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KR102771103B1 - Routing and scheduling method and system for FRER under time-sensitive networking - Google Patents

Routing and scheduling method and system for FRER under time-sensitive networking Download PDF

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KR102771103B1
KR102771103B1 KR1020220162889A KR20220162889A KR102771103B1 KR 102771103 B1 KR102771103 B1 KR 102771103B1 KR 1020220162889 A KR1020220162889 A KR 1020220162889A KR 20220162889 A KR20220162889 A KR 20220162889A KR 102771103 B1 KR102771103 B1 KR 102771103B1
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scheduling
routing
frer
order
link
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백정엽
민준홍
김웅수
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중앙대학교 산학협력단
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
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Abstract

시민감 네트워킹에서 FRER을 위한 라우팅 및 스케줄링 방법과 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시민감 네트워킹에서 FRER을 위한 라우팅 및 스케줄링 방법은, (a) 새로 생성된 멤버 스트림의 전달 스케줄이 모든 이전 멤버 스트림의 예상 도착 시간 이후가 되도록 하는 MWF 제약 조건을 설정하는 단계; (b) 다중 경로 라우팅부에서 중복-가중 다중 경로 라우팅(RWMR)을 수행하여 고정된 다중 경로 집합을 획득하는 단계; (c) 스케줄링부에서 상기 다중 경로 집합을 기반으로 입력 흐름의 순서대로 각 흐름의 스케줄을 생성하는 단계; (d) 최적화부에서 상기 입력 흐름의 순서를 변경하여 대기 시간 기한을 충족하는 흐름의 수를 최대화하는 흐름 스케줄링 순서를 찾는 단계; (e) 상기 흐름 스케줄링 순서에 따라 스케줄링을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.A routing and scheduling method and system for FRER in citizen-centric networking are disclosed. A routing and scheduling method for FRER in citizen-centric networking according to one embodiment of the present invention may include: (a) setting an MWF constraint that ensures that a transmission schedule of a newly generated member stream is after the expected arrival time of all previous member streams; (b) performing redundant-weighted multi-path routing (RWMR) in a multi-path routing unit to obtain a fixed multi-path set; (c) generating a schedule for each flow in the order of input flows based on the multi-path set in a scheduling unit; (d) finding a flow scheduling order that maximizes the number of flows that satisfy a waiting time deadline by changing the order of the input flows in an optimization unit; (e) performing scheduling according to the flow scheduling order.

Description

시민감 네트워킹에서 FRER을 위한 라우팅 및 스케줄링 방법과 시스템{Routing and scheduling method and system for FRER under time-sensitive networking}Routing and scheduling method and system for FRER under time-sensitive networking

본 발명은 시민감 네트워킹에서 FRER(Frame Replication and Elimination for Reliability, 프레임 복제 및 제거)을 위한 라우팅 및 스케줄링 방법과 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a routing and scheduling method and system for FRER (Frame Replication and Elimination for Reliability) in citizen sensor networking.

IEEE Time-Sensitive Networking Task Group은 산업용 네트워크의 결정적 및 실시간 통신, 안정성 및 호환성 문제를 해결하기 위해 Time-Sensitive Networking (이하, 'TSN' 혹은 '시민감 네트워킹')에 대한 일련의 표준 및 수정안을 제안하고 있다. The IEEE Time-Sensitive Networking Task Group is proposing a series of standards and amendments to Time-Sensitive Networking (hereinafter referred to as 'TSN' or 'Citizen Sensitive Networking') to address deterministic and real-time communication, reliability, and interoperability issues in industrial networks.

TSN은 맞춤형 산업용 네트워크를 고품질 서비스(QoS) 요구사항으로 대체할 수 있으며, 저렴한 비용으로 일반 이더넷 기반 기술과 산업용 이더넷 기반 기술의 공존을 실현하고 있다. TSN can replace customized industrial networks with high quality of service (QoS) requirements, and realizes coexistence of general Ethernet-based technologies and industrial Ethernet-based technologies at low cost.

이를 위해 TSN은 IEEE 802.1Qbv라는 하위 표준을 통해 'Time-Aware Shaper (이하 'TAS'라 칭함)' 메커니즘을 제공하고, 결정적인 통신이 필요한 중요한 트래픽들을 주기성을 가지는 시민감 트래픽으로 고려하여 전송스케줄을 스케줄링한다. TSN은 이렇게 사전에 생성된 전송스케줄을 이용하여 트래픽의 요구조건(결정적 통신)들을 달성한다. To this end, TSN provides a 'Time-Aware Shaper (hereinafter referred to as 'TAS')' mechanism through a sub-standard called IEEE 802.1Qbv, and schedules transmission schedules considering important traffic requiring deterministic communication as periodic citizen-centric traffic. TSN achieves traffic requirements (deterministic communication) by utilizing transmission schedules generated in advance.

그러나 아무리 잘 구성된 전송 스케줄도 링크 장애(link-failure)와 같은 예기치 못한 상황에서는 결정적 통신을 보장할 수 없다. 따라서, TSN Task Group은 IEEE 802.1CB라는 표준을 통해 'Frame Replication and Elimination for Reliability (이하 'FRER'이라 칭함)'이라는 메커니즘을 제안하여 다중 경로 전송을 통해 네트워크 장애에서도 결정적 통신을 최대한 보장하고 전송 신뢰성을 높이고자 하고 있다. However, no matter how well-structured the transmission schedule is, it cannot guarantee deterministic communication in unexpected situations such as link failure. Therefore, the TSN Task Group proposed a mechanism called 'Frame Replication and Elimination for Reliability (hereinafter referred to as 'FRER')' through a standard called IEEE 802.1CB to guarantee deterministic communication as much as possible and increase transmission reliability even in network failures through multi-path transmission.

따라서, FRER의 메커니즘은 다중 경로 라우팅을 요구하며, TSN의 TAS 스케줄링 또한 별도의 스케줄링 기법을 요구하게 된다. 그러나 TSN의 하위 표준들은 이러한 라우팅 및 TAS 스케줄링 기법에 대한 별도의 방법을 제공하지는 않는다. Therefore, the FRER mechanism requires multi-path routing, and TSN's TAS scheduling also requires a separate scheduling technique. However, the sub-standards of TSN do not provide separate methods for these routing and TAS scheduling techniques.

TSN에서의 단일 경로 라우팅 및 스케줄링에 관한 다양한 연구가 진행되고 있지만, FRER을 위한 다중 경로를 고려한 라우팅 및 스케줄링 연구는 없는 상황이다. Although there are various studies on single-path routing and scheduling in TSN, there is no study on routing and scheduling considering multiple paths for FRER.

FRER은 복수의 경로를 사용해 동일한 내용의 패킷을 보냄으로써 큰 대역폭의 소비를 일으키고, TAS 스케줄링을 보다 어렵게 만든다. 이는 결국 TAS 스케줄링 구성 실패 가능성을 높이기 때문에, FRER을 TSN에 적용하면서도 TAS 스케줄링 성공률을 높이기 위한 일련의 복합적인 방법이 필요한 상황이다. FRER consumes a large amount of bandwidth by sending packets with the same content using multiple paths, and makes TAS scheduling more difficult. This ultimately increases the possibility of TAS scheduling configuration failure, so a series of composite methods are needed to apply FRER to TSN while increasing the success rate of TAS scheduling.

한국공개특허 제10-2014-0093969호 (2014.07.29. 공개) - 시간 민감 데이터의 송신을 조정하기 위한 방법 및 장치Korean Patent Publication No. 10-2014-0093969 (Published on July 29, 2014) - Method and device for coordinating transmission of time-sensitive data

본 발명은 FRER을 효율적으로 적용하기 위해 새롭게 정의된 TAS 스케줄링 메커니즘 및 기법과 다중 경로 라우팅 기법을 이용하고, 메타휴리스틱 알고리즘에 기반을 둔 최적화 알고리즘을 적용하여 스케줄링 성공률을 높일 수 있는 시민감 네트워킹에서 FRER을 위한 라우팅 및 스케줄링 방법과 시스템을 제공하기 위한 것이다. The present invention provides a routing and scheduling method and system for FRER in citizen-centered networking, which can increase the scheduling success rate by utilizing a newly defined TAS scheduling mechanism and technique and a multi-path routing technique to efficiently apply FRER, and by applying an optimization algorithm based on a metaheuristic algorithm.

본 발명은 TAS 스케줄링과 다중 경로 라우팅의 통합 기법이 가지는 실용적인 한계를 인지하고 스케줄링과 다중 경로 라우팅을 분리하여 현실적인 솔루션을 제공하며, 멤버 대기 및 전달(MWF) 스케줄링을 통해 대역폭을 절약하고 다양한 상황에서도 더 높은 스케줄링 가능성을 보장할 수 있는 시민감 네트워킹에서 FRER을 위한 라우팅 및 스케줄링 방법과 시스템을 제공하기 위한 것이다.The present invention recognizes the practical limitations of the integrated technique of TAS scheduling and multi-path routing, and provides a realistic solution by separating scheduling and multi-path routing, and provides a routing and scheduling method and system for FRER in citizen-friendly networking, which can save bandwidth through member standby and forward (MWF) scheduling and ensure higher scheduling possibility in various situations.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention will be readily understood through the following description.

본 발명의 일 측면에 따르면, 시민감 네트워킹에서 FRER을 위한 라우팅 및 스케줄링 방법으로서, (a) 새로 생성된 멤버 스트림의 전달 스케줄이 모든 이전 멤버 스트림의 예상 도착 시간 이후가 되도록 하는 MWF 제약 조건을 설정하는 단계; (b) 다중 경로 라우팅부에서 중복-가중 다중 경로 라우팅(RWMR)을 수행하여 고정된 다중 경로 집합을 획득하는 단계; (c) 스케줄링부에서 상기 다중 경로 집합을 기반으로 입력 흐름의 순서대로 각 흐름의 스케줄을 생성하는 단계; (d) 최적화부에서 상기 입력 흐름의 순서를 변경하여 대기 시간 기한을 충족하는 흐름의 수를 최대화하는 흐름 스케줄링 순서를 찾는 단계; (e) 상기 흐름 스케줄링 순서에 따라 스케줄링을 수행하는 단계를 포함하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법이 제공된다. According to one aspect of the present invention, a routing and scheduling method for FRER in a citizen-centric network is provided, comprising the steps of: (a) setting an MWF constraint such that a transmission schedule of a newly generated member stream is after an expected arrival time of all previous member streams; (b) performing redundant-weighted multi-path routing (RWMR) in a multi-path routing unit to obtain a fixed multi-path set; (c) generating a schedule for each flow in the order of input flows based on the multi-path set in a scheduling unit; (d) finding a flow scheduling order that maximizes the number of flows that satisfy a waiting time deadline by changing the order of the input flows in an optimization unit; and (e) performing scheduling according to the flow scheduling order.

상기 단계 (b)에서 링크 중첩 횟수에 따라 링크 가중치를 조정하여 흐름당 P개의 경로를 생성하되, P는 사용자가 구성한 요청된 경로 다양성의 수일 수 있다.In the above step (b), P paths are generated per flow by adjusting the link weights according to the number of link overlaps, where P may be the number of requested path diversities configured by the user.

상기 단계 (b)는 이미 생성된 경로를 반환할 때 복제된 경로에 사용된 각 링크에 대해서 1/2 확률로 상기 링크 중첩 횟수를 증가시킬 수 있다.The above step (b) can increase the number of link overlaps with a probability of 1/2 for each link used in the replicated path when returning an already generated path.

상기 단계 (c)에서 상기 스케줄링부는 동일 링크를 사용하는 모든 다중 경로가 중첩 링크의 이전 링크까지 스케줄링되면 상기 중첩 링크를 스케줄링하고, 그렇지 않으면 다른 링크를 스케줄링할 수 있다.In the above step (c), the scheduling unit can schedule the overlapping link if all multi-paths using the same link are scheduled up to the previous link of the overlapping link, and otherwise schedule another link.

상기 단계 (c)에서 상기 스케줄링부는 각 링크에 대해 가변 길이 슬롯을 스케줄링하되, MWF 제약 조건을 충족하는 시간에 스케줄링 가능한 슬롯이 발견되면 스케줄링이 수행되며, 사용된 슬롯을 제외한 나머지 슬롯을 새로 사용 가능한 슬롯으로 슬롯 목록에 추가할 수 있다.In the above step (c), the scheduling unit schedules a variable length slot for each link, and if a schedulable slot is found at a time that satisfies the MWF constraint, scheduling is performed, and the remaining slots, excluding the used slots, can be added to the slot list as newly available slots.

상기 단계 (c)에서 상기 스케줄링부는 동일한 입력에 대해 동일한 결정적 TAS 스케줄 결과를 반환하는 휴리스틱 방식으로 스케줄링을 수행할 수 있다.In the above step (c), the scheduling unit can perform scheduling in a heuristic manner that returns the same deterministic TAS schedule result for the same input.

상기 단계 (d)는 입자 군집 최적화(PSO, particle swarm optimization) 기반 투표(PSVO)를 적용하여 최적화를 수행할 수 있다.The above step (d) can perform optimization by applying particle swarm optimization (PSO)-based voting (PSVO).

상기 PSVO는 스왑 시퀀스 PSO(SSPSO) 기반의 솔루션 투표(SV) 프로세스와 SA(Simulated Annealing) 기반의 솔루션 미세 조정(SF) 프로세스를 수행할 수 있다.The above PSVO can perform a solution voting (SV) process based on swap sequence PSO (SSPSO) and a solution fine-tuning (SF) process based on Simulated Annealing (SA).

상기 솔루션 투표(SV) 프로세스는, (SV-1) 여러 개의 초기 스케줄링 순서를 생성한 다음 비용을 계산하고, 각 입자에 대한 베스트 초기 스케줄링 순서 및 비용을 업데이트하는 단계와; (SV-2) 각 입자의 스케줄링 순서 중 비용이 가장 좋은 스케줄링 순서를 기억하는 단계와; (SV-3) 각 입자의 현재 솔루션에 대해 지정된 스왑 작업을 수행하는 단계와; (SV-4) 동일한 비용을 가진 입자의 비율이 수렴 기준치에 도달할 때까지 (SV-1) 내지 (SV-3) 단계를 반복하는 단계를 포함할 수 있다.The above solution voting (SV) process may include: (SV-1) generating multiple initial scheduling orders and then calculating costs, and updating the best initial scheduling order and cost for each particle; (SV-2) remembering the scheduling order with the best cost among the scheduling orders of each particle; (SV-3) performing a designated swap operation on the current solution of each particle; and (SV-4) repeating steps (SV-1) to (SV-3) until the ratio of particles with the same cost reaches a convergence criterion.

