Ethernet-Evolutionsstufe TSN

Das Henne-Ei-Problem mit Time-Sensitive Networking

| Autor / Redakteur: Dr. Oliver Kleineberg (Redaktion: Kristin Rinortner) / Andreas Donner

Time-Sensitive 
Networking: Für Steuerungssysteme im industriellen Umfeld ist die sichere Kommunikation in Echtzeit unabdingbar.
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Networking: Für Steuerungssysteme im industriellen Umfeld ist die sichere Kommunikation in Echtzeit unabdingbar. (Bild: ©get4net - stock.adobe.com)

Time-Sensitive Networking gilt als die nächste Evolutionsstufe des Ethernets. Doch was ist der Wert eines TSN-Netzwerks ohne die passenden Endgeräte? Dieser Frage geht der Autor nach.

Oft ist die Einführung eines neuen Protokolls oder einer neuen Funktion im Netzwerk mit einer Henne-Ei-Situation vergleichbar. Welchen Wert haben neue Funktionen, wenn nicht alle Teilnehmer im Netzwerk diese beherrschen? Oftmals entsteht ein Mehrwert nur dadurch, dass das Zusammenspiel zwischen Netzwerkgeräten und den Endgeräten tadellos funktioniert.

Daraus entsteht das Henne-Ei Problem: Wer bietet die Funktion zuerst an: Endgerätehersteller oder Netzwerkgerätehersteller? Und das unter der Voraussetzung, dass der Hersteller, der als Erstes in den Markt geht, möglicherweise nicht unmittelbar ein Mehrwert für den Kunden aufzeigen kann?

Mit Time-Sensitive Networking (TSN) ist dies auf den ersten Blick nicht anders. TSN ist keine einzelne Technologie, sondern ein Zusammenschluss aus vielen Teilstandards, die im Rahmen der IEEE 802 Standardisierung erarbeitet werden. Hierbei entfaltet TSN als System seine maximale Wirksamkeit genau dann, wenn sowohl die Endgeräte als auch die Ethernet Switches die TSN-Funktionen unterstützen.

Obwohl TSN die nächste Evolutionsstufe des vollständig herstellerneutralen Ethernets darstellt und sich damit schnell in standardisierte Chips für Endgeräteanschaltungen und Netzwerkswitches ausbreitet, wird es eine Übergangsphase geben, in denen Geräte mit Anforderungen in der Echtzeitkommunikation auf TSN umgestellt werden.

Und natürlich wird es auch weiterhin Geräte geben, in die kein TSN integrieren werden wird, da die an sie gestellten Anforderungen dies nicht erfordern. Daraus folgt, dass dauerhaft nicht alle Geräte, die in einem TSN-Netzwerk kommunizieren werden, auch selbst TSN-Funktionen beherrschen.

Welchen Mehrwert bietet ein Automatisierungsnetzwerk, wenn in den Endgeräten TSN-Funktionen nur teilweise oder vielleicht sogar überhaupt nicht unterstützt werden und welche TSN-Funktionen sind nötig, um TSN nutzbringend anwenden zu können?

Die Basisfunktionen eines TSN-Netzwerks

Die TSN Funktionen lassen sich im Kern in drei Kategorien einteilen:

  • 1. Mechanismen zur Ablaufkontrolle (engl. Scheduling) sorgen dafür, dass Datenübertragungen im Netzwerk nicht mehr in jedem Endgerät und Switch individuell und rein nach Bedarf erfolgen. TSN Scheduling sorgt dafür, dass die Kommunikation nach einem Ablaufplan durchgeführt wird, an den sich alle Geräte im Netzwerk halten. Anhand dieses Plans erfolgt die Kommunikation im gesamten Netzwerk streng konzertiert. So kann gewährleistet werden, dass sich die einzelnen Kommunikationsströme mit unterschiedlichen Prioritäten gegenseitig nicht negativ beeinflussen, beispielsweise durch zusätzliche Übertragungsverzögerungen in den Warteschlangen der Ethernet Switches. Der wichtigste Mechanismus, um dies zu gewährleisten, ist der Time-Aware Scheduler gemäß Standard IEEE 802.1Qbv-2016, der mit einem Zeitschlitzverfahren arbeitet. Über die Ethernet Prioritäten können unterschiedlichen Kommunikationsströmen unterschiedliche Zeitschlitze zugeordnet werden. Die Ablaufkontrolle nach IEEE 802.1Qbv-2016 kann für jeden Zeitschlitz getrennt die Übertragung von Frames bestimmter Priorität sperren oder erlauben.
  • 2. Mechanismen zur Bandbreitenreservierung sowie Protokolle zur Konfiguration und Verkehrssteuerung ermöglichen den TSN-Geräten die Kommunikation und Abstimmung untereinander und mit zentralen Netzwerkkonfigurationsrechnern. So können die für eine fehlerfreie Ablaufkontrolle notwendigen Konfigurationsdaten auf alle Geräte ausgebracht werden. Weiterhin können Überlastszenarien, beispielsweise der Abruf von zu viel Bandbreite auf einer Ethernet-Leitung, vorab erkannt und verhindert werden. Ein zentraler Mechanismus hierfür befindet sich mit dem Projekt IEEE P802.1Qcc in einer späten Phase der Standardisierung.
  • 3. Mechanismen zur Zeitsynchronisation erlauben es den Ethernet Switches und Endgeräten, die Ablaufkontrolle und Kommunikationsplanung auf der Grundlage einer gemeinsamen Zeitbasis durchzuführen. Die beste Ablaufkontrolle ist wirkungslos, wenn nicht alle Teilnehmer ihr Ablaufschema, basierend auf der gleichen Uhrzeit, abarbeiten. Somit ist die Zeitsynchronisation ein essentieller Bestandteil jedes TSN Ethernet Systems. Zur Zeitsynchronisation wird üblicherweise das Precision Time Protocol gemäß Standard IEEE 1588-2008 oder eines der IEEE 1588 Profile, beispielsweise IEEE 802.1AS, verwendet.

