Definition Was ist Time Sensitive Networking (TSN)?

Time Sensitive Networking (TSN) erweitert das Ethernet um Mechanismen zur Echtzeitübertragung von Daten. Es handelt sich um eine Reihe verschiedener Standards zur Funktionserweiterung des Ethernets. TSN kommt beispielsweise für die Industrie 4.0 oder für Echtzeit-Audio- und -Video-Streaming zum Einsatz.

Time Sensitive Networking, abgekürzt TSN, macht das in seiner ursprünglichen Version nicht echtzeitfähige, konventionelle Ethernet für die Echtzeitübertragung von Daten tauglich. Die Time Sensitive Networking Task Group des IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) erarbeitete hierfür eine Reihe von Standards für die Reduzierung der Latenzzeiten, für präzisere Zeitbezüge und für die Verbesserung der Verfügbarkeit. Die Gruppe ist 2012 aus der Audio/Video Bridging Task Group hervorgegangen, denn TSN entwickelte sich aus dem so genannten Audio Video Bridging (AVB). Es handelt sich aber nicht um ein eigenständiges Kommunikationsprotokoll. Vielmehr definieren die überwiegend auf dem Layer 2 des OSI-Modells angesiedelten 802.1-Standards Funktionserweiterungen, die von Protokollen und Anwendungen höherer Ebenen genutzt werden können.

Ethernet-Infrastrukturen mit TSN schaffen die Basis für Applikationen mit streng deterministischen Anforderungen und ermöglichen den Betrieb unterschiedlicher Anwendungen mit zeitkritischem Verkehr auf einem gemeinsamen Netzwerk. Mit TSN wird echtzeitfähiges Ethernet realisierbar, mit dem sich beispielsweise die Prozesse der Industrie 4.0 bedienen lassen. Auch Echtzeit-Audio-Streaming und Echtzeit-Video-Streaming werden mit Time Sensitive Networking möglich. Die Industrialisierung der Industrie und Branchen wie die Automobilindustrie oder die Luft- und Raumfahrt, in denen Ethernet-Strukturen die Basis für die Verbindung von Steuerungssystemen oder automatisierten Produktionsprozessen bilden, treiben das Time Sensitive Networking auf Anwendungsseite voran. In industriellen Anlagen können IT und OT (Operational Technology) auf einer gemeinsamen Ethernet-Infrastruktur verschmelzen. In den typischen Anwendungsbereichen kann TSN zum Beispiel in Kombination mit Single Pair Ethernet (SPE) zum Einsatz kommen, mit dem sich Ethernet-Verbindungen über Kabel mit einem anstatt zwei oder vier verdrillten Adernpaaren herstellen lassen.

Aufgrund des steigenden Interesses an der 5G-Mobilfunktechnik für Industrieanwendungen, wurde der Mobilfunkstandard vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) um eine TSN-Integration erweitert. Mittlerweile liegt auch ein Proof-of-Concept dieser Technik des Fraunhofer-Instituts, der Deutschen Telekom AG und der MediaTek Inc in Form einer erfolgreichen Ende-zu-Ende-Integration von TSN-Standards in ein 5G-Testnetz vor.

Kerntechnologien und Merkmale von Time Sensitive Networking

Time Sensitive Networking erweitert die Datenübertragung über herkömmliches Ethernet, wie sie in den Standards IEEE 802.1 und IEEE 802.3 definiert ist, um die Fähigkeit der Echtzeitübertragung, indem es die an den Netzwerkknoten auftretenden Verzögerungszeiten minimiert. Gleichzeitig werden die tatsächlichen Ende-zu-Ende-Latenzzeiten genau abschätzbar und können für die Kommunikationspartner garantiert werden. Time Sensitive Networking führt präzise Zeitbezüge im Ethernet ein und verringert auftretende Paketverlustraten.