상기 (SV-3) 단계에서 상기 지정된 스왑 작업에는, 각 입자의 현재 스케줄링 순서에 대한 무작위 스왑과, 현재 입자의 스케줄링 순서와 현재 입자의 베스트 스케줄링 순서 사이에 동일 인덱스 값이 다른 경우 현재 순서가 베스트 스케줄링 순서와 같도록 하는 입자 베스트 스왑과, 이전 세대까지 모든 입자에 의해 생성된 스케줄링 순서 중 가장 좋은 순서를 선택하는 군집 스왑이 포함될 수 있다.In the above (SV-3) step, the above-mentioned swap operation may include a random swap for the current scheduling order of each particle, a particle best swap that makes the current order the same as the best scheduling order if the same index value is different between the scheduling order of the current particle and the best scheduling order of the current particle, and a swarm swap that selects the best order among the scheduling orders generated by all particles up to the previous generation.

상기 솔루션 미세 조정(SF) 프로세스는 동일 비용을 가지는 여러 베스트 솔루션 중에서 입자가 집중된 솔루션이 선택되게 할 수 있다.The above solution fine-tuning (SF) process can select a solution with a concentrated particle count among several best solutions with the same cost.

한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 시민감 네트워킹에서 FRER을 위한 라우팅 및 스케줄링 시스템으로서, 중복-가중 다중 경로 라우팅(RWMR)을 수행하여 고정된 다중 경로 집합을 획득하는 다중 경로 라우팅부; 상기 다중 경로 집합을 기반으로 입력 흐름의 순서대로 각 흐름의 스케줄을 생성하는 스케줄링부; 및 상기 입력 흐름의 순서를 변경하여 대기 시간 기한을 충족하는 흐름의 수를 최대화하는 흐름 스케줄링 순서를 찾는 최적화부를 포함하되, 상기 스케줄링부는 상기 흐름 스케줄링 순서에 따라 스케줄링을 수행하고, 새로 생성된 멤버 스트림의 전달 스케줄이 모든 이전 멤버 스트림의 예상 도착 시간 이후가 되도록 하는 MWF 제약 조건이 기본 설정되는 것을 특징으로 하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 시스템이 제공된다. Meanwhile, according to another aspect of the present invention, a routing and scheduling system for FRER in citizen-centric networking is provided, comprising: a multi-path routing unit which performs redundant-weighted multi-path routing (RWMR) to obtain a fixed multi-path set; a scheduling unit which generates a schedule for each flow in the order of input flows based on the multi-path set; and an optimization unit which finds a flow scheduling order that maximizes the number of flows that satisfy a waiting time deadline by changing the order of the input flows, wherein the scheduling unit performs scheduling according to the flow scheduling order, and an MWF constraint is set as a default so that a transmission schedule of a newly generated member stream is after the expected arrival time of all previous member streams.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features and advantages other than those described above will become apparent from the following drawings, claims and detailed description of the invention.

본 발명의 실시예에 따르면, FRER을 효율적으로 적용하기 위해 새롭게 정의된 TAS 스케줄링 메커니즘 및 기법과 다중 경로 라우팅 기법을 이용하고, 메타휴리스틱 알고리즘에 기반을 둔 최적화 알고리즘을 적용하여 스케줄링 성공률을 높일 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, there is an effect of increasing the scheduling success rate by utilizing a newly defined TAS scheduling mechanism and technique and a multi-path routing technique to efficiently apply FRER, and applying an optimization algorithm based on a metaheuristic algorithm.

또한, TAS 스케줄링과 다중 경로 라우팅의 통합 기법이 가지는 실용적인 한계를 인지하고 스케줄링과 다중 경로 라우팅을 분리하여 현실적인 솔루션을 제공하며, 멤버 대기 및 전달(MWF) 스케줄링을 통해 대역폭을 절약하고 다양한 상황에서도 더 높은 스케줄링 가능성을 보장할 수 있는 효과도 있다. In addition, it recognizes the practical limitations of the integrated technique of TAS scheduling and multipath routing, and provides a realistic solution by separating scheduling and multipath routing, and it also has the effect of saving bandwidth through member standby and forwarding (MWF) scheduling and ensuring higher scheduling possibility in various situations.

도 1은 FRER가 적용되지 않은 경우와 적용된 경우 소스에서 목적지로의 다중 경로 구현 예시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시민감 네트워킹의 FRER용 라우팅 및 스케줄링 시스템의 구성 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시민감 네트워킹에서 FRER을 위한 라우팅 및 스케줄링 방법의 순서도,
도 4는 게이트 컨트롤 리스트(GCL)를 이용하여 각 큐에서 전송 게이트를 제어하는 스위치의 송신 포트에 있는 TAS의 개념도,
도 5는 IEEE 802.1CB FRER에서 관리하는 복합 프레임과 다중 멤버 스트림의 예시도,
도 6은 MWF의 제약조건 예시도,
도 7은 (중첩 링크를 대신한) 중첩 노드에서의 MWF 스케줄링이 가지는 데드락(deadlock) 문제점을 나타낸 도면,
도 8은 RWMR의 Under-Sum 정책의 문제점과 해결책,
도 9는 ILP 기반 접근 방식의 성능 분석 그래프,
도 10은 LATS의 슬롯 스케줄링을 나타낸 도면,
도 11은 네트워크 토폴로지 예시도,
도 12는 다양한 네트워크 토폴로지에서 3가지 스케줄링 알고리즘의 스케줄링 성공률 그래프,
도 13은 다양한 다중 경로 시나리오에서의 신뢰성 성능 그래프,
도 14는 LATS와 relaxedTT의 스케줄링 성능 그래프,
도 15는 LATS와 relaxedTT의 평균 링크 이용률 그래프,
도 16은 최대 라우팅 가능한 흐름 세트에 관한 비용 결과 그래프.
Figure 1 is an example of implementing multiple paths from source to destination when FRER is not applied and when FRER is applied.
FIG. 2 is a block diagram of a routing and scheduling system for FRER of a citizen-centric network according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart of a routing and scheduling method for FRER in citizen networking according to one embodiment of the present invention.
Figure 4 is a conceptual diagram of a TAS at a transmission port of a switch that controls transmission gates in each queue using a gate control list (GCL).
Figure 5 is an example of a composite frame and multi-member stream managed by IEEE 802.1CB FRER.
Figure 6 is an example of constraints of MWF.
Figure 7 is a diagram showing the deadlock problem of MWF scheduling in overlapping nodes (instead of overlapping links).
Figure 8 shows the problems and solutions of RWMR's Under-Sum policy.
Figure 9 is a performance analysis graph of the ILP-based approach.
Figure 10 is a diagram showing the slot scheduling of LATS.
Figure 11 is an example of a network topology.
Figure 12 is a graph of the scheduling success rates of three scheduling algorithms in various network topologies.
Figure 13 is a graph of reliability performance in various multi-path scenarios.
Figure 14 is a scheduling performance graph of LATS and relaxedTT.
Figure 15 is a graph of the average link utilization of LATS and relaxedTT.
Figure 16 is a cost result graph for the maximum routable flow set.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention can have various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood that it includes all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When it is said that a component is "connected" or "connected" to another component, it should be understood that it may be directly connected or connected to that other component, but that there may be other components in between. On the other hand, when it is said that a component is "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there are no other components in between.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only to distinguish one component from another.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprises" or "has" and the like are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part or combination thereof described in the specification, but should be understood to not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.In addition, it is to be understood that the components of the embodiments described with reference to each drawing are not limited to the embodiments described herein, and may be implemented to be included in other embodiments within the scope in which the technical spirit of the present invention is maintained, and that multiple embodiments may be reimplemented as one integrated embodiment even if a separate description is omitted.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, when describing with reference to the attached drawings, regardless of the drawing symbols, identical components are given identical or related reference symbols, and redundant descriptions thereof are omitted. When describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof is omitted.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Additionally, terms such as “part,” “unit,” “module,” and “device” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware, software, or a combination of hardware and software.

도 1은 FRER가 적용되지 않은 경우와 적용된 경우 소스에서 목적지로의 다중 경로 구현 예시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시민감 네트워킹의 FRER용 라우팅 및 스케줄링 시스템의 구성 블록도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시민감 네트워킹에서 FRER을 위한 라우팅 및 스케줄링 방법의 순서도이다. FIG. 1 is an example of implementing multiple paths from a source to a destination when FRER is not applied and when FRER is applied, FIG. 2 is a block diagram of a routing and scheduling system for FRER in citizen networking according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a flowchart of a routing and scheduling method for FRER in citizen networking according to an embodiment of the present invention.

FRER은 원본 복합 스트림(original compound stream)에 대한 복제된 멤버 스트림(replicated member stream)이라는 개념을 도입하고 있다. FRER은 교차 스위치(intersection switch)에서 프레임을 복제하고, 다중 경로를 통해 전송하여 링크 또는 스위치 장애로부터 신뢰성을 보장한다. 또한, 교차 스위치 병합 시 중복 프레임을 제거하여 불필요한 중복을 제거한다. 그러나 IEEE 802.1CB의 범위는 프레임 복제 및 제거로 제한된다. FRER introduces the concept of replicated member streams for the original compound stream. FRER replicates frames at intersection switches and transmits them through multiple paths to ensure reliability against link or switch failures. It also removes unnecessary duplication by removing duplicate frames when merging cross-switches. However, the scope of IEEE 802.1CB is limited to frame replication and removal.

소스와 목적지 쌍 사이에 완전히 분리된 경로는 일반 네트워크 토폴로지에서는 가정될 수 없다. 또한, 모든 소스-목적지 쌍에 대한 완전히 분리된 경로는 실제 시스템에서는 드물다. 따라서, FRER 및 지원 프로토콜은 일부 링크를 공유하는 부분적으로 분리된 경로에서도 작동해야 한다. 하지만, TAS 스케줄러가 멤버 스트림을 스케줄링하는 동안 교차 스위치에서 FRER에 의해 중복 프레임이 제거된다는 사실을 반영하지 않으면 결과 스케줄에는 이미 제거된 프레임이 할당된 중복 타임슬롯이 있게 된다. 이로 인해 스케줄링 가능성이 줄어들고 사용 가능한 대역폭이 줄어든다. Completely separate paths between source and destination pairs cannot be assumed in typical network topologies. Furthermore, completely separate paths for all source-destination pairs are rare in real systems. Therefore, FRER and its supporting protocols must work even on partially separated paths that share some links. However, if the TAS scheduler does not take into account the fact that duplicate frames are removed by FRER at the cross-switch while scheduling member streams, the resulting schedule will have duplicate timeslots that are already assigned to removed frames. This reduces the schedulability and reduces the available bandwidth.

도 1의 (a)는 소스-목적지 쌍 간의 다중 경로 구성 예를 보여주고 있다. 다중 경로는 여러 링크를 공유하며, FRER은 도 1의 (b)에 도시된 것과 같이 교차점에서 멤버 스트림의 제거 및 생성을 처리한다. 이 경우 도 1의 (a)가 아닌 도 1의 (b)를 기반으로 TAS 스케줄링을 수행할 필요가 있다. Fig. 1(a) shows an example of a multi-path configuration between a source-destination pair. The multi-path shares multiple links, and FRER handles the removal and creation of member streams at intersections, as shown in Fig. 1(b). In this case, it is necessary to perform TAS scheduling based on Fig. 1(b) rather than Fig. 1(a).

본 발명의 일 실시예에 따른 시민감 네트워킹의 FRER용 라우팅 및 스케줄링 시스템(100)은 멤버 스트림을 보낼 다중 경로를 찾고 선택하며, 프레임 복제 및 제거를 고려하여 TAS를 스케줄링하여 FRER이 작동하는 환경을 효과적으로 다루도록 한다. FRER의 특성을 잘 반영하도록(MWF) 라우팅 부분에 대해 휴리스틱을 적용하고(RWMR) 라우팅과 스케줄링을 따로 분리하여 속도를 개선하며, 스케줄링 부분에 대해서도 휴리스틱을 적용한 후(LATS) 메타휴리스틱 최적화 기법을 적용하여(PSVO) 라우팅 및 스케줄링 속도를 개선한 것을 특징으로 한다. A routing and scheduling system (100) for FRER of citizen-centric networking according to one embodiment of the present invention searches for and selects multiple paths for sending member streams, and schedules TAS by considering frame duplication and removal to effectively handle an environment in which FRER operates. In order to reflect the characteristics of FRER well (MWF), a heuristic is applied to the routing part (RWMR) and routing and scheduling are separated to improve speed, and a heuristic is applied to the scheduling part (LATS) and then a metaheuristic optimization technique is applied (PSVO) to improve the routing and scheduling speed.

기존의 TSN 연구들은 대부분 FRER을 고려하지 않고 단일 경로 라우팅에 대한 TAS 스케줄링을 고려하고 있었다. FRER을 다루는 TSN 연구들은 대부분 다중 경로 라우팅에 집중하고 있으며, TAS 스케줄링과의 연관성을 적극적으로 고려하지 않고 있다. FRER을 위한 다중 경로 라우팅과 TAS 스케줄링을 모두 고려하는 경우에도, 이로 인해 발생하는 높은 복잡성 및 FRER이 야기하는 단점에 대한 해결책이 부족하여 전송 신뢰성 또는 TAS 스케줄링 둘 중 하나를 성공적으로 달성하지 못하는 경우가 많다. 그리고 기존 연구들은 비교적 간단한 토폴로지 또는 적은 수의 시민감 트래픽을 고려하고 있어 실제 복잡한 산업 네트워크의 환경을 반영하기에는 무리가 있다. Most of the existing TSN studies have considered TAS scheduling for single-path routing without considering FRER. Most of the TSN studies dealing with FRER have focused on multi-path routing and have not actively considered the correlation with TAS scheduling. Even when considering both multi-path routing and TAS scheduling for FRER, there are many cases where either transmission reliability or TAS scheduling is not successfully achieved due to the high complexity caused by them and the lack of solutions for the disadvantages caused by FRER. In addition, existing studies have considered relatively simple topologies or a small number of civic traffic, making it difficult to reflect the environment of actual complex industrial networks.

