Forschungsprojekte

(Projekt aus Eigenmitteln)

Abstract:

Network Calculus (NC) ist ein systemtheoretischer Ansatz zur deterministischen Leistungsanalyse. Dabei kommen mathematische Methoden zum Einsatz, um Leistungsgarantien für Kommunikationssystemen bestimmen zu können. Die Methode kann sowohl in der Planungsphase für zukünftige Systeme als auch bei der Analyse bestehender Systeme eingesetzt werden. In Echtzeitsystemen spielt die Rechtzeitigkeit bestimmter Ereignisse eine entscheidende Rolle. Daher ist es wichtig, die Ergebnisse klassischer Leistungsanalyse, die stochastische Erwartungswerte wie etwa Mittelwerte liefert, durch mathematische Methoden zu ergänzen, die garantierte Schranken für Worst-Case-Szenarien liefern können. Network Calculus ermöglicht die Bestimmung von oberen Grenzen für Ende-zu-Ende-Verzögerungen für einzelne Netzwerkknoten und Folgen von Knoten in einem Netzwerk, Obergrenzen für die benötigten Puffer und Grenzen für den ausgehenden Verkehr. Diese analytischen Grenzen charakterisieren das Verhalten im Worst-Case und erlauben eine korrekte Dimensionierung der Systeme.

Aktuell studieren wir die Grenzen der Anwendbarkeit von Network Calculus für das Multiplexen von Datenströmen, insbesondere, wenn die Aggregation von Strömen nicht nach dem FIFO-Prinzip erfolgt. Die Aggregation von Strömen spielt eine wichtige Rolle, wenn Multiplex-Verfahren modelliert werden. Wir setzen Network Calculus beim Multiplexen an einzelnen Knoten und bei der Hintereinanderschaltung mehrerer Knoten in einem Netzwerk ein.

Wir haben Methoden des Network Calcus erfolgreich in industriellen Anwendungen der internen Fahrzeugkommunikation eingesetzt. Eingebettete Netze in Fahrzeugen müssen harte Echtzeitbedingungen erfüllen. Während TDMA-Verfahren wie in FlexRay die Erfüllung von Grenzen garantieren, erlaubt das stochastische Multiplexen in CAN-Netzen lediglich die Bestimmung von Grenzen für die höchste Priorität. Durch die Anwendung von Network Calculus können wir Grenzen für alle Prioritätsklassen bestimmen, ohne dass wir einen konkreten Kommunikationsablauf vorgeben müssen. Es genügt für die Bestimmung der harten Echtzeitgrenzen, wenn lediglich obere Grenzen für die Menge der an den Knoten ankommenden Daten bekannt sind.

Ein weiteres Einsatzgebiet für Network Calculus ist die industrielle Kommunikation. In der Industrieautomatisierung sind meist auch harte Grenzen für die Ende-zu-Ende-Verzögerung gefordert. Der Einsatz von Ethernet mit unterschiedlichen Prioritätsklassen erlaubt eine kostengünstige Implementierung solcher Fabrikautomatisierungssysteme. Aber ohne strikte Planung der Netze können die geforderten Verzögerungsgrenzen aufgrund des statistischen Multiplexens nicht garantiert werden. Wird Network Calculus bereits in der Planungsphase solcher Netze eingesetzt, können die Netze so dimensioniert werden, dass alle nötigen Grenzen eingehalten werden können. Neben den Verzögerungszeiten können auch die benötigten Puffergrößen in Knoten wie etwa in Industrial Ethernet Switches begrenzt werden. Aktuell fordern einige Anwender von Industieautomatisierungslösungen die einfache Integration von nicht echtzeitfähigen Komponenten in bestehende Netze, sei es von IP-Kameras oder von Bedienterminals. Ohne zusätzliche Analysen kann der Verkehr der zusätzlichen Geräte die Echtzeitkommunikation derart stören, dass bestehende Grenzen für die Verzögerung und den Puffer von Echtzeitverkehr nicht mehr eingehalten werden können. Durch Berücksichtigung des Nicht-Echzeitverkehrs in Network Calculus und durch Verkehrsformung dieser Datenströme können die Netze so dimensioniert werden, dass die Grenzen weiterhin eingehalten werden. Aktuell werden Netwok-Calculus-Berechnungen in ein bestehendes automatisiertes Netzwerkplanungswerkzeug integriert.

