Entwicklung und Evaluierung eines SDN-gestützten echtzeitfähigen Gerätenetzwerkes

134 Pages·2016·2.058 MB·German

by  Eike Björn Schweißguth (auth.)

Eike Björn Schweißguth
Entwicklung und
Evaluierung eines SDN-
gestützten echtzeitfähigen
Gerätenetzwerkes
BestMasters
Mit „BestMasters“ zeichnet Springer die besten Masterarbeiten aus, die an renom-
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insbesondere auch Nachwuchswissenschaftlern Orientierung geben.
Eike Björn Schweißguth
Entwicklung und
Evaluierung eines SDN-
gestützten echtzeitfähigen
Gerätenetzwerkes
Eike Björn Schweißguth
Rostock, Deutschland
BestMasters
ISBN 978-3-658-14746-4 ISBN 978-3-658-14747-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-14747-1
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Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis ........................................................................................ IX
Tabellenverzeichnis ............................................................................................ XI
Codeverzeichnis ............................................................................................... XIII
Abkürzungen ...................................................................................................... XV
1 Einleitung ........................................................................................................1
1.1 Motivation und Zielsetzung ..................................................................................... 1
1.2 Aufbau der Arbeit ..................................................................................................... 2
2 Grundlagen ..................................................................................................... 3
2.1 Echtzeitdatenübertragung und Industrial Ethernet .............................................. 3
2.1.1 Klassifizierung von Echtzeitkommunikationssystemen ............................... 3
2.1.2 Industrial Ethernet ............................................................................................. 4
2.1.3 Zeitschlitzverfahren ........................................................................................... 9
2.1.4 Analyse der Übertragungslatenz .................................................................... 10
2.1.5 Anforderungsparameter .................................................................................. 14
2.2 Software Defined Networking (SDN) .................................................................. 15
2.2.1 OpenFlow ......................................................................................................... 18
2.2.2 POX-Controller ............................................................................................... 23
2.3 Dijkstra-Algorithmus .............................................................................................. 25
2.4 Java Script Object Notation (JSON) .................................................................... 27
3 Konzept ......................................................................................................... 29
3.1 Übersicht .................................................................................................................. 29
3.2 Topologie- und Hosterkennung ............................................................................ 31
3.2.1 Erkennung von Switch-Switch-Verbindungen ............................................ 31
3.2.2 Erkennung angeschlossener Endgeräte ........................................................ 32
3.3 Erkennung von Kommunikationsmuster und -anforderungen ........................ 34
3.3.1 Flow-Definition und Anforderungsprofil ..................................................... 34
3.3.2 Statischer Modus .............................................................................................. 35
3.3.3 Nichtstatischer Modus .................................................................................... 36
3.3.4 Anforderungsparameter und Übertragungslatenz ....................................... 38
VI Inhaltsverzeichnis
3.4 Routenfindung und Scheduling ............................................................................. 43
3.4.1 Einfacher Algorithmus .................................................................................... 45
3.4.2 Optimierungen zur Effizienzverbesserung und Jitterreduzierung ............ 50
3.4.3 Algorithmus mit Optimierungen ................................................................... 54
3.4.4 Übermittlung des Sendezeitplans an die Endgeräte .................................... 57
3.5 Synchronisierung und Queue ................................................................................ 58
3.5.1 Synchronisierung und zeitliche Auflösung ................................................... 58
3.5.2 Queue ................................................................................................................ 64
4 Implementierung .......................................................................................... 65
4.1 Verwendete Hardware und Software .................................................................... 65
4.2 Topologie- und Hosterkennung ............................................................................ 66
4.3 Erkennung von Kommunikationsmuster und -anforderungen ........................ 68
4.4 Routenfindung und Scheduling ............................................................................. 69
4.5 Synchronisierung und Queue ................................................................................ 69
4.5.1 Synchronisierung und zeitliche Auflösung ................................................... 69
4.5.2 Queue ................................................................................................................ 71