TSN에서 FRER을 통해 전송 신뢰성을 높이면서도 복잡한 네트워크에 대한 성공적인 TAS 스케줄링을 보장하기 위해서는, FRER에 특화된 다중 경로 기법과 스케줄링 기법, 그리고 최적화를 고려한 복합적인 접근 방법이 고려될 필요가 있다. 따라서, 본 실시예는 이러한 점을 고려한 복합적인 접근 기법이 적용한 시스템에 관한 것이다. In order to ensure successful TAS scheduling for complex networks while increasing transmission reliability through FRER in TSN, a hybrid approach considering multi-path techniques, scheduling techniques, and optimization specialized for FRER needs to be considered. Therefore, this embodiment relates to a system that applies a hybrid approach considering these points.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 시민감 네트워킹의 FRER용 라우팅 및 스케줄링 시스템(100)은 다중 경로 라우팅부(110), 스케줄링부(120), 최적화부(130)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the routing and scheduling system (100) for FRER of citizen-centered networking according to the present embodiment may include a multi-path routing unit (110), a scheduling unit (120), and an optimization unit (130).

본 실시예에서는 TAS 스케줄링과 다중 경로 라우팅의 통합 기법에 대한 실용적인 한계를 인지하고, 현실적인 솔루션을 제공하기 위해 스케줄링과 다중 경로 라우팅을 분리하고 있다. In this embodiment, we recognize the practical limitations of the integrated technique of TAS scheduling and multi-path routing, and separate scheduling and multi-path routing to provide a realistic solution.

다중 경로 라우팅부(110)는 IEEE 802.1CB 표준을 고려하여 FRER와 함께 네트워크 장애에 대한 높은 전송 신뢰성을 위한 휴리스틱(Heuristic) 기반의 다중 경로 라우팅을 수행한다(S210). 다중 경로 라우팅부(110)는 중복-가중 다중 라우팅(RWMR, Redundancy-Weighted Multipath Routing)을 통해 고정 다중 경로를 설정한다. The multipath routing unit (110) performs heuristic-based multipath routing for high transmission reliability against network failures together with FRER, taking into account the IEEE 802.1CB standard (S210). The multipath routing unit (110) sets up fixed multipaths through redundancy-weighted multipath routing (RWMR).

스케줄링부(120)는 다중 경로 라우팅으로 인한 TAS 스케줄링의 어려움을 효과적으로 다루고 대역폭을 절약하기 위해 멤버 대기 및 전달(MWF, Member Wait-and-Forward) 스케줄링을 수행한다(S220). The scheduling unit (120) performs member wait-and-forward (MWF) scheduling (S220) to effectively address the difficulty of TAS scheduling due to multi-path routing and save bandwidth.

또한, 스케줄링부(120)는 MWF를 고려하면서도 빠르게 TAS 스케줄을 생성하기 위해 휴리스틱 기반의 최종 도착 시간 스케줄러(LATS, Last Arrival Time Scheduler)를 채택할 수 있다. Additionally, the scheduling unit (120) may adopt a heuristic-based Last Arrival Time Scheduler (LATS) to quickly generate a TAS schedule while considering MWF.

본 실시예에서는 기존 접근 방법들의 한계점을 인지하고, 다중 경로 라우팅과 TAS 스케줄링을 휴리스틱 기반으로 해결하고자 한다. 다만, 휴리스틱 기반의 접근 방법은 네트워크 구성 입력값들에 대한 고정된 결과만을 제공하고 이는 TAS 스케줄링 성공 가능성을 낮출 수 있다. In this embodiment, we recognize the limitations of existing approaches and attempt to solve multi-path routing and TAS scheduling based on heuristics. However, heuristic-based approaches only provide fixed results for network configuration input values, which may reduce the possibility of successful TAS scheduling.

이러한 단점을 해결하고자, 휴리스틱 기반의 스케줄링 방법도 각 입력 트래픽들의 스케줄링 구성 순서에 따라 다양한 스케줄링 결과를 제공할 수 있는 것을 인지하고, 시스템(100)이 최적화부(130)를 더 포함하도록 한다. To solve these shortcomings, it is recognized that a heuristic-based scheduling method can also provide various scheduling results depending on the scheduling configuration order of each input traffic, and the system (100) further includes an optimization unit (130).

최적화부(130)는 시뮬레이션된 어닐링(SA, Simulated Annealing)과 입자군 최적화(PSO, Particle Swarm Optimization)을 이용하여 최적의 스케줄링 순서를 찾을 수 있다(S230). The optimization unit (130) can find the optimal scheduling order using simulated annealing (SA) and particle swarm optimization (PSO) (S230).

다중 경로 라우팅과 스케줄링을 분리하고, 휴리스틱 기반으로 수행하되, 메타휴리스틱 최적화를 수행함으로써, 스케줄링 및 라우팅을 완료할 수 있다(S240). TSN에서 네트워크 트래픽은 일반적으로 ST(time critical scheduled traffic, 시간 중요 스케줄링된 트래픽), AVB(Audio/Video Traffic, 오디오/비디오 트래픽) 및 BE(Best-Effort Traffic, 최선 노력 트래픽)로 분류된다. ST는 낮은 대기 시간, 낮은 지터 및 제로 정체 손실(zero congestion loss)을 요구하는 흐름이며 일반적으로 주기적 전송이 있다고 가정한다. 모든 주기에서 ST 흐름의 각 전송은 엄격한 기한을 준수해야 한다. 그런 다음, TAS의 스케줄링은 요구사항을 충족시키기 위해 각 스위치에서 ST 프레임의 전송시간을 결정하는 것을 포함한다. ST 흐름은 주기성을 가지므로 TAS 스케줄링은 네트워크의 모든 ST 흐름의 주기를 포함하는 하이퍼 주기(hyper period)에서 프레임 전송 시간을 결정하는 TDMA 스케줄링 문제와 유사하다. 생성된 스케줄은 하이퍼 주기마다 반복되며, 이 주기적인 스케줄은 도 4와 같이 GCL(Gate Control List) 형태로 구성된다. 해당 큐가 GCL에 의해 주어진 시간에 열려 있는 경우에만 프레임을 전송할 수 있다. 그렇지 않으면 스위치가 전송 게이트를 닫아(C) 전송을 차단한다.By separating multi-path routing and scheduling and performing them heuristically, while performing metaheuristic optimization, scheduling and routing can be completed (S240). In TSN, network traffic is generally classified into ST (time critical scheduled traffic), AVB (Audio/Video Traffic), and BE (Best-Effort Traffic). ST is a flow that requires low latency, low jitter, and zero congestion loss, and is generally assumed to have periodic transmission. In every period, each transmission of an ST flow must adhere to a strict deadline. Then, the scheduling of TAS involves determining the transmission time of an ST frame in each switch to satisfy the requirement. Since the ST flow is periodic, TAS scheduling is similar to the TDMA scheduling problem of determining the frame transmission time in a hyper period that includes the periods of all ST flows in the network. The generated schedule is repeated every hyper-period, and this periodic schedule is configured in the form of a GCL (Gate Control List) as shown in Fig. 4. A frame can be transmitted only if the corresponding queue is open at the time given by the GCL. Otherwise, the switch closes the transmission gate (C) to block transmission.

도 5에 도시된 것과 같이, FRER는 복합 스트림(원본 스트림)과 멤버 스트림을 다루고 있다. 패킷 손실을 허용할 수 없는 산업 애플리케이션을 위한 사전 예방적 원활한 이중화를 제공하기 위해 다중 경로를 통해 각 프레임의 복제본을 보낸다. 이는 IEC 62439-3에 명시된 고가용성 심리스 이중화(HSR, high-availability seamless redundancy) 및 병렬 이중화 프로토콜(PRP, parallel redundancy protocol)과 같은 산업용 내결함성 프로토콜과 개념이 유사하다. 복합 스트림은 소스와 목적지 간의 종단 간 논리 스트림이며, 멤버 스트림은 복합 스트림의 신뢰성을 보장하기 위해 다중 경로(단대단(end-to-end)일 필요는 없음)를 통해 전송되는 실제 하위 스트림이다. 각 멤버 스트림은 독립적인 경로를 통해 전송되고 제거가 수행되는 교차 스위치에서 종료되고, 경로가 스위치에서 분기될 때 새 멤버 스트림이 생성된다. 예를 들어 도 5에서는 하나의 복합 스트림에 대해 4개의 멤버 스트림이 있다. 이 경우 복합 스트림은 모든 단일 링크 장애와 21개 이중 링크 장애 중 16건을 견딜 수 있어 높은 수준의 신뢰성을 제공한다.As illustrated in Figure 5, FRER deals with composite streams (source streams) and member streams. It sends a duplicate of each frame over multiple paths to provide preemptive seamless redundancy for industrial applications that cannot tolerate packet loss. This is similar in concept to industrial fault-tolerant protocols such as high-availability seamless redundancy (HSR) and parallel redundancy protocol (PRP) specified in IEC 62439-3. A composite stream is an end-to-end logical stream between a source and a destination, and member streams are actual substreams that are transmitted over multiple paths (not necessarily end-to-end) to ensure the reliability of the composite stream. Each member stream is transmitted over an independent path and terminates at a crossover switch where elimination is performed, and a new member stream is created when a path branches off from a switch. For example, in Figure 5, there are four member streams for one composite stream. In this case, the composite stream can withstand all single link failures and 16 out of 21 dual link failures, providing a high level of reliability.

FRER의 단점 중 하나는 중복성이다. 분명히 더 많은 대역폭을 사용한다. 예를 들어 도 5에서 가능한 모든 경로를 통해 모든 중복 복사본에 대해 별도의 전송이 이루어지면 단일 최단 경로 흐름에 비해 4.7배 더 많은 링크 리소스가 사용된다. 이를 완화하려면 FRER이 이전에 전달된 프레임의 재전송을 피하기 위해 이미 수신된 프레임을 제거하는 것이 필수적이다. TAS 스케줄러가 멤버 스트림을 스케줄링하는 동안 교차 스위치에서 FRER에 의해 중복 프레임이 제거된다는 사실을 반영하지 않으면 결과 스케줄에는 이미 제거된 프레임에 할당된 중복 타임슬롯이 있어 대역폭이 낭비된다. 본 실시예에서는 이 문제를 해결하고자 한다.One of the drawbacks of FRER is its redundancy. It obviously consumes more bandwidth. For example, in Fig. 5, if separate transmissions are made for all duplicate copies through all possible paths, 4.7 times more link resources are consumed than for a single shortest path flow. To mitigate this, it is essential that FRER discards already received frames to avoid retransmission of previously transmitted frames. If the TAS scheduler does not take into account the fact that duplicate frames are discarded by FRER at the cross switch while scheduling the member streams, the resulting schedule will have duplicate timeslots assigned to already discarded frames, wasting bandwidth. This problem is addressed in the present embodiment.

우선 MWF에 대해 설명하기로 하며, 이하 사용되는 용어는 표 1에 정리되어 있다. First, let's explain MWF, and the terms used below are summarized in Table 1.

[표 1][Table 1]

단일 링크에서 동일한 복제 패킷에 대해 여러 스케줄을 할당하면 시간과 대역폭이 낭비된다. 따라서 MWF에서 링크 전송은 흐름의 각 복합 스트림에 대해 한 번만 스케줄링되어 해당 링크에서 복합 스트림의 여러 경로가 겹칠 때 시간/대역폭 낭비를 방지한다. 동시에 FRER의 전송 신뢰성을 유지하기 위해 모든 경로가 끊어진 경우를 제외하고 가능한 링크 오류에도 불구하고 복제된 패킷 중 적어도 하나는 멤버 스트림에서 전달되어야 한다. 이를 달성하기 위한 MWF 원칙은 새로 생성된 멤버 스트림의 전달 스케줄이 모든 이전 멤버 스트림의 예상 도착 시간 이후가 되도록 한다.Assigning multiple schedules for the same duplicate packet on a single link wastes time and bandwidth. Therefore, in MWF, link transmission is scheduled only once for each composite stream in a flow, which avoids time/bandwidth waste when multiple paths of the composite stream overlap on that link. At the same time, to maintain the transmission reliability of FRER, at least one of the duplicate packets must be delivered on a member stream despite possible link failures, except when all paths are broken. To achieve this, the MWF principle is that the delivery schedule of a newly created member stream should be after the expected arrival times of all previous member streams.

도 6은 MWF가 만족해야 하는 제약조건을 설명하기 위한 예시이다. 3개의 멤버 스트림 1, 2 및 3은 스위치 B에서 병합된다. 따라서 FRER을 사용하면 3개의 복제본 중 하나의 프레임만 전달되고 나머지 2개는 수신되면 제거된다. 이제 멤버 스트림 1과 2에서 각각 노드 오류와 링크 오류가 발생했다고 가정한다. 새로 생성된 멤버 스트림(멤버 4)의 전달 스케줄이 이전 멤버 스트림(멤버 1, 2, 3)의 도착 시간보다 빠르면 멤버 3을 통해 신뢰성을 얻을 수 없다. 따라서 MWF 제약 조건은 다음과 같이 정의할 수 있다.Fig. 6 is an example to explain the constraints that MWF must satisfy. Three member streams 1, 2, and 3 are merged at switch B. Therefore, using FRER, only one frame of three replicas is forwarded and the remaining two are dropped when received. Now, assume that node failure and link failure occur in member streams 1 and 2 respectively. If the forwarding schedule of the newly created member stream (member 4) is earlier than the arrival time of the previous member stream (member 1, 2, 3), reliability cannot be obtained through member 3. Therefore, the MWF constraints can be defined as follows.

DepartureTime은 다음 홉을 향한 링크에서 전송이 시작되는 시간이고, ArrivalTime은 이전 홉에서 수신이 완료된 시간이다.DepartureTime is the time when transmission begins on the link toward the next hop, and ArrivalTime is the time when reception is completed at the previous hop.

MWF는 부분적으로 분리된 경로의 교차 스위치에서 멤버 스트림의 제거 및 생성을 고려한다. 식 (1)을 통해 새로운 멤버 스트림의 전송은 모든 이전 멤버 스트림이 병합 교차 스위치에 도착하고 (하나를 제외하고는 제거되며) 그 이후 시작된다. 여기서 강조해야 할 점은 MWF에서 멤버 스트림의 제거 및 생성은 '노드'가 아닌 동일한 '링크'에서 동일한 복합 스트림의 여러 경로가 겹칠 경우에만 고려되어야 한다는 것이다. 예를 들어 도 7에는 A-B-D-E-G와 A-C-E-F-D-G라는 두 개의 경로가 있다. 노드 A에서 노드 G까지 연결된다. 두 경로의 링크는 완전히 분리되어 있지만 노드 D와 E는 공통이며 중복 패킷을 수신한다. 그런 다음 노드 D와 E가 멤버 스트림 제거, 생성 및 MWF를 고려하여 마지막 패킷이 도착하기를 기다리면 노드 D와 E는 교착 상태에 빠지고 노드 G로 영원히 전송되지 않는다. 스케줄링에서 이것은 불가능하다. 따라서 MWF를 사용한 멤버 스트림의 제거 및 생성은 다중 경로의 '링크'가 겹칠 때만 수행되어야 한다.MWF considers the removal and creation of member streams at the cross-switches of partially separated paths. From equation (1), the transmission of a new member stream starts after all previous member streams have arrived at the merging cross-switch (except one has been removed). It should be emphasized here that the removal and creation of member streams in MWF should be considered only when multiple paths of the same composite stream overlap on the same 'link', not on 'nodes'. For example, in Fig. 7, there are two paths, A-B-D-E-G and A-C-E-F-D-G, which connect from node A to node G. The links of the two paths are completely separated, but nodes D and E are common and receive duplicate packets. Then, when nodes D and E wait for the last packet to arrive, considering member stream removal, creation and MWF, nodes D and E will be in a deadlock and will never transmit to node G. This is impossible in scheduling. Therefore, the removal and creation of member streams using MWF should be performed only when the 'links' of the multiple paths overlap.

