.
- l’intervalle de tolérance est calculé sur la base d’une répartition équitable entre tous les commutateurs du chemin.
- l’intervalle de tolérance est calculé en fonction de la charge de chaque commutateur du chemin, et consistant à attribuer un intervalle de tolérance plus grand aux commutateurs plus chargés.
- le procédé comprend des étapes consistant à retarder l’envoi de paquets pour les commutateurs plus chargés, et à accélérer l’envoi des paquets pour les commutateurs moins chargés.
- le procédé comprend une étape consistant à annuler des réservations de créneaux de temps faites sur des commutateurs précédant un commutateur pour lequel il n’existe pas de créneau de temps disponible dans l’intervalle de tolérance.
- le procédé comprend une étape préliminaire consistant à synchroniser tous les commutateurs et tous les terminaux connectés au réseau TSN entre eux.
[0039] L’invention concerne aussi un dispositif de routage de flux de données dans un réseau déterministe sensible au temps, pour router les paquets d’un flux de données depuis un terminal émetteur vers un terminal récepteur, le réseau comprenant des commutateurs pour la transmission des paquets, lesdits commutateurs étant configurés pour mettre en œuvre une planification de transmission prédéfinie sur des cycles de temps répétés ayant des créneaux de temps de longueur fixe,, le dispositif comprenant des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé de l’invention.
[0040] Avantageusement, le procédé de la présente invention peut être mis en œuvre dans les deux infrastructures de gestion de réseau présentées dans le standard IEEE 802.1 Qcc, à savoir, l’infrastructure centralisée et l’infrastructure distribuée.
[0041] Dans un mode de réalisation pour l’approche centralisée, le procédé s’exécute au niveau du contrôleur central CNC (« Central Network Controller » en anglais).
[0042] Dans un mode de réalisation pour l’approche distribuée, chaque commutateur d’un réseau TSN détermine l’allocation de créneaux de temps et il publie cette allocation vers ses voisins.
[0043] L’invention concerne aussi un produit programme d’ordinateur qui comprend des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé de l’invention, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.
[0044] Description des figures
[0045] La figure 1 est un exemple simplifié pour illustrer la problématique du routage dans un réseau TSN.
[0046] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit et des figures des dessins annexés dans lesquels :
[0047] La figure 2 illustre la mesure du délai de propagation entre deux nœuds d’un réseau TSN ;
[0048] La figure 3 illustre les échanges entre des nœuds d’un réseau TSN pour synchroniser les horloges ;
[0049] La figure 4 illustre l’identification de créneaux de temps disponibles dans un intervalle de tolérance, selon un mode de réalisation de l’invention ; [0050] La figure 5 illustre sur un exemple simplifié, la mise en œuvre du procédé de routage de l’invention dans un réseau TSN ;
[0051] La figure 6a et la figure 6b sont un organigramme des étapes du procédé pour déterminer un chemin de routage selon un mode de réalisation de l’invention ;
[0052] La figure 7a illustre un environnement de réseau TSN selon une approche centralisée IEEE 802.1 Qcc, permettant de mettre en œuvre le procédé de l’invention ;
[0053] La figure 7b illustre un environnement de réseau TSN selon une approche distribuée IEEE 802.1 Qcc, permettant de mettre en œuvre le procédé de l’invention.
[0054] Description détaillée de l’invention
[0055] La description détaillée est faite pour un environnement de réseau déterministe TSN selon la norme IEEE 802.1 et les standards associés. Dans la description, les différents termes utilisés avec un acronyme comme Qbv, Qcc, AS, etc, doivent être compris comme désignant ledit terme selon le standard correspondant pour la norme IEEE 802.1 . Ainsi par exemple, le cycle Qbv signifie le cycle tel que défini par le standard IEEE 802.1 Qbv.
[0056] Il est à noter que les expressions ‘plage de temps’, ‘créneau de temps’, ‘time slots’ sont utilisées indifféremment pour désigner une durée d’allocation de ressources temporelles.
[0057] Pour que la planification puisse assurer les latences bornées exigées dans le contexte des réseaux déterministes, tous les commutateurs TSN ainsi que les terminaux connectés à un réseau TSN sont considérés parfaitement synchronisés entre eux, notamment en suivant le standard IEEE 802.1 AS.
