Bei der deterministischen Echtzeit-Kommunikation per Ethernet ist die Zahl der an das Netzwerk angeschlossenen Geräte in der Regel begrenzt. Bei einem Embedded-Gerät wie zum Beispiel einer Werkzeugmaschine ist die Zahl der Motoren, die per Ethernet an die Steuerungshardware angeschlossen sind, kleiner als 100, und alle 250 µs übermittelt das System neue Motorregelungsparameter. Die unveränderliche und vorab feststehende Anordnung erfordert ein deterministisches Echtzeit-Ethernet mit kurzen Zykluszeiten und einer hochpräzisen Taktverteilung. Auch die Produktionssysteme in einer Fabrik sind durchgängig per Echtzeit-Ethernet vernetzt. Bild 1 zeigt verschiedene Steuerungssysteme in einer Produktionszelle.

Vernetzung verschiedener Steuerungssysteme

Bild 1: Verschiedene Steuerungssysteme einer Industrie-4.0-Produktionszelle die mit einem TSN-Backbone ausgestattet ist.

Bild 1: Verschiedene Steuerungssysteme einer Industrie-4.0-Produktionszelle, die mit einem TSN-Backbone ausgestattet ist. Texas Instruments

Das Time-Sensitive Network (TSN) ist eine Schlüsseltechnologie zur Vernetzung verschiedener Steuerungssysteme in Echtzeit. Obwohl die Anforderungen an Steuerungssysteme in Sachen Umfang, Zykluszeit und Präzision alle unterschiedlich sind, können sie ein und dieselbe Kommunikationsschnittstelle für die deterministische Datenübertragung nutzen. Innerhalb des Steuerungssystems sind zahlreiche Sensoren und Aktoren verbaut, die entweder direkt an das Echtzeit-Ethernet-Netzwerk angeschlossen oder über serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit einem Konzentrator verbunden sind, der seinerseits an das Echtzeit-Ethernet-Netzwerk angeschlossen ist. Das TSN mit seinen deterministischen Netzeigenschaften eignet sich gut für die Feldebene einer Fertigungseinrichtung. Zu den entscheidenden Herausforderungen für eine TSN-Netzwerkkonfiguration gehört die große Zahl der vernetzten Sensoren und Aktoren in einem industriellen Steuerungssystem.

Eckdaten

Verzögerungen, selbst wenn nur selten und minimal, sind in Steuerungssystemen von Fahrzeugen oder industriellen Produktionsanlagen nicht akzeptabel. Um diese zu verhindern, hilft TSN dabei, Ethernet-basierende Netzwerke deterministischer zu machen. Die Fähigkeiten von TSN werden konstant weiterentwickelt, sodass sich Datenpakete mit einer garantierten Latenz durch größere industrielle Netzwerke streamen lassen. TSN ist nicht auf eine Übertragungsrate von 100 MBit/s begrenzt und unterstützt auch die von Gigabit Ethernet gebotenen größeren Bandbreiten.

TSN bietet die Möglichkeit, die verschiedenen Streams zu klassifizieren und sie zu markieren, um eine deterministische Zustellung im gesamten Netz zu erreichen. Im Idealfall beherbergt ein konvergiertes Netzwerk verschiedene Stream-Klassen in einer TSN-Domain. Bevor es jedoch um die Frage der Netzwerkauslegung geht, sollten die grundlegenden Funktionen des TSN bekannt sein.

Die Prinzipien des TSN

Ethernet (IEEE 802) auf Basis des Internet-Protokolls hat sich als eine Erfolgsgeschichte herausgestellt, wie es sie in der Technik nur selten gab. Als einzige Herausforderer für die Dominanz von Ethernet gab es nur Technologien, die in Sachen Determinismus und Dienstqualität ausgefeilter waren, wie zum Beispiel ATM (Asynchronous Transfer Mode), Token Ring und Rapid-IO. TSN besteht aus ungefähr zwölf IEEE-802-Standards, die auf Determinismus und Dienstqualität abzielen, ohne Abstriche an den Ethernet-typischen Stärken wie etwa der Interoperabilität zu erfordern.

TSN ist eine auf der LAN-Ebene ansetzende Lösung, die auch mit Nicht-TSN-Ethernet arbeiten kann, wobei jedoch die Rechtzeitigkeit nur innerhalb des TSN-LAN garantiert ist. Die TSN-Standards lassen sich anhand der Anwendungsfälle einordnen, auf die sie abzielen: allgemeiner Zeitbegriff, garantierte Maximal-Latenz oder Koexistenz mit Hintergrund- oder anderem Traffic.

Wie bei jedem anderen populären Standard auch entwickelt sich das Werkzeugarsenal des TSN ständig weiter. Einige der einzelnen Standards, so zum Beispiel 802.1AS-Revision, haben noch keine Zulassung erhalten, während Entwickler in der Zwischenzeit sogar neue, alternative Shaper eingeführt haben. Angesichts dieser fortlaufenden Weiterentwicklung kommt es bei der Auswahl einer Lösung darauf an, die Upgrade-Fähigkeit zur Unterstützung neuer oder geänderter Standards zu berücksichtigen.