MWF는 패킷 지연 요구 사항을 준수하면서 타임 슬롯 중복 및 대역폭 낭비를 제거하기 위해 프레임 제거를 고려하여 전송을 연기하고 있다(대기열 지연 추가). 즉, MWF는 최대한 빨리 전송하지 않는다. 이 전략은 기존의 '무대기 스케줄링(no-wait scheduling)'과 다르다.MWF delays transmission by considering frame dropping (adding queuing delay) to eliminate time slot duplication and bandwidth waste while complying with packet delay requirements. That is, MWF does not transmit as fast as possible. This strategy is different from the conventional 'no-wait scheduling'.

다음으로 MWF를 사용한 ILP(Integer Linear Programming, 정수 선형 프로그래밍) 기반의 다중 경로 라우팅 및 스케줄링에 대해 설명하기로 한다. Next, we will describe multipath routing and scheduling based on ILP (Integer Linear Programming) using MWF.

ILP 기반 접근 방식은 TSN에서 라우팅 및 TAS 스케줄링에 널리 사용된다. 본 실시예에서는 MWF를 사용하여 '다중 경로' 라우팅 및 TAS 스케줄링의 시스템 모델을 해결하기 위해 기존 ILP 기반 '단일 경로' 조인트 라우팅 및 스케줄링 방법을 확장한다.ILP-based approaches are widely used in routing and TAS scheduling in TSN. In this embodiment, we extend the existing ILP-based 'single-path' joint routing and scheduling method to solve the system model of 'multi-path' routing and TAS scheduling using MWF.

ILP 기반 다중 경로 라우팅은 기존 ILP 기반 라우팅 모델에 흐름의 pth 다중 경로인 fp 구성요소를 하나 더 추가한다. 따라서 ILP 모델의 라우팅 변수(routingVars)는 다음과 같이 확장된다.ILP-based multipath routing adds one more fp component, which is the pth multipath of the flow, to the existing ILP-based routing model. Therefore, the routing variables (routingVars) of the ILP model are extended as follows.

다중 경로를 구성하기 위한 새로운 라우팅 변수의 정의와 함께, 모든 ILP 라우팅 제약조건은 다음과 같이 확장되어야 한다:With the definition of new routing variables to configure multipaths, all ILP routing constraints must be extended as follows:

다른 모든 제약조건의 정의는 단일 경로 ILP 라우팅 모델과 동일하다.The definitions of all other constraints are identical to the single-path ILP routing model.

MWF를 이용한 ILP 기반의 TAS 스케줄링은 기존의 ILP 기반의 TAS 스케줄링과 크게 세 가지 차이점이 있다. 첫 번째는 fp가 모든 ILP 변수에 추가되어 다중 경로 라우팅을 고려한다는 것이다. 따라서 스케줄링 변수의 확장은 다음과 같다.ILP-based TAS scheduling using MWF has three major differences from the existing ILP-based TAS scheduling. The first is that fp is added to all ILP variables to consider multi-path routing. Therefore, the expansion of scheduling variables is as follows.

TxStartVars는 링크의 전송 시작 시간을 나타내고, TxEndVars는 링크의 전송 종료 시간을 나타낸다. CollisionVars는 서로 다른 흐름의 패킷 충돌을 방지하기 위한 제약 조건으로 사용되는 바이너리 값을 갖는 변수이다.TxStartVars represents the start time of transmission on the link, and TxEndVars represents the end time of transmission on the link. CollisionVars is a binary value variable used as a constraint to prevent packet collisions between different flows.

두번째로, 식 (4)에 기초하여 각 변수에 대한 ILP 스케줄링 제약 조건은 다음과 같이 확장될 수 있다.Second, based on equation (4), the ILP scheduling constraints for each variable can be extended as follows.

위의 확장을 통해 다중 경로를 갖는 흐름의 일반적인 TAS 스케줄링이 가능하다. 마지막으로 MWF를 고려하려면 다음과 같이 전송 시작 시간에 대한 새로운 제약 조건을 추가해야 한다.The above extension allows for general TAS scheduling of flows with multiple paths. Finally, to consider MWF, we need to add a new constraint on the transmission start time as follows.

식 (6)에 따르면 중첩된 링크에서의 전송 시작 시간은 동일하게 되며, 이는 새로운 멤버 스트림의 전송 시작 시간이 현재 링크의 시작 노드로 들어오는 모든 선행 멤버 스트림의 도착 이후임을 의미한다.According to equation (6), the transmission start times in the overlapping links are the same, which means that the transmission start time of the new member stream is after the arrival of all preceding member streams entering the starting node of the current link.

목적 함수는 링크 실패의 경우 신뢰성을 높이기 위해 최대로 분리된 경로 세트를 만들어내는 것을 목표로 한다. 목적 함수가 없으면 스케줄링 및 라우팅 제약 조건이 충족되는 한 ILP 모델의 모든 결과를 TAS 스케줄로 사용할 수 있다. 그러나 지금까지의 제약 조건은 신뢰성을 고려하지 않았다. 즉, 최대로 분리된 다중 경로 집합을 목표로 하는 제약 조건이 없다. 따라서 FRER을 통한 전송 신뢰성을 최대화하기 위해 다음 목적 함수를 통해 최소한의 중첩 링크로 다중 경로 집합을 구성한다.The objective function aims to create a set of maximally separated paths to increase reliability in the case of link failures. Without the objective function, any output from the ILP model can be used as a TAS schedule as long as scheduling and routing constraints are satisfied. However, the constraints so far have not considered reliability. That is, there is no constraint that aims for a set of maximally separated multipaths. Therefore, in order to maximize transmission reliability via FRER, the following objective function constructs a set of multipaths with minimal overlapping links.

전술한 ILP 모델은 제약 조건 집합 내에서 목적 함수에 대한 최적의 값을 제시할 수 있다. 그러나 시간과 메모리 측면에서 계산 복잡성은 문제의 토폴로지 및 흐름 요구사항에 따라 지나치게 높을 수 있다. 기존 연구에서는 ILP를 사용한 조인트 라우팅 및 스케줄링이 실질적으로 합리적인 시간 내에 성공하기 어렵다는 것을 이미 밝혔다.The above-mentioned ILP model can provide the optimal value for the objective function within a set of constraints. However, the computational complexity in terms of time and memory may be excessively high depending on the problem's topology and flow requirements. Previous studies have already shown that joint routing and scheduling using ILP is difficult to succeed in a practical reasonable time.

ILP 모델의 복잡성 문제를 완화하기 위해, RWMR(Redundancy-Weighted Multipath Routing, 중복-가중 다중 경로 라우팅)을 적용하고, RWMR을 ILP 기반 스케줄링과 통합한다. 즉, ILP를 사용하여 라우팅 및 스케줄링 문제를 공동으로 해결하는 대신 다중 경로 라우팅부(110)에서 RWMR를 적용하여 다중 경로 루트를 먼저 생성한 다음, ILP 기반 스케줄링을 수행할 수 있다. RWMR을 통해 설정된 고정 다중 경로를 갖는 ILP 모델은 라우팅 제약 조건 없이 스케줄링 제약 조건을 유지하기만 하면 된다. 또한 고정된 경로를 가지므로 제약 조건의 수는 식 (5)의 그래프에서 링크 수의 곱에 비례하는 것에서 각 흐름의 다중 경로에 있는 링크 수의 곱으로 크게 줄어든다. 즉, 조인트 접근 방식에서는 각 흐름에 대한 스케줄링 제약 조건이 토폴로지의 모든 링크에 적용되어야 했지만, 경로가 고정되었으므로 ILP 솔버(solver)는 각 흐름의 스케줄링 제약 조건을 경로에 있는 링크에 적용하기만 하면 된다. 또한 이제 더 이상 목적 함수를 최적화할 필요가 없다. 제약 조건에만 부합하는 솔루션을 찾을 수 있으므로 모델의 복잡성이 크게 줄어든다.In order to alleviate the complexity problem of the ILP model, Redundancy-Weighted Multipath Routing (RWMR) is applied, and RWMR is integrated with ILP-based scheduling. That is, instead of jointly solving the routing and scheduling problems using ILP, the multipath routing part (110) can first generate a multipath route by applying RWMR, and then perform ILP-based scheduling. The ILP model with fixed multipaths set through RWMR only needs to maintain scheduling constraints without routing constraints. In addition, since it has fixed paths, the number of constraints is greatly reduced from being proportional to the product of the number of links in the graph of Equation (5) to the product of the number of links in the multipaths of each flow. In other words, in the joint approach, the scheduling constraints for each flow had to be applied to all links in the topology, but since the paths are fixed, the ILP solver only needs to apply the scheduling constraints for each flow to the links in the paths. In addition, there is no longer a need to optimize the objective function. The complexity of the model is greatly reduced, as it can find solutions that only satisfy constraints.

RWMR은 흐름당 P개의 경로를 생성한다. 여기서, P는 사용자가 구성한 요청된 경로 다양성의 수이다. 알고리즘 1은 RWMR의 의사 코드이다. RWMR은 네트워크 그래프(G), 라우팅될 흐름(f) 및 필요한 경로 수(P)를 입력으로 사용한다. 그런 다음 RWMR은 P개의 경로가 생성될 때까지 최대 P*maxTry 시간까지 흐름을 라우팅하려고 시도한다. 외부 for 루프의 반복 각각에 대해 그래프 링크의 가중치가 업데이트된다. UpdateUtilizationWeight 함수를 통해 각 링크의 가중치는 로드 밸런싱을 고려한 링크 활용도로 초기화된다. 그리고 알고리즘 2의 UpdateRedundancyWeight 함수를 통해 링크 중첩 횟수에 따라 링크 가중치를 조정한다. 링크 중첩 횟수는 알고리즘 1의 6행에서 새 경로를 생성하기 위해 링크가 사용된 횟수를 나타내며, 변수 overlapDict에 저장된다.RWMR generates P paths per flow, where P is the number of requested path diversities configured by the user. Algorithm 1 is the pseudocode of RWMR. RWMR takes a network graph (G), a flow to be routed (f), and the number of paths (P) required as input. Then RWMR tries to route the flows up to P*maxTry times until P paths are generated. For each iteration of the outer for loop, the weights of the graph links are updated. The weight of each link is initialized with the link utilization considering load balancing through the UpdateUtilizationWeight function. Then, the link weights are adjusted according to the link overlap count through the UpdateRedundancyWeight function in Algorithm 2. The link overlap count represents the number of times a link is used to generate a new path in line 6 of Algorithm 1, and is stored in the variable overlapDict.

알고리즘 2는 두 개의 내부 for 루프(Under-Sum 정책)를 통해 overlapDict[l] 값을 기반으로 n회 미만 사용된 링크 가중치의 합으로 n번 사용된 링크 l의 가중치를 증가시킨다. 그러나 필요한 다중 경로 수가 증가함에 따라 RWMR은 이전 시도에서 이미 생성된 동일한 (중복) 경로를 반환할 수 있다. Algorithm 2 increases the weight of link l that has been used n times by the sum of the link weights that have been used less than n times based on the value of overlapDict[l] through two inner for loops (Under-Sum policy). However, as the number of required multipaths increases, RWMR may return the same (duplicate) path that has already been generated in the previous attempt.

여기에는 두 가지 가능한 이유가 있다. 첫 번째는 네트워크 그래프에서 가능한 개별 경로의 수가 요청된 것보다 적은 경우이다. 두 번째는 RWMR의 Under-Sum 정책이 업데이트된 가중치로 최단 경로 방식으로 새로운 개별 경로를 찾을 수 없는 경우이다. 첫 번째는 불가피하다. 두 번째는 가중치 정책을 수정하여 해결할 수 있다. There are two possible reasons for this. The first is that the number of possible individual paths in the network graph is less than requested. The second is that the Under-Sum policy of RWMR cannot find a new individual path in the shortest path manner with the updated weights. The first is unavoidable. The second can be solved by modifying the weight policy.

도 8의 (a)는 Under-Sum 정책이 존재함에도 불구하고 RWMR이 새로운 경로를 찾지 못하는 경우를 예시한다. 노드 C가 소스이고 노드 B가 목적지라고 가정한다. 그런 다음 다중 경로 선택을 위한 4가지 가능한 경로(C-A-B, C-D-B, C-A-D-B, C-D-A-B)가 있다. 그러나 Under-Sum 정책에 따라 가중치를 변경하면 두 개의 경로(C-A-B, C-D-B)만 반복적으로 생성된다. 이를 해결하기 위해 RWMR이 이미 생성된 경로를 반환할 때 RWMR은 복제된 경로에 사용된 각 링크 l에 대해 1/2 확률로 overlapDict[l] 값을 증가시킨다. 이러한 확률적 접근을 통해 RWMR은 도 8의 (b)와 같이 문제를 해결할 수 있다.Fig. 8(a) illustrates a case where RWMR fails to find a new path despite the existence of the Under-Sum policy. Assume that node C is the source and node B is the destination. Then, there are four possible paths (C-A-B, C-D-B, C-A-D-B, C-D-A-B) for multi-path selection. However, if we change the weights according to the Under-Sum policy, only two paths (C-A-B, C-D-B) are repeatedly generated. To solve this, when RWMR returns an already generated path, RWMR increases the overlapDict[l] value with a probability of 1/2 for each link l used in the duplicated path. Through this probabilistic approach, RWMR can solve the problem as shown in Fig. 8(b).