[0058] Selon les principes TSN connus de l’homme du métier, un nœud du réseau joue le rôle de maître (GM), le « GrandMaster » selon l’anglicisme consacré, les autres nœuds jouant le rôle de nœud esclave « Slave ». L’élection du GM peut être effectuée par un humain ou par un algorithme tel que par exemple le « Best Master Clock Algorithm » (BMCA).
[0059] La norme IEEE 802.1 AS permet aux appareils TSN (i.e. du réseau TSN) de synchroniser leurs horloges avec l'horloge de référence d'un GM. Le protocole connu « Precision Time Protocol » (PTP) et sa version améliorée le protocole (gPTP)
« Generalized Precision Time Protocol », sont utilisés pour synchroniser les horloges. L’objectif de ce protocole est de s’assurer que le besoin applicatif en termes de synchronisation temporelle est atteint. Son rôle est de synchroniser les terminaux et les commutateurs appartenant au même domaine.
[0060] Ce protocole est établi selon le principe d'horloge maître et d'horloges esclaves. L'horloge maître servant de référence temporelle est appelée « horloge de référence » et son heure peut être éventuellement synchronisée (via GPS, NTP, etc) sur une horloge appelée horloge globale.
[0061] Le GM annonce d’une manière régulière sa présence. Il envoie avec une fréquence configurée son horloge aux esclaves afin qu’ils puissent synchroniser leur horloge à celle du GM. Le fonctionnement du standard repose sur l’échange d’informations de synchronisation telles que les horodatages (« Timestamp » selon l’anglicisme consacré) d’envoi et de réception de messages de type gPTP (ou PTP).
[0062] Pour assurer une synchronisation temporelle précise, le standard IEEE
802.1 AS propose de mesurer le délai de propagation entre deux nœuds d’un réseau TSN de la manière suivante, illustrée sur la figure 2 :
[0063] Le port maître d’un premier système du réseau TSN (« Time-aware system 1 ») envoie un message de requête de délai ‘Pdelay_Req’, tout en capturant le timestamp d’envoi ‘t1 ’.
[0064] Le terme “Time-aware System” est défini en anglais dans le standard IEEE 802.1 AS comme étant « a device that contains one or more PTP Instances and/or PTP services (e.g., Common Mean Link Delay Service).” Cette définition signifie qu’il s’agit alors d’un équipement qui est capable de participer dans la synchronisation temporelle telle que définie dans le standard IEEE 802.1 AS, c’est-à- dire un équipement capable de faire le « Hardware Timestamping » et d’échanger des messages temporels avec ses voisins.
[0065] A la réception du message ‘Pdelay_Req’, le port esclave d’un deuxième système du réseau TSN (« Time-aware system 2 ») récupère le timestamp de réception ‘t2’ du message. [0066] Le port esclave du deuxième système « Time-aware system 2 » envoie un message de réponse ‘Pdelay_Resp’ contenant le timestamp de réception ‘t2’, et récupère le timestamp d’envoi ‘t3’ de ce message de réponse ‘Pdelay_Resp’.
[0067] Le port maître du premier système « Time-aware system 1 » reçoit le message de réponse ‘Pdelay_Resp’ et capture le timestamp de réception ‘t4’.
[0068] Le port esclave du deuxième système « Time-aware system 2 » envoie un message de suivi ‘Pdelay_Resp_Follow_Up’ contenant le timestamp d’envoi ‘t3’ du message de réponse précédent ‘Pdelay_Resp’.
[0069] A la fin de cet échange de trois messages, le premier système « Time-aware system 1 » dispose des quatre Timestamp (t1 , t2, t3, t-4), qui vont permettre de calculer un délai de propagation moyen ‘D’, selon l’équation suivante : tl)
2
[0070] Le délai maître-esclave £t4-t3’ et le délai esclave-maître £t2-t1 ’ qui sont déterminés comme les différences entre les horodatages respectifs permettent de calculer un délai moyen à partir duquel l’esclave connait la différence entre son horloge et l’horloge du maître, ce qui lui permet alors de régler sa propre horloge.
[0071 ] Le standard IEEE 802.1 AS inclut une deuxième phase d’échange protocolaire qui complète la première phase et permet de synchroniser les horloges entre plusieurs systèmes d’un réseau sensible au temps. La figure 3 illustre cet échange sur trois systèmes (i-1 , i, i+1 ).
