Converging over deterministic networks for an Industrial Internet

par Pascal Thubert

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Laurent Toutain.

Soutenue le 16-03-2017

à l'Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes) , en partenariat avec Département Systèmes Réseaux, Cybersécurité et Droit du numérique (laboratoire) , Objets communicants pour l'Internet du futur (laboratoire) et de Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes) (laboratoire) .

Le président du jury était Mischa Dohler.

Le jury était composé de Laurent Toutain, Isabelle Chrisment, Thierry Turletti, Géraldine Texier, Nicolas Montavont.

Les rapporteurs étaient Isabelle Chrisment, Thierry Turletti.

  • Titre traduit

    Converger sur des réseaux déterministes pour un Internet Industriel


  • Résumé

    En s'appuyant sur une connaissance précise du temps, sur la réservation de ressources et l'application distribuée de règles d'admission strictes, un réseau déterministe permet de transporter des flux pré-spécifiés avec un taux de perte extrêmement bas et une latence maximale majorée, ouvrant la voie au support d'applications critiques et/ou temps-réel sur une infrastructure de réseau convergée. De nos jours, la Technologie Opérationnelle (OT) s'appuie sur des réseaux déterministes mais conçus à façon, en général propriétaires, utilisant typiquement des liens série spécifiques, et opérés en isolation les uns des autres, ce qui multiplie la complexité physique et les coûts d'achat et de déploiement (CAPEX), ainsi que d'opération et maintenance (OPEX), et empêche l'utilisation agile des ressources. En apportant le déterminisme dans les réseaux des Technologies de l'Information (IT), une nouvelle génération de réseaux commutés de l'IT va permettre l'émulation de ces liens série et la convergence de réseaux autrefois dédiés sur une infrastructure commune à base d'IP. En retour, la convergence de l'IT et de l'OT permettra de nouvelles optimisations industrielles, en introduisant des technologies héritées de l'IT, comme le BigData et la virtualisation des fonctions du réseau (NFV), en support des opérations de l'OT, améliorant les rendements tout en apportant une réduction supplémentaire des coûts. Les solutions de réseaux déterministes réclament des possibilités nouvelles de la part des équipements, possibilités qui vont bien au-delà de celles demandées pour les besoins classiques de la QoS. Les attributs-clé sont : - la synchronisation précise de tous les n'uds, en incluant souvent la source et la destination des flux- le calcul centralisé de chemins de bout en bout à l'échelle du réseau- de nouveaux filtres de mise en forme du trafic à l'intérieur comme à l'entrée du réseau afin de le protéger en tous points- des moyens matériels permettant l'accès au medium à des échéances précises. Au travers de multiples papiers, de contributions à des standards, et de publication de propriété industrielle, le travail présenté ici repousse les limites des réseaux industriels sans fils en offrant : 1. Le calcul centralisé de chemin complexes basé sur une technologie innovante appelée ARC 2. La signalisation de ces chemins complexes et la traçabilité des paquets par une extension de la technologie BIER-TE 3. Réplication, Renvoi et Elimination des doublons le long de ces chemins complexes 4. Un temps-réel basé sur un échéancier qui assure un haut taux de délivrance et garantit une latence bornée 5. La capacité de transporter à la fois des flux déterministes et du trafic IPv6 à multiplexage statistique sur un maillage 6TiSCH partagéCe manuscrit rapporte des améliorations apportées aux techniques existantes des réseaux sans fils à basse puissance (LoWPAN) comme Zigbee, WirelessHART'et ISA100.11a, afin d'amener ces nouveaux bénéfices jusqu'aux réseaux opérationnels sans fil. Elle a été implémentée en programme et sur du matériel open-source, et évaluée face à du IEEE Std. 802.15.4 classique ainsi que du 802.15.4 TSCH, utilisés en topologie maillée. L'expérience menée montre que notre nouvelle proposition permet d'éviter les à-coups et de garantir des taux élevés de délivrance, même face à des évènements exceptionnels comme la perte d'un relais ou la dégradation temporaire d'un lien radio.


  • Résumé

    Based on time, resource reservation, and policy enforcement by distributed shapers, Deterministic Networking provides the capability to carry specified unicast or multicast data streams for real-time applications with extremely low data loss rates and bounded latency, so as to support time-sensitive and mission-critical applications on a converged enterprise infrastructure.As of today, deterministic Operational Technology (OT) networks are purpose-built, mostly proprietary, typically using serial point-to-point wires, and operated as physically separate networks, which multiplies the complexity of the physical layout and the operational (OPEX) and capital (CAPEX) expenditures, while preventing the agile reuse of the compute and network resources.Bringing determinism in Information Technology (IT) networks will enable the emulation of those legacy serial wires over IT fabrics and the convergence of mission-specific OT networks onto IP. The IT/OT convergence onto Deterministic Networks will in turn enable new process optimization by introducing IT capabilities, such as the Big Data and the network functions virtualization (NFV), improving OT processes while further reducing the associated OPEX.Deterministic Networking Solutions and application use-cases require capabilities of the converged network that is beyond existing QOS mechanisms.Key attributes of Deterministic Networking are: - Time synchronization on all the nodes, often including source and destination - The centralized computation of network-wide deterministic paths - New traffic shapers within and at the edge to protect the network- Hardware for scheduled access to the media.Through multiple papers, standard contribution and Intellectual Property publication, the presented work pushes the limits of wireless industrial standards by providing: 1. Complex Track computation based on a novel ARC technology 2. Complex Track signaling and traceability, extending the IETF BIER-TE technology 3. Replication, Retry and Duplicate Elimination along the Track 4. Scheduled runtime enabling highly reliable delivery within bounded time 5. Mix of IPv6 best effort traffic and deterministic flows within a shared 6TiSCH mesh structureThis manuscript presents enhancements to existing low power wireless networks (LoWPAN) such as Zigbee, WirelessHART¿and ISA100.11a to provide those new benefits to wireless OT networks. It was implemented on open-source software and hardware, and evaluated against classical IEEE Std. 802.15.4 and 802.15.4 TSCH radio meshes. This manuscript presents and discusses the experimental results; the experiments show that the proposed technology can guarantee continuous high levels of timely delivery in the face of adverse events such as device loss and transient radio link down.


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