Configuration of Guard Band and Offsets in Cyclic Queuing and Forwarding - Archive ouverte HAL Access content directly
Journal Articles IEEE/ACM Transactions on Networking Year : 2023

Configuration of Guard Band and Offsets in Cyclic Queuing and Forwarding

Configuration de la bande de garde et des décalages en CQF

Abstract

Cyclic Queuing and Forwarding (CQF) is a mechanism defined by IEEE TSN for providing low-jitter in a deterministic network. CQF uses a common time cycle and two buffers per node output port: during one cycle incoming packets are stored in one buffer while packets in the other buffer are being transmitted; at the end of a cycle, the roles of the two buffers are exchanged. The cycle start-times are determined by a time offset that may be different for every output buffer. A guard band at both cycle-ends is foreseen in order to compensate for misalignment and timing inaccuracies. The proper operation of CQF requires that the guard band and the offsets are computed such that nodes are sufficiently time-aligned. First, we give necessary and sufficient conditions for this be guaranteed. The sufficient conditions lend themselves to tractable computations and we show that they are close to optimal. Our conditions account for nonideal clocks and non-zero propagation times; we show that accounting for these two element does matter. Second, we give a method for computing the minimal duration of the guard band, given prior choices of time offsets. Third, a judicious choice of time offsets can considerably decrease the required duration of the guard band: we give a practical algorithm, based on a Mixed Integer Linear Program, for computing offsets that minimize the guard band. We illustrate our results on several CQF network topologies with or without cyclic dependencies.
Cyclic Queuing and Forwarding (CQF) est un mécanisme défini par le groupe TSN de l'IEEE pour fournir une faible gigue dans un réseau déterministe. CQF utilise un cycle de temps commun et deux tampons par port de sortie de nœud : pendant un cycle, les paquets entrants sont stockés dans un tampon tandis que les paquets de l'autre tampon sont transmis ; à la fin d'un cycle, les rôles des deux tampons sont échangés. Les heures de début de cycle sont déterminées par un décalage temporel qui peut être différent pour chaque tampon de sortie. Une bande de garde aux deux extrémités du cycle est prévue afin de compenser les défauts d'alignement et les imprécisions de synchronisation. Le bon fonctionnement de CQF nécessite que la bande de garde et les décalages soient calculés de manière à ce que les nœuds soient suffisamment alignés dans le temps. Premièrement, nous donnons les conditions nécessaires et suffisantes pour que cela soit garanti. Les conditions suffisantes se prêtent à des calculs traitables et nous montrons qu'elles sont proches de l'optimum. Nos conditions tiennent compte des horloges non idéales et des temps de propagation non nuls ; nous montrons que la prise en compte de ces deux éléments est importante. Deuxièmement, nous donnons une méthode pour calculer la durée minimale de la bande de garde, compte tenu des choix préalables de décalages temporels. Troisièmement, un choix judicieux des décalages temporels peut réduire considérablement la durée requise de la bande de garde : nous donnons un algorithme pratique, basé sur un programme linéaire mixte en nombres entiers, pour calculer les décalages qui minimisent la bande de garde. Nous illustrons nos résultats sur plusieurs topologies de réseaux CQF avec ou sans dépendances cycliques.
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Dates and versions

hal-03772877 , version 1 (08-09-2022)
hal-03772877 , version 2 (27-01-2023)
hal-03772877 , version 3 (21-11-2023)

Identifiers

Cite

Damien Guidolin--Pina, Marc Boyer, Jean-Yves Le Boudec. Configuration of Guard Band and Offsets in Cyclic Queuing and Forwarding. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2023, pp.1. ⟨10.1109/TNET.2023.3293050⟩. ⟨hal-03772877v3⟩

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