[0072] Le port maître du premier système ‘i-1 ’ (« Time-aware system i-1 ») envoie un message de synchronisation ‘Sync’ à un port esclave d’un deuxième système ‘i’ (« Time-aware system i »), tout en capturant le timestamp d’envoi ‘t(s,i-1 )’.
[0073] Le port esclave du deuxième système ‘i’ (« Time-aware system i ») reçoit le message de synchronisation ‘Sync’ et capture le timestamp de réception ‘t(r, i)’ correspondant.
[0074] Le port maître du premier système ‘i-T (« Time-aware system i-1 ») envoie au port esclave du deuxième système ‘i’ un message de suivi ‘FollowJJp’ contenant le timestamp d’envoi ‘t(s,i-1 )’ du message de synchronisation précédent. [0075] Un port maître du deuxième système T (« Time-aware system i ») peut à son tour envoyer le message de synchronisation ‘Sync’ à un port esclave d’un troisième système ‘i+T (« Time-aware system i+1 »), tout en capturant le timestamp d’envoi £t(s,i)’ correspondant.
[0076] Le port esclave du troisième système ‘i+1’ (« Time-aware system i+1 ») reçoit le message de synchronisation ‘Sync’ et capture le timestamp de réception ‘t(r, i+1 )’ correspondant.
[0077] Le port maître du deuxième système ‘i’ (« Time-aware system i ») envoie au port esclave du troisième système ‘i+1’ le message de suivi ‘FollowJJp’ contenant le timestamp d’envoi ‘t(s,i-1 )’ du premier message de synchronisation envoyé par la premier système ‘i-T.
[0078] De cette manière, le deuxième système ‘i’ et le troisième système ‘i+1’ peuvent se synchroniser sur l’horloge de référence du premier système ‘i-T.
[0079] Comme indiqué précédemment, le procédé de routage de l’invention considère que tous les commutateurs TSN ainsi que les terminaux connectés au réseau TSN sont considérés parfaitement synchronisés entre eux, pour assurer la propriété de « Just-in-Time » requise par certains flux.
[0080] Par la synchronisation temporelle mise en place, les commutateurs peuvent alors récupérer une information sur les latences des routes ou chemins (en récupérant les délais de propagation et le délai de séjour moyen des paquets au niveau des commutateurs pour déterminer la latence de chaque route ou chemin).
[0081] Le procédé de routage de l’invention a pour objectif d’assurer l’arrivée des paquets à leur destination « juste à temps », c’est-à-dire pas avant ni après la date limite (« deadline »). En effet, par exemple pour les systèmes en boucle fermée dits « closed-loop systems » en anglais, les messages envoyés par un capteur doivent arriver juste à l’instant où un contrôleur doit vérifier s’il y a un message reçu de la part de ce capteur.
[0082] La date limite est un paramètre prédéfini pour répondre au besoin applicatif des flux de l’application concernée, et il peut être fixé par l’opérateur ou le concepteur de l’application. Par exemple, pour une boucle de type « capteur / contrôleur PLC / actionneur » qui exige une latence maximum à ne pas dépasser, une donnée qui va être enregistrée au niveau du capteur doit impérativement arriver au bout d’un temps précis au niveau du contrôleur PLC. Le paramètre de date limite peut aussi être configuré au niveau du contrôleur PLC qui contient une boucle pour lui permettre de vérifier l’arrivée d’une nouvelle donnée émise par le capteur.
[0083] Le principe général du procédé de routage de l’invention, est d’exploiter les informations sur la topologie réseau ainsi que des données venant du protocole IEEE 802.1 AS, afin de calculer et choisir les routes qui permettent de minimiser les latences pour chaque flux.
[0084] Les données venant du protocole IEEE 802.1 AS vont notamment être un temps de propagation entre des nœuds, un temps de séjour moyen des paquets au niveau d’un commutateur.
[0085] Le procédé de routage de l’invention utilise la latence d’un chemin comme métrique pour sélectionner ou non ce chemin. Le procédé permet de calculer les k chemins les plus courts entre un terminal émetteur et un terminal récepteur, puis pour chaque chemin, le procédé détermine pour chaque saut de la route (i.e. pour chaque commutateur situé sur ce chemin) un intervalle de tolérance.
[0086] L’intervalle de tolérance d’un commutateur va permettre de définir pour combien de temps les paquets d’un flux qui a sa propre contrainte de latence, peuvent patienter au niveau du commutateur (i.e. ne pas être retransmis dès leur arrivée) avant d’être transférés vers le nœud suivant de la route, sans dépasser la date limite d’arrivée de chaque paquet du flux à destination (« deadline »).