5 Inbetriebnahme und Messungen ................................................................. 73
5.1 Aufnahme von Systemeigenschaften .................................................................... 73
5.1.1 Bestimmung von t(cid:2897)(cid:2919)(cid:2924)(cid:2903)(cid:2925)(cid:2916)(cid:2930)(cid:2933)(cid:2911)(cid:2928)(cid:2915) und t(cid:2897)(cid:2911)(cid:2934)(cid:2903)(cid:2925)(cid:2916)(cid:2930)(cid:2933)(cid:2911)(cid:2928)(cid:2915) ........................................ 74
5.1.2 Bestimmung von t(cid:2897)(cid:2919)(cid:2924)(cid:2903)(cid:2933)(cid:2919)(cid:2930)(cid:2913)(cid:2918) und t(cid:2897)(cid:2911)(cid:2934)(cid:2903)(cid:2933)(cid:2919)(cid:2930)(cid:2913)(cid:2918) ............................................... 77
5.1.3 Bewertung der bestimmten Systemeigenschaften ....................................... 82
5.2 Überprüfung des Synchronisierungsmechanismus ............................................. 83
5.3 Verifikation der Einhaltung von Echtzeitanforderungen .................................. 84
5.3.1 Single-Switch-Topologie mit HP 2920.......................................................... 84
5.3.2 Ringtopologie mit TP-Link WR1043ND ..................................................... 89
5.4 Vergleich von einfachem und erweitertem Algorithmus ................................... 92
5.5 Demonstration des zur Verfügung stehenden Potentials .................................. 94
6 Diskussion und Ausblick .............................................................................. 99
6.1 Herausforderungen und Nachteile des Konzepts ............................................... 99
6.2 Vorteile des Konzepts .......................................................................................... 101
6.3 Ausblick .................................................................................................................. 103
Inhaltsverzeichnis VII
7 Verwandte Arbeiten ..................................................................................... 107
7.1 Achieving end-to-end real-time Quality of
Service with Software Defined Networking [35] .............................................. 107
7.2 Enhancing the Quality Level Support for Real-time
Multimedia Applications in Software-Defined Networks [36] ....................... 109
8 Zusammenfassung ...................................................................................... 113
Literaturverzeichnis ........................................................................................... 117
Anhang A: Link-Belegungsplan zu Kapitel 5.5 ................................................. 121
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Beispiel für ein Zeitschlitzverfahren ....................................................... 9
Abbildung 2: Darstellung der beschriebenen Verzögerungsparameter
bei der Übertragung von Daten über das Netzwerk ........................... 11
Abbildung 3: Konzept des Software Defined Networking [11] [9] .......................... 16
Abbildung 4: Link Discovery mittels LLDP-Paketen................................................. 32
Abbildung 5: Ablauf der Hosterkennung ..................................................................... 33
Abbildung 6: Zeitschlitzkonfiguration nach Formel ( 3.2 ) ....................................... 39
Abbildung 7: Beispiel einer Zeitschlitzkonfiguration mit ungenutzten Zeit-
schlitzen zur Einhaltung der maximal zulässigen Latenz ................... 40
Abbildung 8: Beispieltopologie für Routing und Zeitplanung .................................. 43
Abbildung 9: Möglicher Link-Belegungsplan für die Beispieltopologie ................... 44
Abbildung 10: Ausschnitt aus Abbildung 9 zur Erläuterung
wichtiger Bezeichner ............................................................................... 45
Abbildung 11: Beispieltopologie für den einfachen Algorithmus
zur Routen- und Zeitplanung ................................................................. 49
Abbildung 12: In der Beispieltopologie durch den Algorithmus
bestimmte Routen ................................................................................... 50
Abbildung 13: Beliebig gewähltes Beispiel zur Veranschaulichung
unterschiedlicher Zykluszeiten ............................................................... 51
Abbildung 14: Jitterfreie Zeitschlitzkonfiguration mit (cid:1872)(cid:3020)(cid:3032)(cid:3041)(cid:3031)(cid:3004)(cid:3052)(cid:3030)(cid:3039)(cid:3032) (cid:3405)(cid:1872)(cid:3004)(cid:3052)(cid:3030)(cid:3039)(cid:3032)(cid:3021)(cid:3036)(cid:3040)(cid:3032)....... 53
Abbildung 15: Ungenauigkeit bei der RTT-Messung (gemessene RTT zu groß) ..... 59
Abbildung 16: Ungenauigkeit beim Angleichen der Zählerstände ............................. 59
Abbildung 17: Beispiel zum Messfehler durch zeitliche Abweichung
der Endgeräte und begrenzte zeitliche Auflösung .............................. 62
Abbildung 18: Belegungsplan, der für die gezeigte Flow-Konfiguration und die
Single-Switch-Topologie mit einem HP 2920 bestimmt wurde ........ 85
Abbildung 19: Ausschnitt des Belegungsplans aus Abbildung 18 zur
Erläuterung der Zusammensetzung der Link-Reservierungen
aus dem tatsächlichen Zeitschlitz und den benötigten
Sicherheitsabständen ............................................................................... 86
X Abbildungsverzeichnis
Abbildung 20: Topologie des zweiten Testaufbaus zur Beurteilung
des Gesamtkonzepts ............................................................................... 89
Abbildung 21: Ausschnitt des Belegungsplans, der für die gezeigte
Flow-Konfiguration und die Ringtopologie mit acht
TP-Link WR1043ND bestimmt wurde ................................................ 90
Abbildung 22: FatTree-Topologie mit an [32] angelehnten Bezeichnern .................. 94