时敏软件定义网络的服务保证

论文标题： 英文标题：Service Guarantees for Time-Sensitive Software-Defined Networks 中文标题：时敏软件定义网络的服务保证

作者信息： Weijiang Kong

论文出处： Eindhoven University of Technology

摘要： 过去十年中，随着半导体技术的进步和对更智能系统的需求增加，汽车网络在规模和带宽上经历了快速增长。传统的特定领域总线协议越来越难以维持这种趋势，因此行业转向基于以太网的统一连接的时敏网络（TSN）。TSN满足了汽车系统对有界延迟和传输可靠性的要求，并吸收了软件定义网络（SDN）的特点，以实现灵活的运行时管理。这种组合通常被称为时敏软件定义网络（TSSDN）。在设计TSSDN时，利用SDN的灵活性同时保持TSN的服务保证是主要关注点。此外，新兴应用需要建立新的服务保证。作为统一连接，TSSDN必须处理具有多样化要求的流量。控制相关流通常要求严格的定时截止时间和由汽车安全完整性等级（ASIL）指定的保证可靠性。软实时流则需要在初始化和运行时保证服务质量（QoS）。由于大多数现有技术是为静态TSN的服务保证而开发的，TSSDN需要新的方法来充分发挥其灵活性。例如，如何在应用截止时间内找到运行时配置。本文针对TSSDN中的多样化流量，开发了在不同场景下保持服务保证的技术，并提出了四项贡献。

1. 引言： 介绍了汽车网络的发展背景，TSN和SDN的结合，以及TSSDN面临的挑战和研究动机。

2. 背景和系统模型： 讨论了TSN网络的建模、网络流的建模、TSN中的流量整形以及TT流量的调度模型。

3. TT流量的运行时恢复： 提出了TSSDN中TT流量的运行时恢复方案，包括系统概述、提出的恢复过程、恢复的路由和调度以及基于CTMC的可靠性分析。

4. 基于RL的TSSDN网络规划： 提出了一种基于强化学习（RL）的网络规划方法，以提供设计时的可靠性保证，同时考虑运行时恢复行为。

5. AVB流量的每类管理： 介绍了AVB流量的可组合管理方案，包括管理方案概述、可组合WCED分析和WCED感知的增量路由。

6. AVB流量的路由和带宽分配： 提出了AVB流量的路由和带宽分配的可扩展配置合成方法，包括SynAVB的概述、截止时间无关的路由、截止时间感知的斜率分配以及算法评估。

7. 结论和未来工作： 总结了研究成果，并讨论了未来研究的机会。

论文内容详细解读：

3. TT流量的运行时恢复： 本章介绍了TSSDN中TT流量的运行时恢复方案。首先，提出了一个三模式方法来恢复TT流量，包括全功能模式、降功能模式和紧急停止模式。当发生故障时，TSSDN尝试通过重新路由流量来维持功能。如果无法重新路由，则通过模式切换来降级服务。为了满足严格的响应时间要求，提出了两种计算恢复路线和调度的方法，包括基于整数线性规划（ILP）的方法和多项式时间启发式算法。此外，还开发了基于这些解决方案的评估方法，以评估它们的响应时间和可靠性影响。评估结果表明，运行时恢复可以将网络的平均故障间隔时间（MTTF）提高高达2倍，同时计算响应时间在100毫秒以内。

4. 基于RL的TSSDN网络规划： 本章提出了一种基于强化学习（RL）的网络规划方法，以提供设计时的可靠性保证。该方法考虑了TSSDN的运行时恢复行为，通过探索拓扑设计和ASIL分配问题，使用RL来构建TSSDN。开发了RL代理构建网络拓扑的技术，并实现了RL环境，以检查TSSDN是否符合其特定领域的可靠性要求。与传统手动设计相比，该解决方案能够在更多设计场景中提供可靠性保证，同时将网络成本降低高达6.8倍。

基于强化学习（RL）的TSSDN网络规划是一种创新的方法，旨在为时敏软件定义网络（TSSDN）提供设计时的可靠性保证。这种方法的核心在于利用RL的强大能力来探索和优化网络拓扑结构，同时考虑TSSDN的运行时恢复行为。

基于RL的TSSDN网络规划方法通过以下步骤实现：

• 定义网络行为函数（NBF）：NBF用于模拟TSSDN在面对故障时的行为，包括流量的重新路由和调度。

• 构建RL环境：将网络规划问题转化为RL问题，其中网络拓扑和ASIL分配作为状态空间，网络规划操作作为动作空间。

• 训练RL代理：使用深度神经网络作为RL代理，通过与环境的交互学习最优的网络规划策略。

• 评估和优化：通过模拟不同的故障场景，评估网络的可靠性和成本效益，不断优化网络拓扑和ASIL分配。

5. AVB流量的每类管理： 本章介绍了AVB流量的可组合管理方案。为了实现每类流量的独立管理，提出了可组合的WCED分析，以在不知道其他流量类别的确切流设置的情况下获得延迟界限。基于此分析，开发了动态路由请求的独立处理方法，以便为每个流量类别独立处理。实验结果表明，可组合分析带来了2.6倍的速度提升，而平均为一个流找到路由的时间为0.14秒。

6. AVB流量的路由和带宽分配： 本章提出了AVB流量的路由和带宽分配的可扩展配置合成方法。基于对AVB流量WCED的分析，推导出了一个多项式时间算法，用于分配带宽，同时考虑流的截止时间。这允许将路由问题简化为具有简单约束的混合整数线性规划（MILP）问题。与现有设计时解决方案相比，集成带宽分配和路由方法的解决方案带来了14.3倍的速度提升。

结论： 本文的研究成果使TSSDN能够在不损害其定时要求的情况下恢复TT流量，能够在设计时确保高达最高ASIL的可靠性，并且TSSDN控制器能够处理AVB流量的动态请求。这些WCED保证可以从网络启动时建立，并且在整个运行过程中以可组合的方式维持。尽管如此，仍有一些挑战存在，例如随着网络规模的持续扩展，可能需要更可扩展的方法，以及需要进一步的方法来确保网络控制逻辑的可靠性。此外，未来的汽车系统必须解决更复杂的故障场景，如损坏或恶意攻击。这些开放性问题为未来的研究留下了大量的机会。