[0087] Ainsi un intervalle de tolérance TI? pour un flux STj au niveau d’un commutateur SWt , est calculé en tenant compte de la date limite pour le flux, de la latence du chemin et du nombre de sauts (i.e. de commutateurs) sur ce chemin.
[0088] Avantageusement, le calcul d’un intervalle de tolérance pour chaque commutateur d’un chemin, apporte de la latitude au module de planification pour le choix des créneaux de temps à réserver pour chaque flux.
[0089] En effet, si un créneau de temps qui doit être réservé pour un flux STj au niveau d’un commutateurSl/7£, n’est pas disponible, l’algorithme de planification prend alors en compte l’intervalle de tolérance qui a été calculé pour ce commutateur, et vérifie s’il peut sélectionner un autre créneau de temps en restant dans l’intervalle de tolérance.
[0090] La figure 4 illustre sur la durée d’un cycle, une identification de créneaux de temps disponibles dans un intervalle de tolérance.
[0091] Dans les réseaux TSN, pour allouer un créneau de temps à un flux donné, les algorithmes de planification déterminent en général un créneau de temps disponible sur tout le cycle Qbv (hors les créneaux de temps 402 dédiés pour le trafic de contrôle réseau échangé entre les commutateurs), et allouent, i.e. réservent, ce créneau pour le flux.
[0092] Sur la figure 4, il est illustré en hachuré, que deux créneaux de temps 404 qui sont calculés par l’algorithme de planification pour être réservés pour un flux, sont déjà occupés, i.e. réservés pour un autre flux. Selon le principe de l’invention, l’algorithme de planification prend en compte l’intervalle de tolérance 406 calculé pour ce commutateur lors du routage, pour déterminer si d’autres créneaux de temps sont libres tout en restant dans la plage couverte par l’intervalle de tolérance. Dans l’exemple de la figure 4, de nouveaux créneaux de temps ultérieurs peuvent ainsi être attribués parmi les créneaux de temps disponibles 408 existants sur l’intervalle de tolérance 406.
[0093] Le procédé de routage de l’invention permet pour chaque flux devant être transmis d’un terminal émetteur vers un terminal récepteur au sein d’un réseau TSN, de calculer au moins deux chemins possibles en utilisant la latence de chaque chemin comme métrique, puis permet de vérifier la possibilité de réserver des créneaux de temps disponibles dans l’intervalle de tolérance qui est calculé pour chaque commutateur se trouvant sur un chemin.
[0094] La figure 5 illustre un exemple de la mise en œuvre du procédé de routage de l’invention dans un réseau TSN simplifié constitué de quatre commutateurs d’accès TSN (S1 , S2, S3, S4). Un terminal récepteur L1 qui est connecté au réseau TSN est abonné à trois terminaux émetteurs (T1 , T2, T3) qui sont eux-mêmes connectés au réseau TSN. Le terminal récepteur reçoit des flux (i.e. des paquets de données) de chaque émetteur via des chemins différents, les flux transitant par des commutateurs différents. [0095] Tel qu’illustré, un flux ST1 émis par l’émetteur T1 est transmis au récepteur L1 via les commutateurs S1 et S3, un flux ST2 émis par l’émetteur T2 est transmis au récepteur L1 via les commutateurs S2 et S3, et un flux ST3 émis par l’émetteur T3 est transmis au récepteur L1 via les commutateurs S2 et S3.
[0096] L’émetteur T3 doit émettre un nouveau flux ST4 vers le récepteur L1 . La mise en œuvre du procédé de routage de l’invention permet de déterminer le chemin de routage pour ce nouveau flux ST4.
[0097] Selon l’exemple, le flux ST4 ne peut pas emprunter le même chemin (S2 / S3 / L1 ) que le chemin calculé pour le flux ST3 issu du même terminal émetteur T3 et ne peut pas emprunter le même chemin (S2 / S3 / L1 ) que le chemin calculé pour le flux ST2 issu du terminal émetteur T2, car il ne reste plus de créneaux de temps disponibles dans le cycle pour ce commutateur S3 (illustré sur le diagramme de cycle du haut).
