论文标题： Service Guarantees for Time-Sensitive Software-Defined Networks
作者信息： Weijiang Kong
论文出处： Eindhoven University of Technology, 2025年1月20日

摘要： 在过去十年中，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方面经历了快速增长。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各种要求，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。作为统一的连接方式，TSSDN必须处理具有多样化要求的流量。控制相关流通常请求严格的时序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整个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利用其灵活性。例如，如何在应用的截止时间内找到运行时配置。在这篇论文中，我们为TSSDN中的多样化流量开发了技术，以在各种场景下保持服务保证。我们做出了四项贡献，如下所述。我们的第一项贡献解决了使用TSSDN的重新配置能力在运行时恢复故障的基本问题之一：是否可以在响应时间限制内计算恢复路线和时间表。我们提出了一个三模式方法来在运行时恢复TSSDN中的安全关键流。当发生故障时，TSSDN利用其SDN能力重新路由流以维持功能。如果不可行，则通过模式切换降级服务。为了满足严格的响应时间要求，我们提出了两种方法来计算恢复路线和时间表，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。我们还开发了基于响应时间和可靠性影响评估这些解决方案的方法。我们的评估表明，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，同时计算时间在100毫秒内。我们的第二项贡献弥合了TSSDN的动态恢复行为与其设计时可靠性要求之间的差距。我们提出了一个设计时网络规划方法，为受运行时恢复保护的TSSDN提供保证的可靠性。我们的解决方案探索了拓扑设计和ASIL分配问题，使用强化学习（RL）。我们开发了RL代理构建网络拓扑的技术，基于动态动作空间。此外，我们实现了RL环境，检查TSSDN以强制执行其特定领域的可靠性要求。与传统手动设计相比，我们的解决方案可以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。我们的第三项贡献将可组合性引入了软实时流的管理方案。因此，修改运行时的流不会破坏其他流量类别中已建立的时序保证。我们提出了一个按类别管理的方案，以可组合的方式设计。为了隔离不同流量类别之间的管理逻辑，我们提出了可组合的最坏情况端到端延迟（WCED）分析，无需知道其他流量类别的确切流设置即可获得延迟界限。基于此分析，可以独立处理各个流量类别的动态路由请求。根据我们的实验，可组合分析带来了2.6倍的速度提升，而找到一个流的路由平均需要0.14秒。在最后一项贡献中，我们开发了一个基本的见解，导致了一种高度可扩展的方法，用于在网络启动时合成软实时流的配置。与现有工作通过路由强制延迟保证不同，我们的见解是通过带宽分配来解决延迟保证问题，这显著降低了问题的复杂性。我们进一步分析了软实时流的WCED，并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。这允许我们将AVB流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。我们的解决方案将带宽分配和路由方法结合起来，与现有设计时解决方案相比，速度提高了14.3倍。

第1章 引言 介绍了汽车网络在过去十年中的发展，以及TSN和SDN的结合如何满足汽车系统对有界延迟和传输可靠性的要求。讨论了TSSDN面临的挑战，包括如何在保持服务保证的同时利用SDN的灵活性，以及新兴应用对新服务保证的需求。提出了论文的主要贡献，包括运行时恢复、设计时网络规划、软实时流的可组合管理以及网络启动时的配置合成。

第2章 背景和系统模型 介绍了TSN网络的建模，包括网络拓扑、流量建模、TSN中的流量整形以及TT流量的调度模型。还讨论了AVB流量的端到端延迟分析。

第3章 TT流量的运行时恢复 提出了一个三模式方法来在运行时恢复TSSDN中的TT流量。当发生故障时，TSSDN尝试通过重新路由流量来维持功能。如果不可行，则通过模式切换降级服务。提出了两种方法来计算恢复路线和时间表，包括基于ILP的方法和多项式时间启发式算法。还开发了基于响应时间和可靠性影响评估这些解决方案的方法。

第4章 基于RL的TSSDN网络规划 提出了一个设计时网络规划方法，为受运行时恢复保护的TSSDN提供保证的可靠性。解决方案探索了拓扑设计和ASIL分配问题，使用强化学习（RL）。开发了RL代理构建网络拓扑的技术，基于动态动作空间。此外，实现了RL环境，检查TSSDN以强制执行其特定领域的可靠性要求。

第5章 AVB流量的按类别管理 提出了一个按类别管理的方案，以可组合的方式设计。为了隔离不同流量类别之间的管理逻辑，提出了可组合的最坏情况端到端延迟（WCED）分析，无需知道其他流量类别的确切流设置即可获得延迟界限。基于此分析，可以独立处理各个流量类别的动态路由请求。

第6章 AVB流量的路由和带宽分配 提出了一个高度可扩展的方法，用于在网络启动时合成软实时流的配置。通过带宽分配来解决延迟保证问题，这显著降低了问题的复杂性。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AVB流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。

第7章 结论和未来工作 总结了论文的主要贡献，并讨论了未来研究的机会。提出了管理大规模TSSDN、可靠控制逻辑、对损坏和攻击的弹性以及运行时恢复的形式化验证等未来研究方向。