Echtzeitfähiges Publish/Subscribe für das industrielle Internet-der-Dinge

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gero Mühl; Professor Dr.-Ing. Dirk Timmermann
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410407136

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Time-Sensitive Networking (TSN) und Software-Defined Networking (SDN) haben die Netzwerktechnologie in den letzten Jahren revolutioniert, indem sie die Zuverlässigkeit, Vorhersagbarkeit, Leistungsfähigkeit und Flexibilität von Netzwerken verbessern und neue Anwendungen ermöglichen. Das DFG-Projekt baute auf diesen beiden Technologien auf und zielte vor allem darauf ab, Flexibilität und Vorhersagbarkeit für Echtzeitanwendungen miteinander zu vereinen. Echtzeitfähiges Publish/Subscribe spielte hierbei eine entscheidende Rolle, da es die effiziente und zuverlässige Kommunikation von Daten in Echtzeit ermöglicht. Das Projekt entwickelte innovative Lösungen, die die Flexibilität von SDN mit der Echtzeitfähigkeit von TSN kombinieren. Ein Schwerpunkt lag auf der Offline-Planung von zeitgesteuertem Echtzeit-Datenverkehr mit Hilfe eines Integer Linear Programming (ILP)-Modells, das gemeinsam genutzte Netzwerkpfade sowie Sendezeitpunkte plant. Ein weiterer Schwerpunkt war das zustandslose und das zustandsbehaftete Publish/Subscribe-Routing, das die Realisierung flexibler Routing-Strategien für Echtzeitdaten ermöglicht. Mit Hilfe der SDN-Technologie P4 wurden innovative Source Routing-Ansätze entwickelt, die eine optimierte Datenverteilung in Netzwerken mit hoher Dynamik und Komplexität ermöglichen. Darüber hinaus wurden im Rahmen des Projekts fortgeschrittene Methoden für das Verkehrsmanagement in zeitsensitiven Netzwerken entwickelt. Diese ermöglichen es, den Datenverkehr in Echtzeit zu steuern und sicherzustellen, dass kritische Daten mit höchster Priorität und Zuverlässigkeit übertragen werden. Um die die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der entwickelten Lösungen zu evaluieren, wurden umfangreiche Simulationen und Testumgebungen implementiert. Diese ermöglichten es, diverse Szenarien zu simulieren und die Auswirkungen von Netzwerkänderungen und -rekonfigurationen zu analysieren. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse des Projekts wesentlich dazu bei, die Grundlagen für die Vernetzung rekonfigurierbarer Produktionszellen in Smart Factories zu schaffen und die Entwicklung innovativer Anwendungen in unterschiedlichen Branchen voranzutreiben. Die Integration von Flexibilität, Determinismus und echtzeitfähigem Publish/Subscribe in Netzwerken schafft neue Möglichkeiten für effiziente und zuverlässige Echtzeitanwendungen, die einen wesentlichen Beitrag zur Digitalisierung und Vernetzung verschiedener Industriezweige leisten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Flexible Notification Forwarding for Content-Based Publish/Subscribe Using P4. 2019 IEEE Conference on Network Function Virtualization and Software Defined Networks (NFV-SDN), 1-5. IEEE.
  Wernecke, Christian; Parzyjegla, Helge; Muhl, Gero; Schweissguth, Eike & Timmermann, Dirk
  
• An OPC UA-based Crane Model Using Time-Sensitive Networking Technology. 2020 IEEE Conference on Industrial Cyberphysical Systems (ICPS), 537-542. IEEE.
  Golatowski, Frank; Raddatz, Hannes; Holzke, Fabian; Janchivnyambuu, Enkhtuvshin; Danielis, Peter & Timmermann, Dirk
  
• Estimators for Time Synchronization—Survey, Analysis, and Outlook. IoT, 1(2), 398-435.
  Puttnies, Henning; Danielis, Peter; Sharif, Ali Rehan & Timmermann, Dirk
  
• ILP-Based Routing and Scheduling of Multicast Realtime Traffic in Time-Sensitive Networks. 2020 IEEE 26th International Conference on Embedded and Real-Time Computing Systems and Applications (RTCSA). IEEE.
  Schweissguth, Eike; Timmermann, Dirk; Parzyjegla, Helge; Danielis, Peter & Muhl, Gero
  