Bild 2: IEEE-802-konformes Ethernet ist unter Einschluss der TSN-Features eine Technologie, die der Sicherungsschicht (Data Link Layer) des OSI-Modells zuzuordnen ist.

Bild 2: IEEE-802-konformes Ethernet ist unter Einschluss der TSN-Features eine Technologie, die der Sicherungsschicht (Data Link Layer) des OSI-Modells zuzuordnen ist. Texas Instruments

Wie Bild 2 veranschaulicht, ist IEEE-802-konformes Ethernet unter Einschluss der TSN-Features eine Technologie, die der Sicherungsschicht (Data Link Layer) des OSI-Modells zuzuordnen ist. Anwendungen erfordern deshalb ein übergeordnetes Protokoll wie etwa UDP/IP oder Profinet oberhalb von TSN (Bild 3).

Standard: 802.1AS-Revision

Sämtliche Geräte in einem Netzwerk, die eine deterministische Paketübertragung verlangen, benötigen einen einheitlichen Zeitbegriff. Zu diesem Zweck verteilen der oder die Taktmaster die Zeitinformation mithilfe von Ethernet-Paketen an alle Geräte im Netzwerk, auf denen der Best Master Clock Algorithm (BMCA) läuft.

802.1AS-Rev ist eine strikt definierte Teilmenge oder ein Profil von 1588v2 (Precision Timing over Packet). Die Ergänzungen von 802.1AS-Rev gegenüber 802.1AS bieten Unterstützung für mehr als eine Zeit-Domäne und fügen den Support für One-Step neben Two-Step hinzu. Die zugrundeliegende Hardware muss das Anbringen von Zeitstempeln an gesendeten oder empfangenen Paketen möglichst nah an der Leitung unterstützen. Für das One-Step Delay Reporting muss die Hardware außerdem die Fähigkeit besitzen, einen Zeitstempel in das Paket einzufügen. Beim Two-Step Delay Reporting ist der Zeitstempel in Senderichtung dagegen an einem nachfolgenden Paket angebracht, was in einigen Fällen das von der Zeitsynchronisation per Paket generierte Paketaufkommen verringert.

802.1AS-Rev umfasst die Messung der Peer-to-Peer-Leitungslaufzeit und die Berechnung der Bridge-Verzögerung. Abgesehen von den Zeitstempeln ist der übrige Teil von 802.1AS-Rev in der Regel per Software oder Firmware implementiert, die auf einem speziellen Core läuft.

Standards: 802.1Qbu und 802.3br

Die Anwendungen erfordern ein übergeordnetes Protokoll wie etwa UDP/IP oder Profinet oberhalb von TSN.

Bild 3: Die Anwendungen erfordern ein übergeordnetes Protokoll wie etwa UDP/IP oder Profinet oberhalb von TSN. Texas Instruments

Ethernet ist ein Netzwerk nach dem Store-and-forward-Prinzip. Sobald ein Paket auf die Leitung gelangt, blockiert es die Leitung für andere Pakete, bis das Ende des Pakets erreicht ist. Als Beispiel ergibt sich bei einem 100-MBit/s-Netz und einer typischen MTU-Paketgröße (Maximum Transmission Unit) von 1,5 kByte ein Head-of-line Blocking von etwa 120 ms (1,5 kByte/100 MBit/s). Bei durchsatzstärkeren Verbindungen geht dieser Wert linear zurück, doch selbst auf 1-GBit/s-Netzen kann es zu einem Jitter im zweistelligen Mikrosekundenbereich kommen.

Um die Probleme mit dem Head-of-line Blocking zu entschärfen, definierte das IEEE den Begriff Frame Preemption (802.1Qbu) und den Physical-Layer-Standard für das Einstreuen von Express-Traffic (802.3br). Da ein Preempting nur durch Express-Traffic erfolgen kann, lässt sich eine bestimmte Latenz für Express-Traffic garantieren.

Das Cut-through Switching sowie TAS und Frame Preemption sind die grundlegenden Technologien zur Verringerung der Worst-Case-Latenz sogar in einem Netz mit einer langen Daisy-Chain-Topologie.

Standards: 802.1CB und 802.1Qcc

Typische Ethernet-Netze verlassen sich auf die Sendewiederholung durch übergeordnete Protokolle wie das Transmission Control Protocol, um verloren gegangene Ethernet-Frames zu behandeln, sowie auf das Spanning Tree Protocol zum Anlegen neuer Routen durch das Netz. Beide Konzepte aber opfern eine nichtdeterministische Zeitspanne, um die betreffenden Frames zuzustellen.

TSN bedient sich der Redundanz zum Garantieren der Latenz auch beim Auftreten von Single Point Failures (zum Beispiel unterbrochene Kabel oder defekte Switches). Zur proaktiven Garantie der Zustellung von Frames in einer LAN-Topologie mit mehreren Routen sorgt 802.1CB für Redundanz, indem Frames sich senderseitig selektiv duplizieren und die Duplikate am Zielort verwerfen lassen.