(Projekt aus Eigenmitteln)

Abstract:

Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit Anwendungsmöglichkeiten von Dienstgütegarantien in Time-Sensitive Networking, insbesondere mithilfe von Network Calculus. Echtzeit-Systeme werden zunehmend in der Industrie, z.B. der Automobil-, Automatisierungs- oder Unterhaltungsbranche benötigt. Klassisches Ethernet garantiert jedoch keine Echtzeitfähigkeit, weshalb die Time-Sensitive Networking Task Group (IEEE 802.1) Standards für die Echtzeitübertragung von Daten über Ethernet-Netzwerke entwickelt. Diese Standards werden unter dem Begriff Time-Sensitive Networking (TSN) zusammengefasst. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wird nun die Anwendung von Network Calculus für TSN untersucht. Network Calculus (NC) ist eine Systemtheorie zur deterministischen Leistungsbewertung. Dabei werden mathematische Methoden verwendet, um Leistungsgarantien für Kommunikationssysteme zu bieten.  NC kann dabei helfen, Echtzeit-Eigenschaften von TSN zu bewerten, erforderliche Latenz-Grenzen einzuhalten und Aufschlüsse über die optimale Konfiguration der Netzwerke liefern. Außerdem ermöglicht es die Dimensionierung der Puffer und kann existierende oder neue Scheduling-Algorithmen bewerten.

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Abstract:

Als Teil eines großen Konsortiums befasst sich der Lehrstuhl Informatik 7 im Rahmen des Projekts mit dem modellbasierten Systementwurf der Fahrzeug-Kommunikationssysteme unter Einbezug von Variantenvielfalt. Hierfür wird zum einen eine Optimierung für die Konfiguration und die Ressourcenauslegung der Netzwerkarchitektur für verschiedene Kommunikationsprotokolle und -mechanismen realisiert. Zum anderen werden Safety-Analysen unter Verwendung von Fehlerbäumen und Erweiterung dieser für Produktlinien durchgeführt.
Für den formalen Nachweis der erforderlichen Echtzeiteigenschaften wird Network Calculus herangezogen. Dafür müssen geeignete Ansätze für die in den Vernetzungstechnologien verwendeten Scheduling-Verfahren (z.B. TAS, prioritätsbasiert, CBS, usw.) formuliert werden.Für eine automatisierte und beschleunigte Erstellung der Netzwerkoptimierungen und der Safety- und Echtzeit-Analysen werden Modell- und Codegeneratoren entwickelt. Die Ergebnisse dieser Auswertungen werden in die Modellierung des Gesamtsystems zurückgeführt.

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Abstract:

In Übertragungsnetzenermöglicht eine dedizierte und leistungsfähige Kommunikationsinfrastruktur einegleichzeitige Ausführung kommunikationsintensiver Funktionen und Dienste. Durchden Ausbau erneuerbarer Energieanlagen auf Nieder- und Mittelspannungsebene undder dadurch notwendigen Verlagerung der Systemverantwortung hin zu diesenAnlagen und deren Betreibern müssen vergleichbare Funktionen und Dienste –sogenannte Smart Grid Services (SGSs) – auf Verteilnetzebene umgesetztwerden. In diesem Projekt werden Methoden zur Online-Rekonfiguration desKommunikationsnetzes auf Verteilnetzebene erforscht, die auf einem zweistufigenAnsatz für QoS-Bereitstellung basieren: Im ersten Schritt wird eine diskreteOptimierung verwendet, um auf der Basis einer topologischen Sicht auf dieRechen-, Speicher- und Kommunikationsressourcen eine Zuordnung von SGSs aufverfügbare Server und eine Flow Allocation im Kommunikationsnetzwerk zu finden.Im zweiten Schritt wird Network Calculus genutzt, um analytischsicherzustellen, dass alle kritischen SGSs ihre QoS-Anforderungen erfüllenkönnen. Der Effekt des zweistufigen Ansatzes für QoS-Bereitstellung wird dann simulativevaluiert. Die FAU konzentriert sich in derKooperation vorwiegend aus die Kommunikations- und QoS-Aspekte, während die UniversitätOldenburg in enger Zusammenarbeit überwiegend die Auswirkungen auf dasEnergienetz und die Rekonfiguration der Smart Grid Services betrachtet.

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Abstract:

Die Kooperation der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg mit der ND SatCom GmbH hat im Vorhaben QUICSAT das gemeinsame Ziel, Internetprotokolle und Anwendungen für geostationäre Satellitenverbindungen zu verbessern.Hierzu soll das Potenzial neuer Technologien (AQM, ECN, BBR und insbesondere QUIC) untersucht werden. Ultimatives Ziel ist es, dass Internet über Satellit eine ähnliche Performance wie terrestrische Internetanschlüsse aufweist.Die hohe Latenz bei Internet mit geostationären Satelliten, die momentane Architektur von Internetprotokollen sowie die stets steigende Komplexität von Internetanwendungen (insbesondere bei Webseiten) sind der Grund dafür, dass die Performance von Satelliteninternet geringer als die Performance von terrestrischen Internetanschlüssen ist, auch wenn die Datenraten vergleichbar sind. Neuere Quality of Service-Mechanismen (QoS), wie sie für das Internet entwickelt wurden, finden bei der Satellitenkommunikation momentan noch keine Anwendung. Bei QUIC (potenzieller Nachfolger für TCP) besteht zudem die Gefahr, dass sich aufgrund der Nichtanwendbarkeit von PEPs die Performance von Satelliteninternet sogar verschlechtert.Das Projekt liefert einen Beitrag zur Protokollerforschung, Standardisierung und bei begleitenden Referenz-Implementierungen.