ILP를 사용하여 MWF 제약이 있는 다중 경로 라우팅 및 TAS 스케줄링을 동시에 해결하는 것은 계산 복잡성이 상당히 높다. 따라서, 본 실시예에서는 실행 시간을 줄이기 위해 RWMR을 이용하고, 다중 경로 라우팅부(110)와 스케줄링부(120)를 분리하고 있다. Solving multipath routing and TAS scheduling with MWF constraints simultaneously using ILP has a considerably high computational complexity. Therefore, in this embodiment, RWMR is used to reduce the execution time, and the multipath routing unit (110) and the scheduling unit (120) are separated.

이하에서는 먼저 RWMR이 알고리즘의 실행 시간을 실용적인 수준으로 줄이는지 여부를 조사한다. 또한, 최적의 결과를 보장하는 ILP의 다중 경로 라우팅과 RWMR의 신뢰성(경로 중복성)을 비교 분석한다. 이 분석을 위한 시뮬레이션은 단일 흐름 유형의 NSF(National Science Foundation) 네트워크 토폴로지(도 11의 (b))에서 수행된다. 각 프레임의 크기는 128바이트이고 전송 주기는 500us이다. 모든 링크는 대역폭이 1Gbps인 완전-이중(full-duplex)이다. 각 흐름에 대해 요청되는 다중 경로의 수는 3개이며, 10개에서 100개 흐름까지 총 10개의 시나리오가 시뮬레이션된다. 각 시나리오는 1시간의 제한 시간으로 실행되었다. In the following, we first investigate whether RWMR reduces the execution time of the algorithm to a practical level. In addition, we compare and analyze the reliability (path redundancy) of RWMR with the multipath routing of ILP, which guarantees the optimal results. The simulation for this analysis is performed on the National Science Foundation (NSF) network topology of single-flow type (Fig. 11 (b)). The size of each frame is 128 bytes and the transmission period is 500 us. All links are full-duplex with a bandwidth of 1 Gbps. The number of multipaths requested for each flow is 3, and a total of 10 scenarios from 10 to 100 flows are simulated. Each scenario is executed with a time limit of 1 hour.

도 9의 (a)는 ILP를 사용하여 다중 경로 라우팅 및 스케줄링을 수행하는 'ILP/Joint'와 RWMR을 통해 다중 경로 라우팅을 수행하고 ILP를 통해서만 스케줄링하는 'ILP/RWMR'에 대한 스케줄링 완료 시간을 표시한다. ILP/Joint는 가장 작은 시나리오인 10개의 흐름에 대해서만 성공하며 20개 이상의 흐름에서 타임아웃이 발생한다(타임아웃이 발생하면, ILP 솔버가 계산을 중단함). 반면에 ILP/RWMR은 최대 60개의 흐름에 대해 제한 시간 내에서 라우팅 및 스케줄링을 성공적으로 수행한다. 이는 RWMR에서 생성된 경로를 ILP 스케줄러에 공급하는 것이 실행 시간 측면에서 큰 이점을 제공한다는 것을 의미한다.Fig. 9(a) shows the scheduling completion times for 'ILP/Joint', which performs multi-path routing and scheduling using ILP, and 'ILP/RWMR', which performs multi-path routing via RWMR and schedules only via ILP. ILP/Joint succeeds only for the smallest scenario of 10 flows and times out for more than 20 flows (when a timeout occurs, the ILP solver stops the calculation). On the other hand, ILP/RWMR successfully performs routing and scheduling within the time limit for up to 60 flows. This means that feeding the paths generated in RWMR to the ILP scheduler provides a big advantage in terms of execution time.

도 9의 (b)는 ILP/Joint 및 RWMR에 의해 생성된 다중 경로 루트의 품질을 비교하는 것을 목표로 한다. 또한, ILP(라우팅만, 스케줄링 없음, 동일한 시간 제한 내)를 사용하여 최적화된 최적의 다중 경로 루트('최적')와도 비교한다. 다중 경로 라우팅의 품질 기준은 식 (7)을 기반으로 한다. 첫째, ILP/Joint의 경우 흐름 수가 10, 20인 시나리오에 대해서만 라우팅 결과가 있다. 이는 타임아웃으로 인해 그 이상의 성공적인 결과가 없기 때문이다. 20개의 흐름 시나리오에서 중간 결과와 함께 최적화 프로세스 중에 시간 초과가 발생하므로 경로가 최적이 아니다. 반면에 RWMR은 휴리스틱 접근 방식 덕분에 제한 시간 내에 모든 시나리오에 대한 라우팅 결과를 생성한다. 또한 ILP/Joint는 주어진 시간 제한으로 인해 최적을 추구함에도 불구하고 20개의 흐름 시나리오에 대해 RWMR보다 낮은 품질의 결과를 생성한다. 또한 RWMR은 휴리스틱 접근 방식을 기반으로 하기 때문에 최적성을 보장하지는 않지만 최적 결과와 비교할 때 동일한 수준의 링크 중복성을 보여준다. 이는 RWMR이 휴리스틱 방식으로 고품질 다중 경로 루트를 신속하게 생성함을 의미한다.Fig. 9(b) aims to compare the quality of multi-path routes generated by ILP/Joint and RWMR. It also compares with the optimal multi-path route (‘optimal’) optimized using ILP (routing only, no scheduling, within the same time constraint). The quality criterion of multi-path routing is based on Equation (7). First, in the case of ILP/Joint, there are routing results only for scenarios with 10 and 20 flows. This is because there are no more successful results due to timeout. In the 20 flow scenario, the path is not optimal because timeout occurs during the optimization process with intermediate results. On the other hand, RWMR generates routing results for all scenarios within the time constraint due to its heuristic approach. In addition, ILP/Joint generates lower quality results than RWMR for the 20 flow scenario despite pursuing the optimality due to the given time constraint. In addition, RWMR does not guarantee optimality because it is based on a heuristic approach, but it shows the same level of link redundancy when compared to the optimal result. This means that RWMR quickly generates high-quality multi-path routes in a heuristic manner.

이 분석을 통해 다음 사실을 확인할 수 있다. ILP를 사용하여 FRER과 공동으로 다중 라우팅 및 스케줄을 잡는 것은 거의 불가능하며 본 실시예에서 이용하는 RWMR은 우수한 라우팅 품질을 제공하면서 실행 시간을 크게 단축한다. 그러나 ILP/RWMR은 단순 토폴로지에서 비교적 적은 수의 흐름에 대해 여전히 상당한 시간이 걸린다. 이는 ILP 기반 접근 방식의 근본적인 한계로 볼 수 있다.This analysis confirms the following facts: It is almost impossible to jointly perform multi-routing and scheduling with FRER using ILP, and RWMR used in this embodiment significantly reduces the execution time while providing excellent routing quality. However, ILP/RWMR still takes a considerable amount of time for a relatively small number of flows in simple topologies. This can be seen as a fundamental limitation of ILP-based approaches.

따라서, 본 실시예에서는 최적화부(130)휴리스틱 방식으로 계산 시간을 크게 줄이고자 한다. Therefore, in this embodiment, the optimization unit (130) attempts to significantly reduce the calculation time using a heuristic method.

앞서 ILP 기반의 조인트 라우팅 및 스케줄링에 비해 더 적은 제약 조건과 목적 함수의 단순화로 더 빠른 스케줄링 시간을 제공하기 위해 RWMR 라우팅을 사용한 ILP 기반 스케줄링을 이용하고 있다. 하지만, 전술한 분석에 따르면 ILP 기반 접근 방식은 TAS 스케줄링 문제를 해결하기에는 너무 순진하며 제약 조건을 줄이기 위해 RWMR을 사용하더라도 현실적인 실행 시간을 제공할 수 없다. 따라서, 본 실시예에서는 LATS 최적화를 위한 두 가지 메타휴리스틱 알고리즘과 함께 MWF를 휴리스틱 방식으로 고려하여 TAS 스케줄을 생성하는 LATS(Last Arrival Time Scheduler)를 스케줄링부(120)로서 적용한다. In order to provide faster scheduling time with fewer constraints and simplified objective function compared to the ILP-based joint routing and scheduling, ILP-based scheduling using RWMR routing is utilized. However, according to the analysis described above, the ILP-based approach is too naive to solve the TAS scheduling problem, and even if RWMR is used to reduce constraints, it cannot provide a realistic execution time. Therefore, in this embodiment, a LATS (Last Arrival Time Scheduler) that generates a TAS schedule by heuristically considering MWF together with two metaheuristic algorithms for LATS optimization is applied as the scheduling unit (120).

LATS는 MWF를 고려하면서 RWMR에 의해 생성된 다중 경로 집합을 기반으로 입력 흐름의 순서대로 각 흐름의 스케줄을 생성한다. 복합 스트림의 다중 경로 집합에서 여러 번 사용되는 (중첩되는) 링크에서 전송 시작 시간을 스케줄링하려면, 식 (1)에 따라 LATS가 모든 대응하는 다중 경로에 대한 중복 링크의 시작 노드에 도달하는 시간을 알아야 한다. 이를 위해 LATS는 알고리즘 3의 13 행에서 중첩 링크의 스케줄링이 가능한지 판단하기 위해 동일한 링크를 사용하는 모든 다중 경로가 중첩 링크의 이전 링크까지 스케줄링되었는지 확인한다. 해당하는 모든 다중 경로가 중첩 링크보다 먼저 스케줄링되면 LATS는 중첩 링크를 스케줄링한다. 그렇지 않으면 LATS가 다른 링크를 스케줄링하기 위해 이동한다. 각각의 경로가 가능한 범위 내에서 스케줄링되면 중복된 링크를 가지는 경로는 해당 링크 직전의 링크까지 스케줄링되며, 이 과정을 통해 중첩된 링크의 스케줄링이 가능해진다.LATS generates a schedule for each flow in the order of input flows based on the multipath set generated by RWMR while considering MWF. In order to schedule the transmission start time on a link that is used multiple times (overlapping) in the multipath set of a composite stream, LATS needs to know the time when all corresponding multipaths reach the start node of the redundant link according to Equation (1). To do this, LATS checks whether all multipaths using the same link are scheduled up to the previous link of the overlapping link to determine whether the scheduling of the overlapping link is possible in line 13 of Algorithm 3. If all corresponding multipaths are scheduled before the overlapping link, LATS schedules the overlapping link. Otherwise, LATS moves to schedule another link. If each path is scheduled within the possible range, the path with the overlapping link is scheduled up to the link immediately before that link, and this process makes the scheduling of the overlapping link possible.

도 10은 LATS가 각 링크에 대해 가변 길이 슬롯을 스케줄링하는 방법을 보여준다. TAS의 하이퍼 주기 내에서 스케줄링에 사용할 수 있는 시간(슬롯 공간)은 링크의 시작 노드에서 패킷이 도착하는 시간에 의해 제한된다. 요구 사항(간격 제약 및 MWF)을 충족하는 시간에 스케줄링 가능한 슬롯이 발견되면 스케줄링이 수행된다. 해당 슬롯은 프레임이 필요로 하는 시간 공간에 따라 '사용된 슬롯(used slot)'과 '나머지 슬롯(remainder slot)'으로 분할되며, 원본 슬롯은 슬롯 목록에서 제거되고 나머지 슬롯은 새로 사용 가능한 슬롯으로 슬롯 목록에 추가된다.Figure 10 shows how LATS schedules variable-length slots for each link. The time (slot space) available for scheduling within a hyper-period of a TAS is limited by the time at which packets arrive at the starting node of the link. Scheduling is performed when a schedulable slot is found that satisfies the requirements (interval constraints and MWF). The slot is split into a 'used slot' and a 'remainder slot' according to the time space required by the frame, and the original slot is removed from the slot list and the remaining slot is added to the slot list as a newly available slot.

LATS는 동일한 입력에 대해 동일한 결정적 TAS 스케줄 결과를 반환하는 휴리스틱 알고리즘이다. 그러나 입력 흐름의 순서가 변경되면 전체 스케줄이 변경되고 대기 시간 기한을 충족하는 흐름 수도 변경된다. 따라서 LATS의 최적화 문제는 대기 시간 기한을 충족하는 흐름의 수를 최대화하는 흐름 스케줄링 순서를 찾는 것이다. 이것은 순열 기반 조합 최적화 문제 중 NP-hard인 여행 판매원 문제(TSP, traveling salesman problem)와 같은 문제이다. 따라서, 본 실시예에서는 이 문제를 해결하기 위해 최적화부(130)에서 SA(simulated-annealing) 기반 최적화(SAO) 및 입자 군집 최적화(PSO, particle swarm optimization) 기반 투표(PSVO)라는 두 가지 메타 휴리스틱 접근 방식을 적용한다. LATS is a heuristic algorithm that returns the same deterministic TAS schedule result for the same input. However, if the order of the input flows is changed, the entire schedule is changed and the number of flows that satisfy the waiting time deadline also changes. Therefore, the optimization problem of LATS is to find a flow scheduling order that maximizes the number of flows that satisfy the waiting time deadline. This is the same problem as the traveling salesman problem (TSP), which is NP-hard among permutation-based combinatorial optimization problems. Therefore, in this embodiment, to solve this problem, two metaheuristic approaches, SA (simulated-annealing)-based optimization (SAO) and particle swarm optimization (PSO)-based voting (PSVO), are applied in the optimization unit (130).

SAO는 알고리즘 4와 같이 LATS에 기본 시뮬레이션된 어닐링 전략을 적용한다. 프로세스는 다음과 같다.SAO applies the basic simulated annealing strategy to LATS as shown in Algorithm 4. The process is as follows.

1단계: 입력 순서에 따라 비용을 계산한다.Step 1: Calculate the cost based on the input order.

2단계: 두 흐름의 스케줄링 순서를 바꾼다.Step 2: Swap the scheduling order of the two flows.

3단계: 교환된 결과가 더 나쁜 비용을 반환하면 확률적으로 이전 순서를 복구한다.Step 3: If the swapped outcome returns a worse cost, then probabilistically restore the previous order.

4단계: 모든 흐름이 대기 시간 기한을 충족할 때까지 2단계와 3단계를 반복한다.Step 4: Repeat steps 2 and 3 until all flows meet their waiting time deadlines.