[0098] Aussi, le procédé de routage de l’invention, après avoir déterminé que le premier chemin calculé (S2 / S3 / L1 ) n’est pas réservable pour le flux ST4, va calculer un chemin alternatif pour chercher un autre commutateur que S3 ayant des créneaux de temps disponibles, tout en respectant l’intervalle de tolérance.
[0099] Dans l’exemple illustré, le commutateur S4 dispose de créneaux de temps disponibles qui peuvent être attribués au flux ST4 (illustré sur le diagramme de cycle du bas). Le procédé permet alors de déterminer que l’acheminement du nouveau flux ST4 peut se faire depuis le terminal émetteur T3 vers le terminal récepteur L1 en passant successivement par le commutateur S2 puis le commutateur S4 selon une route (T3 / S2 / S4 / L1 ).
[0100] L’homme du métier comprend que la figure 5 est prise pour illustrer de manière simplifiée le principe du procédé de l’invention, mais que ce dernier peut être mis en œuvre sur un réseau TSN comprenant une pluralité de terminaux émetteurs, terminaux récepteurs, commutateurs, et pour de nombreux flux à acheminer.
[0101 ] La figure 6a et la figure 6b illustrent sous un organigramme, un mode de réalisation d’étapes du procédé de routage 600 de l’invention, appliqué à l’acheminement d’un nouveau flux. [0102] Etape 602 : dans une étape initiale, le procédé permet d’établir ou de récupérer la configuration du réseau, sous la forme d’un graphe G identifiant le nœud source (src : terminal émetteur), le nœud destination (dst : terminal récepteur), les nœuds intermédiaires (les commutateurs pouvant relier la source à la destination), et les liens entre les nœuds. Le procédé permet dans cette étape initiale de définir le nombre k de chemins les plus courts à calculer, et définir la latence du chemin comme métrique pour le calcul. Cette métrique peut être calculée à partir du délai de propagation et le temps de séjour moyen des paquets au niveau du commutateur, valeurs qui peuvent être fournies par le standard IEEE 802.1 AS.
[0103] Etape 604 : dans une étape suivante, le procédé permet de calculer pour ce graphe, les ‘k’ chemins les plus courts en prenant en compte la métrique de latence.
[0104] Dans un mode de réalisation, l’algorithme Yen bien connu est utilisé pour trouver les ‘k’ chemins les plus courts.
[0105] Le procédé entre ensuite dans une boucle de calcul pour chaque chemin ‘m’ parmi les ‘k’ chemins les plus courts.
[0106] Etape 606 : le procédé permet de calculer des intervalles de tolérance TI? associés à chaque commutateur du chemin ‘m’.
[0107] Dans un mode de réalisation, l’intervalle de tolérance est calculé sur la base d’une répartition équitable entre tous les commutateurs qui se trouvent sur un chemin entre un émetteur et un récepteur, d’un « budget global » de latence toléré (par les flux applicatifs).
[0108] L’intervalle de tolérance TI? pour un flux STj au niveau d’un commutateur SWt, est calculé selon l’équation suivante : j deadline STj-latence du chemin STj 1 nombre de sauts
[0109] Dans un autre mode de réalisation, la répartition du budget global de latence toléré, peut se faire d’une manière non équitable, et être attribué selon différents critères, par exemple en fonction de la charge de chaque commutateur du chemin.
[0110] Dans ce mode de réalisation, l’intervalle de tolérance peut être calculé selon l’équation suivante : , représente le coefficient de charge du commutateur SW;.
[0111 ] Le coefficient de charge peut être calculé selon l’équation suivante : OQ ni)piux représente le nombre de flux entrants dans le commutateur SW;, et max représente la charge d’un chemin en fonction de nombre des flux entrants aux commutateurs faisant partie de ce chemin.
[0112] Dans un scenario où un premier commutateur sur une route qui a été calculée pour l’envoi d’un flux (comme étant une route des ‘k’ chemins les plus courts) est assez chargé, le procédé permet d’attribuer à ce premier commutateur un intervalle de tolérance plus grand que ceux des autres commutateurs. Ainsi, le premier commutateur pourra être configuré pour retarder l’envoi des paquets du flux concerné, alors que le reste des commutateurs seront configurés pour accélérer l’envoi de ces paquets afin de ne pas rajouter des latences sur le chemin.
[0113] Etape 608 : l’étape suivante consiste à identifier un créneau de temps à réserver pour le nouveau flux dans chaque commutateur SW™ du chemin ‘m’.