Externe Partner:

• ND SatCom GmbH

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Abstract:

The TCP performance over satellite communications has become a well-known problem, following significant experimentation with Internet services over satellite since the '90s. Several tailored TCP optimisations have been introduced (mainly implementing changes at the sender side, but also at the receiver side in some proposals). In parallel, given the challenge of installing tailored TCP versions directly in the end user system, a set of architectural extensions have been introduced culminating in the concept of a Performance Enhancing Proxy (PEP, RFC 3135), whereby a native end-to-end TCP connection is now commonly split into a series of multiple connection (a split TCP concept). This allows a tailored TCP to be deployed on the satellite link (i.e., between the satellite terminals and gateways to be optimised). Though largely used since the early 2000's, PEPs have always been unable to enhance non-TCP protocols or VPN connections traversing the satellite network segment. Application-layer compression and acceleration was also provided in some PEPs.

Since 2000, there has been a continued effort to evolve the protocol stack for Internet web services, with several updates to the protocols for HTTP-based services. A design of HTTP by Google, known as SDPY, was standardised as HTTP/2. This provided significant improvements in download speed of satellite, but at the same time deployed application-layer encryption and compression – making application-layer acceleration dependent on using an authenticated proxy and impossible within a PEP.

A more recent Google proposal (known as gQUIC) sought a transport other than TCP that uses a UDP substrate with transport encryption. This effort evolved in standardisation by the Internet Engineering Task Force (IETF) and was finally published as IETF QUIC (RFC 9000) in 2021. QUIC is specified for use with HTTP/3, a replacement for HTTP2/TCP. The main leap from classical HTTP services over TCP is in that QUIC uses encrypted datagram connections, with congestion control, flow control, NAT-rebinding and migration algorithms directly implemented within the QUIC protocol. Following standardisation, QUIC and HTTP/3 have been implemented and have been rapidly deployed to the Internet.

Hence, the design rationale of QUIC intrinsically prevents using a classical PEP solution for the optimisation of performance over a satellite system.  Whilst the application-layer performance of HTTP/3 resembles or improves on that of HTTP/2, and the transport design has been shown to operate correctly over satellite with respect to initialisation, protocol timers, and other core functions, experiments have shown that performance of QUIC operated end-to-end over paths comprising a satellite network segment can be lower than offered by TCP using a PEP. This has motivated the scientific community and the satellite industry to think of alternative solutions for QUIC congestion control (CC) to accelerate with the QUIC performance degradation, which is still now at the early stages. QUIC has also been suggested for other applications.

The German Aerospace Center (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), University of Aberdeen, and Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg have built a consortium that is committed to thoroughly analyse the existing approaches and options to improve the performance of TCP over satellite network segment and apply the most appropriate concepts to QUIC congestion control mechanisms as well as understanding the implications of deploying the new approaches as a part of a secure end-to-end architecture. As a result, a novel algorithm will be defined and then verified against the relevant technical requirements. Finally, the resulting new QUIC specifications will be validated using real satellite trials in exemplar scenarios.

Externe Partner:

• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) / German Aerospace Center
• University of Aberdeen

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Abstract:

Die Kooperation bestehend aus Airbus Defence and Space GmbH, Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen, Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg und der ZF Friedrichshafen AG hat das gemeinsame Ziel, die Konnektivität für automobile Anwendungen in hybriden Satelliten und terrestrischen 5G Netzwerken mittels künstlicher Intelligenz zu erforschen und optimieren.

Die FAU arbeitet hierzu schwerpunktmäßig an Konzepten zur Integration automobiler Anwendungen, der Erstellung eines Simulationsmodells zur Kombination von Fahrzeug- und Satellitenkommunikation, der Einbindung von KI-Algorithmen, der Leistungsbewertung und Optimierung von Quality-of-Service relevanten Netzwerk- und Protokollaspekten sowie der Umsetzung in einem Echtzeit-Demonstrator. Ergebnisse sollen bei wissenschaftlichen Konferenzen vorgestellt werden und in die Standardisierung von 5G und zukünftigen 6G Netzwerken eingebracht werden.

Externe Partner:

• Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS)
• Airbus Defence and Space GmbH
• ZF Friedrichshafen AG