일반적으로 TAS 스케줄링 결과의 품질이나 성공률은 지연시간 기한을 충족하는 흐름의 수와 같은 비용 함수를 사용하여 표현할 수 있다. 그러나 이러한 단순 비용 정책에는 두 가지 문제점이 있다. 첫째, 전체 전송 횟수는 하이퍼 주기 동안의 흐름 주기와 다중 경로 수에 따라 번까지 증가할 수 있다. 둘째, 각 흐름의 스케줄 요구사항 위반 정도가 크게 다를 수 있다. 즉, 실패한 전송 스케줄은 기한을 크게 또는 약간 초과할 수 있으며, 이는 비용에 반영되지 않다. 결과적으로 한 흐름의 모든 전송을 흐름의 단일 성공/실패로 단순히 범주화하는 비용 정책은 스케줄링 결과를 과도하게 추상화한다.In general, the quality or success rate of the TAS scheduling result can be expressed using a cost function such as the number of flows that meet the delay time deadline. However, there are two problems with this simple cost policy. First, the total number of transmissions depends on the flow period and the number of multipaths during the hyper-period. Second, the degree of violation of scheduling requirements of each flow can vary greatly. That is, a failed transmission schedule can be significantly or slightly overdue, which is not reflected in the cost. As a result, a cost policy that simply categorizes all transmissions of a flow as a single success/failure of the flow overly abstracts the scheduling results.

이 문제를 해결하기 위해 SAO에 대한 비용 정책으로 초과 지연시간 합계(SLE, sum of the latency exceeded)를 적용할 수 있다. 알고리즘 5는 비용 정책 SLE를 나타낸다. SLE는 흐름의 여러 전송 중 기한을 초과하는 지연 시간을 합산한다(8행). 이를 통해 SLE는 각 흐름의 다중() 전송 결과와 각 전송에 대한 실패 정도를 반영한다.To solve this problem, we can apply the sum of the latency exceeded (SLE) as a cost policy for SAO. Algorithm 5 shows the cost policy SLE. SLE sums the latency exceeded during multiple transmissions of a flow (line 8). This allows SLE to calculate the multiple ( ) reflects the transmission results and the degree of failure for each transmission.

본 실시예에서 최적화부(130)는 SAO의 두 가지 가능한 다음 단점을 개선하기 위해 PSVO를 이용한다. 첫째, 성능은 초기 솔루션에 의해 크게 영향을 받을 수 있다. SAO는 각 반복에서 현재 솔루션에서 하나의 순열에 대해서만 흐름 스케줄링 순서 스왑을 수행한다. 결과적으로 초기 솔루션이 최적 솔루션과 거리가 멀면 SAO가 최적 솔루션, 즉 긴 실행 시간을 찾기 어려울 수 있으며 로컬 최적에 빠질 수 있다(최적 솔루션은 SLE가 0을 반환하는 경우이고, 그렇지 않으면 TAS 스케줄링 실패이다.)In this embodiment, the optimization unit (130) uses PSVO to improve two possible shortcomings of SAO. First, the performance can be greatly affected by the initial solution. SAO performs a flow scheduling order swap for only one permutation of the current solution in each iteration. As a result, if the initial solution is far from the optimal solution, SAO may have difficulty finding the optimal solution, i.e., a long execution time, and may fall into a local optimum (the optimal solution is when SLE returns 0, otherwise TAS scheduling fails).

SAO의 두 번째 단점은 모든 스왑에 대해 LATS를 통해 비용을 계산해야 한다는 것이다. 일반적으로 스왑 작업을 통해 가까운 이웃을 검색하는 메타휴리스틱 알고리즘은 스왑 크기에 대한 성능 절충이 있다. 큰 스왑 크기는 비교적 적은 수의 스왑으로 나쁘지 않은 솔루션에 도달할 가능성이 높지만 큰 보폭으로 인해 전역 최적에 도달하기 어렵다. 반면에 스왑 크기가 작을수록 세분화된 검색으로 전역 최적값에 도달할 가능성이 높지만 많은 수의 스왑 작업을 수행해야 하는 단점이 있다. 따라서, 문제의 유형에 따라 스왑 크기를 조정해야 한다. 이를 감안할 때 비용이 0으로 수렴해야 하는 TAS 스케줄 최적화의 경우 솔루션 공간에 대한 보다 자세한 탐색을 위해 작은 스왑 크기를 채택하는 것이 합리적으로 보인다. 그러나 SAO는 모든 스왑에 대해 LATS를 통해 비용을 계산해야 하므로 최적화를 위해 LATS를 여러 번 실행해야 한다. LATS는 여러 루프를 실행하며, 흐름과 경로의 수에 따라 실행 시간이 크게 늘어날 수 있다. 결과적으로 SAO는 모든 반복에서 새로운 솔루션을 평가하는 데 오랜 시간을 소비해야 하므로 최적화 성능이 저하된다. 이것은 SAO뿐만 아니라 모든 스왑에 대한 비용을 계산해야 하는 알고리즘에도 잠재적인 문제가 될 수 있다.The second drawback of SAO is that it must compute the cost through LATS for every swap. In general, metaheuristic algorithms that search for nearby neighbors through swap operations have a performance tradeoff with the swap size. A large swap size is more likely to reach a good solution with a relatively small number of swaps, but it is difficult to reach the global optimum due to a large step size. On the other hand, a small swap size is more likely to reach the global optimum with a refined search, but it has the disadvantage of having to perform a large number of swap operations. Therefore, the swap size should be adjusted according to the type of problem. Given this, it seems reasonable to adopt a small swap size for a more detailed exploration of the solution space for TAS schedule optimization, where the cost should converge to zero. However, SAO must compute the cost through LATS for every swap, so it needs to run LATS multiple times for optimization. LATS runs multiple loops, and the execution time can increase significantly depending on the number of flows and paths. As a result, SAO has to spend a long time evaluating a new solution in every iteration, which degrades the optimization performance. This could be a potential problem not only for SAO, but also for any algorithm that needs to compute the cost for every swap.

이러한 문제를 해결하기 위해 PSVO는 SSPSO(Swap-Sequence PSO)를 기반으로 한다. PSVO는 두 단계로 나뉜다. 첫 번째는 SSPSO 기반의 '솔루션 투표'(SV, solution voting)이고, 두 번째는 SA 기반의 '솔루션 미세 조정'(SF, solution fine-tuning)이다. SV(알고리즘 6의 1~44행)는 광범위한 솔루션 공간 검색을 수행하고 가장 많은 입자가 수렴하는 솔루션을 반환한다. PSVO에서 SV 프로세스는 다음과 같다.To solve these problems, PSVO is based on SSPSO (Swap-Sequence PSO). PSVO is divided into two stages. The first is SSPSO-based 'solution voting' (SV), and the second is SA-based 'solution fine-tuning' (SF). SV (lines 1-44 in Algorithm 6) performs a wide solution space search and returns the solution with the largest number of particles converged. The SV process in PSVO is as follows.

1단계: PSVO는 여러 개의 초기 스케줄링 순서를 생성한 다음 비용을 계산하고 각 입자에 대한 베스트 초기 스케줄링 순서/비용을 업데이트한다.Step 1: PSVO generates multiple initial scheduling orders, then computes the cost and updates the best initial scheduling order/cost for each particle.

2단계: PSVO는 각 입자의 스케줄링 순서 중 비용이 가장 좋은 (가장 낮은) 스케줄링 순서를 기억한다.Step 2: PSVO remembers the scheduling order with the best (lowest) cost among the scheduling orders of each particle.

3단계: PSVO는 각 입자의 현재 솔루션에 대해 여러 스왑 작업을 수행한다.Step 3: PSVO performs multiple swap operations on the current solution of each particle.

4단계: PSVO는 동일한 비용을 가진 입자의 비율이 convergenceRate보다 크거나 같을 때까지 1~3단계를 반복한다.Step 4: PSVO repeats steps 1-3 until the fraction of particles with the same cost is greater than or equal to convergenceRate.

SV 프로세스의 3단계에서는 총 3개의 스왑 작업이 있다. 첫 번째는 알고리즘 6의 15행에 있는 각 입자의 현재 스케줄링 순서에 대한 무작위 스왑이다. 이 작업은 SAO처럼 완전히 무작위로 두 개의 흐름을 선택하여 스케줄링 순서를 바꾼다. 두 번째는 16~26행에 있는 pbestVelocity 스왑(입자 베스트 스왑)이다. PSVO는 항상 각 입자의 베스트 스케줄링 순서를 기억한다. 현재 입자의 스케줄링 순서와 현재 입자의 베스트 스케줄링 순서 사이에 동일 인덱스의 값이 다른 경우 16~21행에서 현재 순서가 베스트 스케줄링 순서와 같도록 스왑 연산을 저장한다. 스왑 연산 저장이 끝나면 21~26행에서 pBestProbability로 각각의 스왑 연산을 수행한다. 세 번째 스왑 연산은 swarmVelocity 스왑(군집 스왑)이다. 이것은 이전 세대까지 모든 입자에 의해 생성된 스케줄링 순서 중 가장 좋은 순서인 swarmOrder를 향한 스왑 작업이다(14행의 입자에 대한 루프는 1세대를 의미한다.). swarmOrder, swarmProbability 및 각 입자의 현재 스케줄링 순서에 대해 PSVO는 27~37행에서 pbestVelocity swap과 동일한 프로세스를 반복한다. PSVO는 27~32행에 스왑 작업을 저장하고 저장 프로세스가 완료되면 swarmVelocity를 수행한다. 33~37행에서 swarmProbability의 확률로 스왑한다. SV를 통해 PSVO는 여러 초기 솔루션에서 점진적으로 좋은 솔루션을 생성하고 SV에서 LATS를 통한 비용 계산은 각 입자의 새로운 세대가 업데이트될 때만 수행된다. 결과적으로 PSVO는 다양한 초기 솔루션을 고려하고 SV의 모든 스왑에 대해 LATS를 실행하지도 않는다.In the third stage of the SV process, there are three swap operations in total. The first one is a random swap of the current scheduling order of each particle in line 15 of Algorithm 6. This operation randomly selects two flows like SAO and swaps their scheduling order. The second one is a pbestVelocity swap in lines 16–26. PSVO always remembers the best scheduling order of each particle. If the values of the same index are different between the current particle's scheduling order and the current particle's best scheduling order, it stores the swap operation in lines 16–21 so that the current order is the same as the best scheduling order. After storing the swap operation, it performs each swap operation with pBestProbability in lines 21–26. The third swap operation is a swarmVelocity swap. This is a swap operation towards the swarmOrder, which is the best order among the scheduling orders generated by all particles up to the previous generation (the loop over particles in line 14 means generation 1). For swarmOrder, swarmProbability, and the current scheduling order of each particle, PSVO repeats the same process as pbestVelocity swap in lines 27–37. PSVO stores the swap operation in lines 27–32 and performs swarmVelocity once the storing process is complete. In lines 33–37, it swaps with the probability of swarmProbability. With SV, PSVO generates an asymptotically good solution from several initial solutions, and cost computation via LATS in SV is performed only when a new generation of each particle is updated. As a result, PSVO considers a variety of initial solutions and does not even run LATS for all swaps in SV.

그러나 SV 종료 시 최종 비용은 0이 아닐 수 있다. 이를 위해 SF를 통해 미세 조정 프로세스를 수행한다. SF는 SAO와 동일한 알고리즘이며 초기 솔루션은 SV가 생성한 베스트 솔루션으로 초기화된다. 그러나 동일한 비용을 가진 여러 베스트 솔루션이 있을 수 있다. 이 경우 입자가 집중된 솔루션이 선택된다(솔루션 투표). 그러나 SV의 솔루션은 거의 최적에 가까운 것으로 간주되어 SF는 온도를 낮은 값으로 설정한 저온 상태에서 SAO를 수행한다. 이 과정을 통해 PSVO는 초기 솔루션 의존성 및 과도한 LATS 실행 시간에 대한 SAO의 문제를 해결할 것이다.However, the final cost may not be 0 at the end of SV. For this, a fine-tuning process is performed via SF. SF is the same algorithm as SAO, and the initial solution is initialized to the best solution generated by SV. However, there may be multiple best solutions with the same cost. In this case, the solution with the most concentrated particles is selected (solution voting). However, since SV's solution is considered to be near-optimal, SF performs SAO in a cold state with the temperature set to a low value. Through this process, PSVO will solve the problems of SAO regarding initial solution dependency and excessive LATS running time.

이하에서는 스케줄 가능성(시간/대역폭 낭비와 관련됨), 신뢰성(경로 다양성), TAS 일정에 대한 MWF의 영향의 세 가지 측면에서 제안을 평가하기 위해 다양한 네트워크 시나리오에서 광범위한 시뮬레이션을 수행한다. 본 실시예에 따른 시스템은 Reusch 등의 조인트 다중 경로 라우팅 및 TAS 스케줄링을 위한 최첨단 메타 휴리스틱 알고리즘과 비교한다.In the following, we perform extensive simulations in various network scenarios to evaluate the proposal in terms of three aspects: schedulability (related to time/bandwidth waste), reliability (path diversity), and the impact of MWF on TAS scheduling. The system according to the present embodiment is compared with the state-of-the-art metaheuristic algorithm for joint multipath routing and TAS scheduling by Reusch et al.

시뮬레이션 설정은 다음과 같다. The simulation settings are as follows.

5가지 별개의 네트워크 토폴로지에 대한 알고리즘을 평가한다. Orion Crew Exploration Vehicle(CEV), National Science Foundation(NSF), USA Long Haul(ULH), Partial Mesh Topology(PMT), ZONAL 아키텍처 네트워크 토폴로지는 도 11에 도시된 것과 같다. 모든 링크는 1Gbps 완전 이중이며 다른 트래픽 유형(AVB 및 BE)을 고려하기 위해 TSN 표준에서 권장하는 ST 트래픽의 TAS 스케줄링에 링크 대역폭의 70%만 사용된다. ST 트래픽의 경우 표 3에 명시된 세 가지 다른 흐름 유형을 사용하며, 각 유형은 전체 ST 흐름 수의 1/3을 구성한다. 각 토폴로지의 크기가 다르기 때문에 표 4에 나열된 대로 '높음' 및 '낮음' 트래픽 부하 시나리오에 대해 각 토폴로지에서 서로 다른 수의 흐름을 테스트한다. 여기서 '높음'은 지원될 수 있는 최대 흐름 수에 근접하도록 경험적으로 선택된다. 시뮬레이션에 사용된 SAO 및 PSVO의 기본 파라미터 설정은 표 2에 나열되어 있다. 시뮬레이션은 Intel Core i7-8700 및 16GB 메모리가 장착된 워크스테이션에서 수행된다.We evaluate our algorithm on five distinct network topologies: Orion Crew Exploration Vehicle (CEV), National Science Foundation (NSF), USA Long Haul (ULH), Partial Mesh Topology (PMT), and ZONAL architecture. The network topologies are as illustrated in Fig. 11. All links are 1 Gbps full duplex and only 70% of the link bandwidth is used for TAS scheduling of ST traffic as recommended by the TSN standard to account for other traffic types (AVB and BE). For the ST traffic, we use three different flow types as listed in Table 3, each of which constitutes one-third of the total number of ST flows. Since each topology has different sizes, we test different numbers of flows in each topology for ‘high’ and ‘low’ traffic load scenarios as listed in Table 4, where ‘high’ is empirically chosen to be close to the maximum number of flows that can be supported. The default parameter settings of SAO and PSVO used in the simulations are listed in Table 2. Simulations are performed on a workstation with an Intel Core i7-8700 and 16 GB of memory.

