Master Thesis MSTR-2021-91

BibliographyLaidig, Robin: Design, Implementierung und Analyse eines flexiblen Dienstgütemodells für zeitsensitive Kommunikationsdienste.
University of Stuttgart, Faculty of Computer Science, Electrical Engineering, and Information Technology, Master Thesis No. 91 (2021).
94 pages, german.
Abstract

Viele vernetzte Anwendungen, wie beispielsweise vernetzte Regelungssysteme, sind latenzsensitive Systeme, die beschränkte maximale Verzögerungen im Netzwerk benötigen. Typische Qualityof- Service-Modelle (QoS-Modelle) unterteilen darum den Netzwerkverkehr in die beiden Klassen „Echtzeit“ und „Best-Effort“. Solange sich ein Strom an die vereinbarte Verkehrsspezifikation hält, erhält sein gesamter Netzwerkverkehr die Garantien des Echtzeitverkehrs. Diese Garantien sind aus Sicht des Netzwerks teuer, da sie reservierte Ressourcen benötigen. Es muss aber nicht für jede Netzwerkübertragung einer Anwendung eine deterministische Garantie für die Verzögerung vorhanden sein. Beispielweise genügt es für die Stabilität eines Networked Control System (NCS), wenn nur eine wohldefinierte Teilmenge an Sensorwerten mit deterministischen Echtzeitgarantien transportiert wird. Alle darüber hinaus erhaltenen Werte sind nicht mehr kritisch für die Stabilität, können aber die Performance (Regelgüte) des Systems verbessern. Für diese Werte genügt es, wenn sie mit schwächeren Garantien oder gar mit Best-Effort-Garantien übermittelt werden. An diesem Beispiel wird deutlich, dass ein Spektrum an Qualität existiert, das von garantierten kleinen Latenzen bis zu keinen Latenzgarantien reicht. Das typische zwei-Klassen-Modell bietet jedoch nicht die nötige Flexibilität, um dieses Spektrum abzudecken. Hierfür werden flexiblere QoS-Modelle benötigt, die eine feingranulare Abstufung zwischen der Echtzeit- und Best-Effort-Klasse unterstützen. Ein möglicher Ansatz ist die Erweiterung des bekannten IntServ-Modells, welches im ersten Teil dieser Arbeit untersucht wird. Um die Skalierungsprobleme von IntServ zu überwinden, wird außerdem ein neu konzipiertes Modell auf Basis einer Multi-Level-Feedback-Queue (MLFQ) vorgestellt. Dieses Modell benötigt keine separaten Warteschlangen pro Strom bei jedem Router und ermöglicht es, Ströme anhand ihres Sendeverhaltens dynamisch in verschiedene Prioritäten einzuordnen. Dabei ist die Einordnung für die Anwendung berechenbar, sodass ihr ein Anreiz zur Selbstregulierung gegeben wird. Anwendungen, die sich aus Sicht des Netzwerks kooperativ verhalten und wenige, kleine Bursts senden, sollen durch eine höhere Priorität mit einem besseren Quality-of-Service belohnt werden. Je höher die Priorität eines Stroms bei den einzelnen Routern ist, desto bessere Garantien und niedrigere Verzögerungen erhält er. Gleichzeitig profitiert das Netzwerk von den kooperativen Strömen, da sie einen geringeren Ressourcenverbrauch und eine bessere Ressourcennutzung ermöglichen. Für dieses Modell werden sowohl die konzeptionellen Eigenschaften und Berechnungen der Garantien gezeigt, als auch praktische Implementierungsdetails. Die Funktionsweise und Parametrisierung dieses neuen Modells werden zum Abschluss mit einem Netzwerksimulator evaluiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die berechneten Garantien zuverlässig eingehalten werden und die Verzögerungen häufig sogar über 50% geringer sind. Außerdem wurde gezeigt, dass das Verfahren die Ausgangsbandbreite eines Routers zu 100% nutzen kann und keine Bandbreite durch die zugesicherten Garantien verloren geht.

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Volltext
Department(s)University of Stuttgart, Institute of Parallel and Distributed Systems, Distributed Systems
Superviser(s)Rothermel, Prof. Kurt; Dürr, Dr. Frank
Entry dateApril 26, 2022
   Publ. Computer Science