TSN mit Standard Ethernet-Endgeräten

Wird ein Netzwerk mit TSN-fähigen Switches aufgebaut, konfiguriert und in Betrieb genommen und werden gleichzeitig Endgeräte mit diesem Netzwerk verbunden, die keine TSN-Funktionen unterstützen, so ergibt sich gegenüber der Übertragung in einem Netzwerk ganz ohne TSN-Funktionen dennoch ein Vorteil: Dort wo TSN aktiv ist, ergeben sich deterministische Übertragungsverzögerungen, allerdings nur zwischen den Ethernet Switches. Die Übertragung eines Frames vom Endgerät zum ersten TSN Switch erfolgt nicht deterministisch.

Auch die Verweildauer dieses Frames im ersten TSN Switch kann nicht sicher vorausgesagt werden, da der Zeitpunkt des Eintreffens eines Frames vom Endgerät nicht mit Sicherheit vorab bestimmt werden kann. Die Verweildauer des Frames im Switch ist somit abhängig von den Füllständen der Pufferspeicher und der verbleibenden Zeit, bis sich die durch den TSN Scheduler kontrollierten Sendesperren wieder öffnen.

Nach dem Versand aus dem ersten Switch heraus ist die Übertragungslatenz für den Rest des Netzwerks aber vorherbestimmbar – ein klarer Vorteil, selbst wenn das Endgerät selbst gar nichts von TSN weiß.

Wie man Endgeräte stärker ins Netzwerk einbindet

Die Leistungsfähigkeit des gesamten Netzwerks kann nun Schritt für Schritt gesteigert werden, wenn die Endgeräte nach und nach mehr TSN-Funktionen unterstützen.

Sobald das Endgerät die Fähigkeit hat, die eigene Uhr mittels des Precision Time Protocols (PTP) nach IEEE 1588 an die Uhrzeit des TSN-Netzwerks anzupassen, ist ein wesentlicher Schritt zur Integration in die TSN-Kommunikation getan. Durch ein passendes Design der Hardware- und Softwarekomponenten im Endgerät kann dieses die richtigen Zeitschlitze im ersten Ethernet Switch abpassen und so exakt zum richtigen Zeitpunkt die zeitkritische Kommunikation starten.

Hierzu ist allerdings ein sehr präzises Wissen über die Verzögerungen im Endgerät notwendig, also vom Softwarestack in der Applikation über die Kommunikation bis auf die Leitung. Je nach verwendeter Hard- und Software ist dies nicht immer mit der notwendigen Präzision oder akzeptablem technischen Aufwand machbar.

Der letzte Schritt ist, die TSN-Ablaufsteuerung auch in die Endgeräte zu integrieren. Wenn bereits die Netzwerkschnittstelle des Endgeräts eine zeitgesteuerte TSN-Ablaufkontrolle nach IEEE 802.1Qbv-2016 besitzt, so erfolgt das Senden vom Endgerät hardwaregesteuert zu fest definierten Zeitpunkten.

Die Integration einer zeitgesteuerten TSN-Queue nimmt die Last der absoluten Zeitgenauigkeit von dem Betriebssystem des Endgerätes und dem intern verwendeten Scheduler, da dieser die zu versendenden Pakete asynchron in die TSN-Sendequeue einlegen und sich darauf verlassen kann, dass diese bei der nächsten Öffnung der Sperre zeitgetreu versendet werden.

Das interne Design eines mit einer Sendequeue nach IEEE 802.1Qbv-2016 ausgestatteten Endgerätes gestaltet sich somit wesentlich einfacher, als wenn der geräteinterne Scheduler des Betriebssystems mit der vom TSN-Netzwerk vorgegebenen Uhrzeit hochpräzise abgeglichen werden muss.

Oliver Kleineberg.
Oliver Kleineberg. (Bild: Belden)

Fazit

Schon heute können Endgeräte von TSN-Netzwerken profitieren, denn ab dem ersten TSN Switch können Zeitgarantien für Ethernet-Nachrichten gegeben werden – mit Ethernet ohne TSN ist dies undenkbar. Mit der zunehmenden Verbreitung von TSN-fähigen Endgeräten wird dieser Vorteil noch zunehmen. Damit ist das Henne-Ei Problem mit TSN gebannt: Ein TSN-Netzwerk kann in jedem Fall seine Vorteile ausspielen!

Über den Autor

Dr. Oliver Kleineberg arbeitet in der Entwicklung im Bereich Industrial IT bei Belden in Neckartenzlingen.

Dieser Beitrag stammt von unserer Schwesterpublikation ELEKTRONIKPRAXIS.

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