[표 2][Table 2]

[표 3][Table 3]

[표 4][Table 4]

먼저 SAO, PSVO 및 REUSCH의 세 가지 알고리즘의 스케줄링 성능을 평가한다. 경로 다양성은 P=3으로 설정하고 스케줄링 시간 제한은 10분으로 설정하고 각 시나리오에 대해 30회의 시뮬레이션을 수행한다. 도 12의 (a)와 (b)는 각각 트래픽 부하가 낮을 때와 높을 때 스케줄링 성공률을 나타낸다. 도 12의 (a)에서 SAO와 PSVO는 모든 토폴로지에서 100% 성공했지만 REUSCH는 NSF와 ZONAL에서 성공률이 낮았고 ULH에서는 0%였다. 도 12의 (b)에서 REUSCH는 5개 토폴로지 모두에 대해 스케줄을 세우지 못했고 SAO도 NSF 및 ULH 토폴로지에 대해 약간의 어려움을 겪었다. 대조적으로 PSVO는 ULH에서 90%, 다른 모든 시나리오에서 100%를 달성했다. 이는 REUSCH가 MWF를 고려하지 않고 라우팅과 스케줄링 모두에 대해 시뮬레이션된 어닐링을 채택하고 제한 시간 내에 솔루션에 도달하지 못했기 때문이다. 또한 PSVO는 초기 솔루션 종속성 및 각 스왑 작업에서 비용 계산을 위한 빈번한 재스케줄링과 같은 SAO의 예상되는 단점을 극복한다. 이러한 결과는 함께 RWMR 다중 경로 라우팅 및 PSVO 최적화가 있는 제안된 LATS가 FRER 지원을 위해 MWF를 고려하면서 강력한 스케줄링 성능을 제공함을 보여준다.First, we evaluate the scheduling performance of three algorithms, SAO, PSVO, and REUSCH. The path diversity is set to P = 3, the scheduling timeout is set to 10 minutes, and 30 simulations are performed for each scenario. Figure 12(a) and (b) show the scheduling success rates when the traffic load is low and high, respectively. In Figure 12(a), SAO and PSVO achieve 100% success in all topologies, but REUSCH has low success rates in NSF and ZONAL, and 0% in ULH. In Figure 12(b), REUSCH fails to schedule for all five topologies, and SAO also has some difficulties in NSF and ULH topologies. In contrast, PSVO achieves 90% in ULH and 100% in all other scenarios. This is because REUSCH adopts simulated annealing for both routing and scheduling without considering MWF and fails to reach a solution within the time limit. In addition, PSVO overcomes the expected shortcomings of SAO, such as early solution dependency and frequent rescheduling for cost computation in each swap operation. These results together demonstrate that the proposed LATS with RWMR multipath routing and PSVO optimization provides robust scheduling performance while considering MWF for FRER support.

또한, 도 12의 (c)는 다양한 흐름의 NSF 토폴로지에 대한 스케줄링 성공률을 그래프로 나타낸다. 이전 두 결과와 마찬가지로 REUSCH의 성공률은 SAO보다 훨씬 더 일찍(더 적은 수의 흐름에서) 떨어지는 반면 PSVO는 450 ST 흐름까지 100%를 달성했다. 이 결과는 본 실시예에 따른 접근 방식의 장점을 계속 강조한다.In addition, Fig. 12(c) shows the scheduling success rate for NSF topologies with various flows graphically. Similar to the previous two results, REUSCH's success rate drops off much earlier (at fewer flows) than SAO, while PSVO achieves 100% up to 450 ST flows. This result continues to highlight the advantage of the approach according to the present embodiment.

FRER에 대한 다중 경로 라우팅을 사용한 TAS 스케줄링은 링크 장애에 대해 충분한 신뢰성을 제공해야 한다. 그러나 그 전에 TAS 스케줄링이 먼저 성공해야 한다. 그러나 도 12의(c)와 같이 REUSCH의 스케줄링 성능이 좋지 않아 최종 스케줄의 신뢰도를 비교하기 어렵다. 따라서 최종(최적화된) 일정을 기다리지 않고 각 알고리즘을 10분 동안 실행한 후 스케줄의 신뢰도를 평가한다. 경로 다양성 증가에 따른 신뢰도를 평가하기 위해 단일 경로에서 5개의 다중 경로까지 5개의 시나리오에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 이 시뮬레이션은 도 11의 5개 토폴로지에 대해 수행되었으며 총 흐름 수는 300개로 고정되어 있다.TAS scheduling using multipath routing for FRER should provide sufficient reliability against link failures. However, TAS scheduling should succeed first before that. However, as shown in Fig. 12(c), the scheduling performance of REUSCH is not good, making it difficult to compare the reliability of the final schedule. Therefore, we evaluate the reliability of the schedule after executing each algorithm for 10 minutes without waiting for the final (optimized) schedule. To evaluate the reliability according to the increase in path diversity, simulations were performed for five scenarios from a single path to five multipaths. The simulations were performed for five topologies in Fig. 11, and the total number of flows was fixed to 300.

도 13은 각 다중 경로 시나리오에 대한 평균 흐름 신뢰도를 보여준다. x축은 동시에 실패하는 링크의 수이며, 각 시나리오에 대해 총 100개의 랜덤 링크 실패를 생성하여 평균 신뢰도(단대단 전송에 성공한 흐름의 비율)를 평가한다. 결과는 PSVO가 탐욕 기반 라우팅 접근 방식을 사용하더라도 모든 시나리오에서 REUSCH보다 높은 신뢰성을 달성함을 보여준다. 또한, 도 12의 (c)의 결과를 고려할 때, REUSCH의 신뢰성은 흐름의 기한 요구사항을 준수하지 않고 달성되었다고 말할 수 있다. 따라서 성공적인 스케줄링 결과에 대한 REUSCH의 실제 신뢰도는 도 13의 결과보다 훨씬 나쁠 것이며 PSVO는 REUSCH에 비해 상대적으로 더 큰 성능 이득을 보일 것이다. 한 가지 흥미로운 점은 PSVO가 단일 경로 시나리오에서도 우수한 신뢰성을 가지고 있다는 것이다. 이는 RWMR이 활용도 기반 가중치 정책을 사용하여 비교적 성공적인 로드 밸런싱 결과를 생성한다는 것을 의미한다.Fig. 13 shows the average flow reliability for each multi-path scenario. The x-axis is the number of links that fail simultaneously, and we generate a total of 100 random link failures for each scenario to evaluate the average reliability (the fraction of flows that succeed in end-to-end transmission). The results show that PSVO achieves higher reliability than REUSCH in all scenarios even with the greedy routing approach. In addition, considering the results in Fig. 12(c), we can say that the reliability of REUSCH is achieved without respecting the deadline requirement of the flows. Therefore, the actual reliability of REUSCH for successful scheduling results will be much worse than the results in Fig. 13, and PSVO will show relatively larger performance gain compared to REUSCH. One interesting thing is that PSVO has good reliability even in the single-path scenario. This means that RWMR produces relatively successful load balancing results by using the utilization-based weighting policy.

MWF의 목적은 FRER을 사용할 때 TAS 일정에서 시간/대역폭 낭비를 제거하여 일정 가능성을 개선하고 링크 활용을 줄이는 것이다. 이 목적이 충족되었는지 평가하기 위해 타임테이블링(TT, time-tabling) 알고리즘을 기반으로 LATS를 완화된 타임테이블링(relaxedTT) 알고리즘과 비교한다. TT는 '대기 없음' 정책으로 TSN 패킷 스케줄링 문제를 해결한다. 그러나 대기 없음 정책은 실행 가능한 솔루션 공간을 줄여 솔루션을 찾기가 더 어려워지는 더 엄격한 제약 조건이다. 따라서, 보다 공정한 비교를 위해 relaxedTT는 스케줄 충돌이 발생할 때만 대기 없음 제약조건을 완화한다. 두 알고리즘 모두 10분의 제한 시간으로 PSVO로 최적화를 수행하고 총 6개의 시나리오에 대해 시뮬레이션을 실행했다. 두 토폴로지 NSF 및 CEV에서 경로 다양성(다중 경로 수)을 3에서 5로 변경한다.The goal of MWF is to improve schedulability and reduce link utilization by eliminating time/bandwidth waste in TAS schedules when using FRER. To evaluate whether this goal is met, we compare LATS with the relaxed TT algorithm, which is based on the time-tabling (TT) algorithm. TT solves the TSN packet scheduling problem with a 'no-wait' policy. However, the no-wait policy is a stricter constraint that reduces the feasible solution space and makes it harder to find a solution. Therefore, for a fair comparison, relaxedTT relaxes the no-wait constraint only when a scheduling conflict occurs. Both algorithms are optimized with PSVO with a time limit of 10 minutes and simulations are run for a total of six scenarios. The path diversity (the number of multipaths) is varied from 3 to 5 in both topologies, NSF and CEV.

스케줄링 가능성을 높이기 위한 방법은 동일한 링크에서 모든 다중 경로 스케줄링을 한 번만 수행하여 다른 흐름 스케줄링을 위한 여유 공간을 확보하는 것이지만, 반대로 강력한 스케줄링 제약을 부과하여 스케줄링 가능성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 도 14는 LATS가 MWF를 통해 스케줄링 가능성을 향상시킬 수 있는지 여부를 확인하기 위해 플롯된다. 의도한 대로 LATS는 모든 시나리오에서 RelaxedTT보다 더 높은 스케줄링 성공률을 갖는다. 또한 경로 다양성이 증가함에 따라 MWF에 의해 절약되는 더 많은 리소스로 인해 LATS의 이득이 증가한다. 도 15는 6가지 시나리오에 대한 평균 링크 활용도를 보여준다. RelaxedTT의 스케줄링 성공률은 LATS보다 현저히 낮기 때문에, RelaxedTT가 성공한 시나리오에서만 두 알고리즘의 평균 링크 활용도를 비교한다는 점에 유의해야 한다(도 14). 그림에서 LATS는 RelaxedTT에 비해 평균 링크 활용도가 현저히 낮음을 알 수 있다. 그리고 다중경로의 수가 증가할수록 이중화 링크의 수가 증가하여 LATS의 링크 활용 이점이 증가한다.One way to improve schedulability is to perform all multipath scheduling on the same link only once, leaving room for other flow scheduling, but conversely, it may impose strong scheduling constraints, which may negatively affect schedulability. Figure 14 is plotted to verify whether LATS can improve schedulability with MWF. As intended, LATS has a higher scheduling success rate than RelaxedTT in all scenarios. Also, as the path diversity increases, the gain of LATS increases due to more resources saved by MWF. Figure 15 shows the average link utilization for six scenarios. Note that since the scheduling success rate of RelaxedTT is significantly lower than that of LATS, we compare the average link utilization of the two algorithms only in the scenarios where RelaxedTT succeeds (Figure 14). From the figure, we can see that LATS has a significantly lower average link utilization than RelaxedTT. And as the number of multipaths increases, the number of redundant links increases, which increases the link utilization advantage of LATS.

마지막으로, 도 16은 CEV 및 NSF 토폴로지에서 경로 다양성이 3일 때 최대 라우팅 가능한 흐름 세트에 대한 비용(SLE) 수렴 동작을 표시한다. 두 가지 최적화 전략(SAO 및 PSVO)과 두 가지 스케줄링 알고리즘(LATS 및 완화된TT)을 결합하여 네 가지 경우를 평가한다. CEV 시나리오(도 16의 (a))에서 LATS에 기반한 접근 방식은 동일한 최적화 전략에 대해 각각 완화된TT보다 낮은 최종 비용을 달성했다. 저렴한 비용은 성공적인 TAS 스케줄에 가깝다는 것을 의미한다. 또한 PSVO 기반 접근 방식은 SAO 기반 접근 방식에 비해 빠른 비용 절감 및 더 낮은 최종 비용을 달성했다. 비용 절감이 빠르다는 것은 TAS 스케줄링 결과가 최적(성공적인 스케줄)에 순조롭게 접근하고 있음을 의미하며, 즉 PSVO의 스케줄링 최적화 성능이 SAO를 능가한다는 의미이다. 도 16의 (b)의 NSF 토폴로지의 경우에도 PSVO는 SAO보다 낮은 비용을 보여준다. LATS의 스케줄링 성능 향상(최종 비용)은 눈에 띄지 않지만, 이는 3개의 다중 경로 시나리오에서 중첩 링크(도 15의 (b)의 링크 활용 결과 참조)가 적기 때문이다. 4개 또는 5개의 다중 경로가 필요한 경우 LATS가 더 큰 성능 향상을 제공한다. 요약하면, 결과는 LATS가 스케줄링 가능성을 증가시키고 PSVO가 강력한 스케줄링 최적화 전략임을 보여준다.Finally, Fig. 16 shows the cost (SLE) convergence behavior for the maximum routable flow set when the path diversity is 3 in CEV and NSF topologies. Four cases are evaluated by combining two optimization strategies (SAO and PSVO) and two scheduling algorithms (LATS and relaxed TT). In the CEV scenario (Fig. 16(a)), the LATS-based approach achieves lower final cost than the relaxed TT for the same optimization strategy, respectively. The lower cost means that it is close to a successful TAS schedule. In addition, the PSVO-based approach achieves faster cost reduction and lower final cost than the SAO-based approach. The faster cost reduction means that the TAS scheduling results are smoothly approaching the optimum (successful schedule), i.e., the scheduling optimization performance of PSVO outperforms SAO. For the NSF topology in Fig. 16(b), PSVO also shows lower cost than SAO. The scheduling performance improvement (final cost) of LATS is not noticeable, but this is because there are fewer overlapping links (see link utilization results in (b) of Fig. 15) in the three-multipath scenario. When four or five multipaths are required, LATS provides greater performance improvement. In summary, the results show that LATS increases the schedulability and PSVO is a powerful scheduling optimization strategy.