[0114] Etape 610 : le procédé permet de déterminer si un créneau de temps est disponible et réservable dans chaque commutateur SW™ du chemin ‘m’.
[0115] Etape 612 : s’il n’y a pas de créneau de temps disponible sur le commutateur SW™, le procédé permet de vérifier si un créneau de temps peut être disponible en considérant l’intervalle de tolérance qui a été calculé pour ce commutateur.
[0116] Etape 614 : s’il n’est pas possible de réserver sur le commutateur SW^un créneau de temps dans l’intervalle de tolérance, le chemin ‘m’ n’est alors pas une route permettant d’acheminer le flux considéré, et le procédé permet d’annuler les réservations de créneau de temps faites sur les commutateurs précédents.
[0117] Etape 616 : le procédé permet de passer au chemin suivant « m = m + 1 » dans la liste des ‘k’ chemins les plus courts.
[0118] Etape 618 : le procédé permet de vérifier si tous les ’k’ chemins ont été traités. Si des chemins n’ont pas encore été traités, le procédé retourne à l’étape 606 pour calculer des intervalles de tolérance pour chaque commutateur associé au chemin suivant à traiter.
[0119] Etape 620 : si tous les chemins ont été traités, et qu’il n’a pas été possible de réserver des créneaux de temps pour acheminer le nouveau flux, le procédé se termine en indiquant qu’aucun chemin n’est disponible pour traiter le nouveau flux.
[0120] Etape 622 : revenant à l’étape 610, si un créneau de temps est disponible sur le commutateur SW™ du chemin ‘m’, le procédé permet de réserver ce créneau de temps.
[0121] Etape 624 : le procédé permet de passer au commutateur suivant sur le chemin ‘m’.
[0122] Etape 626 : le procédé permet de vérifier si tous les commutateurs du chemin ‘m’ en cours d’analyse ont été traités. Si tous les commutateurs du chemin ‘m’ n’ont pas été traités, le procédé reboucle sur l’étape 610 pour déterminer s’il est possible de réserver des créneaux de temps dans le commutateur suivant, et poursuit par les étapes décrites.
[0123] Etape 628 : si tous les commutateurs ont été traités, signifiant qu’il a été possible d’attribuer des créneaux de temps dans tous les commutateurs du chemin ‘m’, le procédé se termine en indiquant le chemin sélectionné pour traiter le nouveau flux.
[0124] Dans un mode de réalisation, l’étape 608 pour identifier si des créneaux de temps sont réservables dans un commutateur est faite selon le procédé décrit dans la demande de brevet FR 2112233 de la Demanderesse.
[0125] Afin d’assurer la configuration et la gestion des réseaux TSN, la norme IEEE 802.1 Qcc propose principalement deux approches : une approche centralisée et une approche distribuée. Le procédé décrit peut être mis en œuvre dans chacune de ces deux configurations.
[0126] Approche centralisée :
[0127] L’approche centralisée fournit par le standard IEEE 802.1 Qcc est illustrée par la Figure 7a, où l’ensemble des commutateurs TSN du réseau est contrôlé, géré et configuré par une entité centralisée CNC (« Centralized Network Configuration »). Les terminaux (Parleurs / Auditeurs) qui vont utiliser le réseau TSN fournissent les caractéristiques de leur flux à une entité CUC (« Centralized User Configuration ») en utilisant des logiciels tiers (« middleware ») comme par exemple OPC UA, ROS, DDS.... L’entité CUC a pour rôle de regrouper les demandes des terminaux/applications pour utiliser le réseau TSN et de les fournir à l’entité CNC. Les demandes sont analysées par le CNC tout en ayant les informations sur les capacités actuelles du réseau TSN. Si la réservation des ressources pour de nouveaux flux est possible, le CNC répond au CUC que ces terminaux/applications peuvent utiliser le réseau. Le CNC peut aussi fournir à ces terminaux/applications le créneau à utiliser (i.e. quand commencer à utiliser le réseau). Par exemple, il peut demander à une application de commencer à envoyer ses données dans x millisecondes. Dans le cas où la réservation des ressources est impossible pour certains flux, le CNC rejette les demandes associées à ces flux. Dans cette approche, le procédé de l’invention peut être implémenté et mis en œuvre au niveau du CNC.