802.1CB ist kompatibel zu bestehenden Industrienetzen, in denen frühere Redundanz-Protokolle wie High-Availability Seamless Redundancy (HSR) und das Parallel Redundancy Protocol (PRP) dafür sorgten, dass Single Point Failures keine Auswirkungen auf die Latenz hatten.

TSN nutzt drei zur Identifizierung dienende Labels: Stream ID, Stream-Zieladresse und Traffic-Klasse. Stream ID ist die MAC-Quelladresse (Media Access Control), die mit einem 16 Bit Handle verkettet ist. Bei der Stream-Zieladresse handelt es sich um die MAC-Zieladresse, verkettet mit der VLAN (Virtual LAN) ID (802.1Q – VLAN-Support). Bei den Adressen handelt es sich in der Regel um lokal gemanagte oder Multicast-Adressen. VLAN Priority Bits, die meist nur eine oder zwei Klassen verwenden, bestimmen die Traffic-Klasse. Die Stream ID ist die vom Ressourcen-Management benutzte eindeutige Kennung, während die Stream-Zieladresse und die Traffic-Klasse den Weg bezeichnen, den die Daten nehmen.

802.1Qcc unterstützt ein zentralisiertes Konfigurationsmodell mit Centralized User Configuration (CUC), wie in Bild 4 gezeigt. Eine Centralized Network Configuration (CNC) berechnet die Ressourcenzuweisungen und -verfügbarkeiten und konfiguriert die Bridges.

Auswirkungen von TSN auf Industrial Ethernet

TSN ergänzt das standardmäßige IEEE-Ethernet durch Echtzeitfähigkeiten, die einst nur spezielle industrielle Feldbusse (auch als Industrial Ethernet bezeichnet) bieten konnten. Es macht das auf Ethernet aufsetzende Protokoll jedoch nicht überflüssig und ersetzt es auch nicht. Für das Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) ist ein Berkeley-Software-Distribution-Socket zum Standard-Interface zu TCP/IP und Netzwerken im Allgemeinen geworden und hat sich für ein breites Spektrum von Anwendungen als portierbar und skalierbar erwiesen.

802.1Qcc unterstützt ein zentralisiertes Konfigurationsmodell mit Centralized User Configuration

Bild 4: 802.1Qcc unterstützt ein zentralisiertes Konfigurationsmodell mit Centralized User Configuration (CUC). Texas Instruments

Eine HTTP-Applikation arbeitet stets gleich, ob sie nun aus einer lokalen Datei oder über das Internet liest. Diese Sockets sind jedoch nicht unbedingt geeignete Schnittstellen für ein Protokoll, bei dem das Lösen von Worst-Case-Latenzproblemen und das Exponieren des Konzepts Zeit bis in die Applikation hinein im Vordergrund steht. Zum Beispiel setzt das Industrie-Ethernet-Protokoll Profinet voraus, dass das TSN-fähige Ethernet nur eine Sicherungsschicht ist, auf der das Protokoll laufen kann.

IEEE TSN definiert den Funktionsumfang der zweiten Protokollschicht und das Switching auf der LAN-Ebene und schließt hierbei auch den Zeitbegriff ein. Nicht definiert ist dagegen die Softwareschnittstelle zum Konfigurieren dieser Hardwarefunktionen. Die Folge ist, dass die Managementsoftware für einen Switch des Anbieters A ein API zu einem anderen API für Anbieter B benötigt.

Ein zweiter Bereich, der über den Umfang der IEEE-Spezifikationen hinausgeht, hat hauptsächlich mit dem Konzept der Latenz und der Variation beziehungsweise dem Jitter der Latenz in der Datenpfad-Software zu tun.

Ausblick

Industrial-Ethernet-Protokolle wie Profinet und Ethernet/IP setzen bereits die IEEE Ethernet Learning Bridge als zugrundeliegende Switch-Technologie voraus. Diese Protokolle können nunmehr die Erweiterungen durch TAS und Frame Preemption so anpassen, dass sie standardmäßige TSN-Hardware für Industrial Ethernet nutzen. Während Ethernet/IP UDP-Pakete (User Datagram Protocol) für den Datenaustausch nutzt, unterstützt Profinet ein direktes Layer-2-Puffermodell für Consumer- und Providerdaten. Sowohl Profinet als auch Ethernet/IP sind kompatibel zum TSN Switching Layer und können von den Echtzeit-Ergänzungen profitieren.

Die Standardisierung von Redundanzprotokollen durch das IEEE ist noch nicht abgeschlossen und es bleibt abzuwarten, ob 802.1CB die Redundanzprotokolle von Profinet und Ethernet/IP, wie zum Beispiel MRP (Media Redundancy Protocol) und DLR (Device Level Ring), ersetzen kann. Die Umstellung von bestehenden industriellen Kommunikationsprotokollen auf neue Standards erstreckt sich normalerweise über viele Jahre, und während der Übergangszeit kommen in Produktionssystemen alte und neue Protokolle parallel zum Einsatz.