FRER를 위해 다중 경로를 고려하는 것은 높은 네트워크 부하를 일으킬 수 있고, 스케줄링 공간을 감소시켜 TAS의 스케줄링 성공 가능성을 심하게 감소시킬 수 있다. 또한, 스케줄링 및 라우팅 통합 기법에서는 성공적인 TSN 구성을 위해 탐색해야만 하는 검색공간이 방대하여 실질적으로 성공적인 라우팅 및 스케줄링을 제공하지 못하였다. 본 실시예에서는 이러한 문제점들을 인지하고 다양한 측면에서 실질적인 실행시간을 보장하기 위한 접근방법들을 고려한 복합적 기법이 적용되고 있다. Considering multiple paths for FRER can cause high network load and reduce the scheduling space, which can severely reduce the possibility of successful scheduling of TAS. In addition, the integrated scheduling and routing technique cannot provide practically successful routing and scheduling because the search space that must be searched for successful TSN configuration is huge. In this embodiment, a composite technique is applied that recognizes these problems and considers approaches to guarantee practical execution time from various aspects.

FRER로 인한 네트워크 부하와 스케줄링 가능성의 감소를 최소화하고자 MWF 스케줄링 메커니즘을 이용하여 FRER의 근본적인 단점을 보완함으로써 다양한 상황에서도 더 높은 스케줄링 가능성을 보장할 수 있다. In order to minimize the network load and decrease in schedulability caused by FRER, the MWF scheduling mechanism can be used to complement the fundamental shortcomings of FRER, thereby ensuring higher schedulability in various situations.

다중 경로 라우팅과 MWF를 고려한 스케줄링을 위해 휴리스틱한 접근 방법을 채택함으로써 문제의 복잡성에 크게 상관없이 매우 빠른 솔루션을 제공할 수 있다. By adopting a heuristic approach for scheduling considering multipath routing and MWF, we can provide very fast solutions regardless of the complexity of the problem.

휴리스틱 접근 방식의 단점을 보완하고자 메타휴리스틱 기반의 최적화 전략을 도입하여, 스케줄링 성공 가능성을 높이고 있다. 이러한 전략은 기존 알고리즘들보다 고품질의 솔루션을 빠르게 제공할 수 있다. To compensate for the shortcomings of the heuristic approach, a metaheuristic-based optimization strategy is introduced to increase the possibility of scheduling success. This strategy can provide high-quality solutions faster than existing algorithms.

본 실시예에서는 TSN에서 FRER을 고려한 다중 경로 라우팅과 TAS 스케줄링의 공통 전략이 너무 복잡하다는 것을 인지하고 두 문제를 분리하고 있다.In this embodiment, we recognize that the common strategy of multipath routing and TAS scheduling considering FRER in TSN is too complex, and so we separate the two problems.

기존의 방법들이 FRER과 TAS 스케줄링의 복잡성을 다루기 힘들다는 것을 밝히고 다양한 휴리스틱 기반 접근 방법들을 통해 최적에 가까운 전송 신뢰성과 빠른 스케줄링 성능 및 낮은 네트워크 대역폭 사용률을 제공할 수 있다.It is revealed that existing methods have difficulty in dealing with the complexity of FRER and TAS scheduling, and various heuristic-based approaches can provide near-optimal transmission reliability, fast scheduling performance, and low network bandwidth utilization.

두 메타휴리스틱 알고리즘을 고려하여 스케줄링 최적화 알고리즘을 제안하고, 휴리스틱 기반 접근 방법의 단점인 고정된 결과로 인한 낮은 스케줄링 성공률 문제를 해결하고 있다.Considering two metaheuristic algorithms, we propose a scheduling optimization algorithm and solve the problem of low scheduling success rate due to fixed results, which is a shortcoming of heuristic-based approaches.

위의 복합적인 전략들을 통해 FRER의 실용성을 높이고 TSN이 높은 신뢰성을 제공하도록 할 수 있다.The above combined strategies can increase the practicality of FRER and ensure that TSN provides high reliability.

전술한 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법은, 컴퓨터에 의해 실행되는 애플리케이션이나 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독 가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. The above-described routing and scheduling method for FRER can also be implemented in the form of a recording medium containing computer-executable instructions, such as an application or program module executed by a computer. The computer-readable medium can be any available medium that can be accessed by a computer, and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. Furthermore, the computer-readable medium can include a computer storage medium. The computer storage medium includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information, such as computer-readable instructions, data structures, program modules or other data.

전술한 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법은, 단말기에 기본적으로 설치된 애플리케이션(이는 단말기에 기본적으로 탑재된 플랫폼이나 운영체제 등에 포함된 프로그램을 포함할 수 있음)에 의해 실행될 수 있고, 사용자가 애플리케이션 스토어 서버, 애플리케이션 또는 해당 서비스와 관련된 웹 서버 등의 애플리케이션 제공 서버를 통해 마스터 단말기에 직접 설치한 애플리케이션(즉, 프로그램)에 의해 실행될 수도 있다. 이러한 의미에서, 전술한 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법은 단말기에 기본적으로 설치되거나 사용자에 의해 직접 설치된 애플리케이션(즉, 프로그램)으로 구현되고 단말기 등의 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다.The above-described routing and scheduling method for FRER can be executed by an application that is basically installed in the terminal (which may include a program included in a platform or operating system that is basically installed in the terminal), and can also be executed by an application (i.e., a program) that the user directly installs in the master terminal through an application providing server, such as an application store server, an application, or a web server related to the corresponding service. In this sense, the above-described routing and scheduling method for FRER can be implemented as an application (i.e., a program) that is basically installed in the terminal or directly installed by the user, and can be recorded on a computer-readable recording medium such as the terminal.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes may be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below.

100: FRER용 라우팅 및 스케줄링 시스템
110: 다중 경로 라우팅부
120: 스케줄링부
130: 최적화부
100: Routing and Scheduling System for FRER
110: Multi-path routing section
120: Scheduling Department
130: Optimization Department

Claims (12)

시민감 네트워킹에서 FRER을 위한 라우팅 및 스케줄링 방법으로서,
(a) 새로 생성된 멤버 스트림의 전달 스케줄이 모든 이전 멤버 스트림의 예상 도착 시간 이후가 되도록 하는 MWF 제약 조건을 설정하는 단계;
(b) 다중 경로 라우팅부에서 중복-가중 다중 경로 라우팅(RWMR)을 수행하여 고정된 다중 경로 집합을 획득하는 단계;
(c) 스케줄링부에서 상기 다중 경로 집합을 기반으로 입력 흐름의 순서대로 각 흐름의 스케줄을 생성하는 단계;
(d) 최적화부에서 상기 입력 흐름의 순서를 변경하여 대기 시간 기한을 충족하는 흐름의 수를 최대화하는 흐름 스케줄링 순서를 찾는 단계;
(e) 상기 흐름 스케줄링 순서에 따라 스케줄링을 수행하는 단계를 포함하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법.
As a routing and scheduling method for FRER in citizen-centric networking,
(a) setting an MWF constraint such that the delivery schedule of a newly created member stream is after the expected arrival time of all previous member streams;
(b) a step of performing redundant-weighted multi-path routing (RWMR) in a multi-path routing section to obtain a fixed multi-path set;
(c) a step of generating a schedule for each flow in the order of input flows based on the multi-path set in the scheduling unit;
(d) a step of finding a flow scheduling order that maximizes the number of flows that satisfy the waiting time deadline by changing the order of the input flows in the optimization unit;
(e) A routing and scheduling method for FRER, comprising the step of performing scheduling according to the above flow scheduling sequence.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 링크 중첩 횟수에 따라 링크 가중치를 조정하여 흐름당 P개의 경로를 생성하되, P는 사용자가 구성한 요청된 경로 다양성의 수인 것을 특징으로 하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법.
In the first paragraph,
A routing and scheduling method for FRER, characterized in that in the step (b) above, P paths are generated per flow by adjusting link weights according to the number of link overlaps, where P is the number of requested path diversities configured by the user.
제2항에 있어서,
상기 단계 (b)는 이미 생성된 경로를 반환할 때 복제된 경로에 사용된 각 링크에 대해서 1/2 확률로 상기 링크 중첩 횟수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법.
In the second paragraph,
A routing and scheduling method for FRER, characterized in that the step (b) above increases the number of link overlaps with a probability of 1/2 for each link used in the replicated path when returning an already created path.
제1항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 상기 스케줄링부는 동일 링크를 사용하는 모든 다중 경로가 중첩 링크의 이전 링크까지 스케줄링되면 상기 중첩 링크를 스케줄링하고, 그렇지 않으면 다른 링크를 스케줄링하는 것을 특징으로 하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법.
In the first paragraph,
A routing and scheduling method for FRER, characterized in that in the step (c), the scheduling unit schedules the overlapping link if all multi-paths using the same link are scheduled up to the previous link of the overlapping link, and otherwise schedules another link.
제4항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 상기 스케줄링부는 각 링크에 대해 가변 길이 슬롯을 스케줄링하되,
MWF 제약 조건을 충족하는 시간에 스케줄링 가능한 슬롯이 발견되면 스케줄링이 수행되며,
사용된 슬롯을 제외한 나머지 슬롯을 새로 사용 가능한 슬롯으로 슬롯 목록에 추가하는 것을 특징으로 하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법.
In paragraph 4,
In the above step (c), the scheduling unit schedules a variable length slot for each link,
Scheduling is performed when a schedulable slot is found that satisfies the MWF constraints.
A routing and scheduling method for FRER, characterized in that the remaining slots, excluding the used slots, are added to the slot list as newly available slots.
제4항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 상기 스케줄링부는 동일한 입력에 대해 동일한 결정적 TAS 스케줄 결과를 반환하는 휴리스틱 방식으로 스케줄링을 수행하는 것을 특징으로 하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법.
In paragraph 4,
A routing and scheduling method for FRER, characterized in that in the above step (c), the scheduling unit performs scheduling in a heuristic manner that returns the same deterministic TAS schedule result for the same input.
제1항에 있어서,
상기 단계 (d)는 입자 군집 최적화(PSO, particle swarm optimization) 기반 투표(PSVO)를 적용하여 최적화를 수행하는 것을 특징으로 하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법
In the first paragraph,
The above step (d) is a routing and scheduling method for FRER characterized in that it performs optimization by applying particle swarm optimization (PSO)-based voting (PSVO).
제7항에 있어서,
상기 PSVO는 스왑 시퀀스 PSO(SSPSO) 기반의 솔루션 투표(SV) 프로세스와 SA(Simulated Annealing) 기반의 솔루션 미세 조정(SF) 프로세스를 수행하는 것을 특징으로 하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법.
In Article 7,
A routing and scheduling method for FRER, characterized in that the above PSVO performs a solution voting (SV) process based on swap sequence PSO (SSPSO) and a solution fine-tuning (SF) process based on Simulated Annealing (SA).
제8항에 있어서,
상기 솔루션 투표(SV) 프로세스는,
(SV-1) 여러 개의 초기 스케줄링 순서를 생성한 다음 비용을 계산하고, 각 입자에 대한 베스트 초기 스케줄링 순서 및 비용을 업데이트하는 단계와;
(SV-2) 각 입자의 스케줄링 순서 중 비용이 가장 좋은 스케줄링 순서를 기억하는 단계와;
(SV-3) 각 입자의 현재 솔루션에 대해 지정된 스왑 작업을 수행하는 단계와;
(SV-4) 동일한 비용을 가진 입자의 비율이 수렴 기준치에 도달할 때까지 (SV-1) 내지 (SV-3) 단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법.
In Article 8,
The above solution voting (SV) process is:
(SV-1) A step of generating multiple initial scheduling orders, then calculating the cost, and updating the best initial scheduling order and cost for each particle;
(SV-2) A step of remembering the scheduling order with the best cost among the scheduling orders of each particle;
(SV-3) A step of performing a specified swap operation for the current solution of each particle;
(SV-4) A routing and scheduling method for FRER, characterized by including a step of repeating steps (SV-1) to (SV-3) until the ratio of particles having the same cost reaches a convergence criterion.
제9항에 있어서,
상기 (SV-3) 단계에서 상기 지정된 스왑 작업에는,
각 입자의 현재 스케줄링 순서에 대한 무작위 스왑과, 현재 입자의 스케줄링 순서와 현재 입자의 베스트 스케줄링 순서 사이에 동일 인덱스 값이 다른 경우 현재 순서가 베스트 스케줄링 순서와 같도록 하는 입자 베스트 스왑과, 이전 세대까지 모든 입자에 의해 생성된 스케줄링 순서 중 가장 좋은 순서를 선택하는 군집 스왑이 포함되는 것을 특징으로 하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법.
In Article 9,
In the above-mentioned (SV-3) step, the specified swap operation includes:
A routing and scheduling method for FRER, characterized by including a random swap for the current scheduling order of each particle, a particle best swap that makes the current order the same as the best scheduling order if the same index value is different between the scheduling order of the current particle and the best scheduling order of the current particle, and a swarm swap that selects the best order among the scheduling orders generated by all particles up to the previous generation.
제8항에 있어서,
상기 솔루션 미세 조정(SF) 프로세스는 동일 비용을 가지는 여러 베스트 솔루션 중에서 입자가 집중된 솔루션이 선택되게 하는 것을 특징으로 하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 방법.
In Article 8,
A routing and scheduling method for FRER, wherein the solution fine-tuning (SF) process selects a particle-concentrated solution among several best solutions having the same cost.
시민감 네트워킹에서 FRER을 위한 라우팅 및 스케줄링 시스템으로서,
중복-가중 다중 경로 라우팅(RWMR)을 수행하여 고정된 다중 경로 집합을 획득하는 다중 경로 라우팅부;
상기 다중 경로 집합을 기반으로 입력 흐름의 순서대로 각 흐름의 스케줄을 생성하는 스케줄링부; 및
상기 입력 흐름의 순서를 변경하여 대기 시간 기한을 충족하는 흐름의 수를 최대화하는 흐름 스케줄링 순서를 찾는 최적화부를 포함하되,
상기 스케줄링부는 상기 흐름 스케줄링 순서에 따라 스케줄링을 수행하고,
새로 생성된 멤버 스트림의 전달 스케줄이 모든 이전 멤버 스트림의 예상 도착 시간 이후가 되도록 하는 MWF 제약 조건이 기본 설정되는 것을 특징으로 하는 FRER용 라우팅 및 스케줄링 시스템.
As a routing and scheduling system for FRER in citizen-centric networking,
A multipath routing section that obtains a fixed set of multipaths by performing redundant-weighted multipath routing (RWMR);
A scheduling unit that generates a schedule for each flow in the order of the input flows based on the above multi-path set; and
An optimization unit that finds a flow scheduling order that maximizes the number of flows that satisfy a waiting time deadline by changing the order of the input flows,
The above scheduling unit performs scheduling according to the above flow scheduling order,
A routing and scheduling system for FRER, characterized by a default MWF constraint that ensures that the delivery schedule of a newly created member stream is after the expected arrival times of all previous member streams.
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