[0128] Approche distribuée :
[0129] Dans le cas d’une gestion de réseau distribuée, comme illustrée sur la figure 7b, une phase initiale est nécessaire où les commutateurs d’accès TSN doivent échanger des messages entre eux afin de converger vers une répartition de créneaux de temps. Une fois la convergence obtenue, chacun des commutateurs d’accès alloue un créneau de temps pour le nouveau flux parmi les créneaux de temps qui lui sont associés, et ensuite il propage cette information vers les commutateurs cœur de réseau TSN afin qu’ils intègrent cette nouvelle réservation.

Claims

Revendications Procédé de routage d’un flux de données dans un réseau déterministe sensible au temps, pour router les paquets d’un flux de données depuis un terminal émetteur vers un terminal récepteur, le réseau comprenant des commutateurs pour la transmission des paquets, lesdits commutateurs étant configurés pour mettre en œuvre une planification de transmission prédéfinie sur des cycles de temps répétés ayant des créneaux de temps de longueur fixe, le procédé étant mis en œuvre par ordinateur et comprenant des étapes consistant à :
- générer (602, 604) en prenant en compte un paramètre de latence de chemin, un ensemble de ‘k’ chemins les plus courts entre le terminal émetteur et le terminal récepteur ;
- pour un chemin ‘m’ parmi les ‘k’ chemins :
- calculer (606) pour chaque commutateur de ce chemin, un intervalle de tolérance sur la durée du cycle, l’intervalle de tolérance définissant une durée pendant laquelle les paquets dudit flux de données peuvent rester au niveau dudit commutateur avant d’être transmis, sans dépasser une date limite d’arrivée au terminal récepteur ;
- déterminer (608, 610, 622, 624, 626) si un créneau de temps peut être réservé sur le cycle prédéfini pour chaque commutateur, et si oui sélectionner (628) ce chemin pour router ledit flux de données ; ou
- s’il existe un ou plusieurs commutateurs n’ayant pas de créneau de temps pouvant être réservé, déterminer (612, 614, 616, 618) si un créneau de temps peut être disponible dans l’intervalle de tolérance calculé pour chaque commutateur, et si oui sélectionner (620) ce chemin pour router ledit flux de données, ou si non itérer les étapes précédentes de calcul d’intervalle de tolérance et de détermination de créneau de temps pour un autre chemin ‘m+T parmi les ‘k’ chemins.
2. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel l’étape de générer les ‘k’ chemins les plus courts consiste à mettre en œuvre un algorithme de Yen. Le procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le paramètre de latence de chemin est calculé à partir du délai de propagation et le temps de séjour moyen des paquets au niveau d’un commutateur. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel l’intervalle de tolérance est calculé sur la base d’une répartition équitable entre tous les commutateurs du chemin. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel l’intervalle de tolérance est calculé en fonction de la charge de chaque commutateur du chemin, et consistant à attribuer un intervalle de tolérance plus grand aux commutateurs plus chargés. Le procédé selon la revendication 5 comprenant des étapes consistant à retarder l’envoi de paquets pour les commutateurs plus chargés, et à accélérer l’envoi des paquets pour les commutateurs moins chargés. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 comprenant une étape consistant à annuler des réservations de créneaux de temps faites sur des commutateurs précédant un commutateur pour lequel il n’existe pas de créneau de temps disponible dans l’intervalle de tolérance. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 comprenant une étape préliminaire consistant à synchroniser tous les commutateurs et tous les terminaux connectés au réseau TSN entre eux. Un produit programme d’ordinateur, ledit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. Un dispositif de routage de flux de données dans un réseau déterministe sensible au temps, pour router les paquets d’un flux de données depuis un terminal émetteur vers un terminal récepteur, le réseau comprenant des commutateurs pour la transmission des paquets, lesdits commutateurs étant configurés pour mettre en œuvre une planification de transmission prédéfinie sur des cycles de temps répétés ayant des créneaux de temps de longueur fixe, le dispositif comprenant des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Utilisation du dispositif selon la revendication 10 dans un réseau sensible au temps implémentant une architecture réseau centralisée. Utilisation du dispositif selon la revendication 10 dans un réseau sensible au temps implémentant une architecture réseau distribuée. Utilisation du dispositif selon la revendication 10 dans un réseau déterministe sensible au temps TSN implémentant une architecture réseau centralisée ou distribuée par des moyens définis selon les spécifications de la norme IEEE 802.1 Qcc.
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