• Stitching Notification Distribution Trees for Content-based Publish/Subscribe with P4. 2020 IEEE Conference on Network Function Virtualization and Software Defined Networks (NFV-SDN), 100-104. IEEE.
  Wernecke, Christian; Parzyjegla, Helge; Muhl, Gero; Danielis, Peter; Schweissguth, Eike & Timmermann, Dirk
  
• „Automatic Configuration of a TSN Network for SDC-based Medical Device Networks“. In: 2020 16th IEEE International Conference on Factory Communication Systems (WFCS). 2020.
  Benjamin Rother, Martin Kasparick, Eike Schweißguth, Frank Golatowski & Dirk Timmermann
  
• „Content-based Publish/Subscribe in Softwaredefined Networks“. In: 2. GI/ITG KuVS-Fachgespräch Network Softwarization. Universität Tübingen, Germany. März 2020.
  Helge Parzyjegla, Christian Wernecke & Gero Mühl
  
• „Dynamic Migration of Real-Time Traffic Flows in SDN-Enabled Network“. In: 2. GI/ITG KuVS-Fachgespräch Network Softwarization. Universität Tübingen. 2020.
  Peter Danielis, György Dán, James Gross & André Berger
  
• „Realtime Publish/Subscribe for the Industrial Internet of Things“. In: 2. GI/ITG KuVS-Fachgespräch Network Softwarization. Universität Tübingen. 2020.
  Eike Schweissguth, Helge Parzyjegla, Peter Danielis, Gero Mühl & Dirk Timmermann
  
• „Frame Replication and Elimination for Reliability in Time-Sensitive Networks“. In: 8th OMNeT++ Community Summit (OSC 2021)
  Peter Danielis, Helge Parzyjegla, Gero Mühl, Eike Schweissguth & Dirk Timmermann
  
• Evaluating P4-based Virtual Delivery Trees for Content-based Publish/Subscribe. 2022 IEEE Conference on Network Function Virtualization and Software Defined Networks (NFV-SDN), 78–84.
  Wernecke, Christian; Parzyjegla, Helge; Muhl, Gero; Danielis, Peter; Schweissguth, Eike & Timmermann, Dirk
  
• Virtual Delivery Trees Evaluation Results. Version 1.0. Sep. 2022.
  Christian Wernecke, Hege Parzyjegla & Gero Mühl
  
• „A Simulation Model for Investigating Clock Synchronization Issues in Time-Sensitive Networks“. In: 3. GI/ITG KuVS-Fachgespräch Network Softwarization. Universität Tübingen, Germany. 2022.
  eter Danielis, Helge Parzyjegla, Yasir Rashid, Eike Schweissguth, Gero Mühl & Dirk Timmermann
  
• „Fast Publish/Subscribe Using Linux eBPF“. In: 3. GI/ITG KuVS-Fachgespräch Network Softwarization. Universität Tübingen, Germany. Apr. 2022.
  Michael Tatarski, Helge Parzyjegla, Peter Danielis & Gero Mühl
  
• „P4-programmable Data Plane for Content-based Publish/Subscribe“. In: 3. GI/ITG KuVS-Fachgespräch Network Softwarization. Universität Tübingen, Germany. 2022.
  Christian Wernecke, Helge Parzyjegla & Gero Mühl
  
• Towards Reliable and Safe Networked Applications. 2023 IEEE Conference on Network Function Virtualization and Software Defined Networks (NFV-SDN), 189-192. IEEE.
  Brekenfelder, Willi; Parzyjegla, Helge & Mühl, Gero
  
• TSN Scheduler Benchmarking. 2023 IEEE 19th International Conference on Factory Communication Systems (WFCS), 1-8. IEEE.
  Schweissguth, Eike; Parzyjegla, Helge; Danielis, Peter; Mühl, Gero; Timmermann, Dirk; Mehner, Stefan; Hohlfeld, Oliver; Hellmanns, David & Falk, Jonathan
  
• TSN Scheduler Benchmarking: Results v1.0.0. März 2023.
  Eike Schweissguth, Stefan Mehner & David Hellmanns
  
• TSN Scheduler Benchmarking: Scenarios v1.0.0. März 2023.
  Eike Schweissguth, Stefan Mehner & David Hellmanns