Die Standards des Time Sensitive Networking betreffen den Layer 2 des ISO/OSI-Schichtenmodells. Höhere Ebenen sind von den Funktionserweiterungen nicht betroffen. Damit ist TSN für alle weiteren auf dem Ethernet aufsetzenden Kommunikationsprotokolle transparent. Die Protokolle der Layer 3 bis 7 profitieren von den Echtzeitgarantien des Time Sensitive Networking, ohne selbst angepasst oder verändert werden zu müssen. Die Dateninhalte oder die Methoden des Datenaustauschs der Kommunikationspartner ändern sich für die höheren Protokollschichten nicht.

Das Time Sensitive Networking erweitert das Ethernet um Funktionen in folgenden Bereichen:

• Steuerung des Verkehrs und der Bandbreiten im Ethernet

• Synchronisation der Zeitbasis der verbundenen Geräte

• Ablaufkontrolle und Scheduling

• Redundanzverbesserung

Durch die Steuerung des Verkehrs und der Bandbreite im Ethernet lassen sich Überlastungen proaktiv erkennen und vermeiden. Bandbreiten müssen im Vorfeld angefordert und bereitgestellt werden. Die einzelnen Endgeräte im Time Sensitive Network stimmen sich gemeinsam mit den Netzwerkkomponenten bezüglich ihres Bandbreitebedarfs ab.

Die Zeitsynchronisation schafft eine gemeinsame Zeitbasis aller Endgeräte und Netzwerkkomponenten im Ethernet. Alle Teilnehmer im Ethernet verwenden eine synchronisierte Zeit. Kommunikationsströme werden zu getakteten Ende-zu-Ende-Verbindungen. Die Kommunikation kann zeitlich untereinander exakt abgestimmt in gleichen Kommunikationszyklen erfolgen. Für die Zeitsynchronisation verwendet Time Sensitive Networking beispielsweise das Precision Time Protocol (PTP) nach IEEE 1588. Mit PTP sind Genauigkeiten von Nano- (hardwarebasiert) oder Mikrosekunden (softwarebasiert) erzielbar.

Für die Ablaufkontrolle im Time Sensitive Network sorgt das Scheduling. Einzelne Geräte im Ethernet führen kein individuelles Scheduling mehr durch, sondern halten sich an einen übergreifenden Ablaufplan. Die verschiedenen über das Ethernet betriebenen Anwendungen beeinträchtigen sich dank dieser Ablaufkontrolle nicht mehr gegenseitig. Der Time Aware Shaper (TAS) verwendet ein zeitschlitzbasiertes Verfahren und weist den einzelnen Datenströmen unterschiedliche Zeitschlitze zu. Daten mit verschiedenen Anforderungen an das Echtzeitverhalten und mit unterschiedlichen Verkehrsklassen lassen sich gleichzeitig ohne gegenseitige Beeinflussung über das Layer-2-Netzwerk transportieren.

Weitere wichtige Funktionserweiterungen sind im Bereich der Redundanzverbesserung zu finden. Das Time Sensitive Network ist in der Lage, redundante Pfade aufzubauen. Diese können Datenströme im Bedarfsfall nahtlos übernehmen. Im klassischen Ethernet fehlen solche Mechanismen. Im Gegensatz zum Beispiel zum Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) benötigt das Time Sensitive Networking nach einem Link-Ausfall für den Aufbau paralleler Pfade nicht Zeiten im Sekundenbereich, sondern kann Datenströme unterbrechungsfrei fortsetzen. Hierfür dupliziert TSN Datenpakete an definierten Stellen des Netzwerks und versendet sie gleichzeitig über redundante Pfade. An den Stellen, an denen die alternativen Pfade wieder zusammenlaufen, werden die Duplikate im fehlerfreien Betrieb gelöscht. Gehen Pakete durch Störungen oder Link-Ausfälle unterwegs verloren, gestatten die duplizierten Pakete das nahtlose Fortsetzen der Verbindungen.

Wichtige Kerntechnologien und -mechanismen des Time Sensitive Networking sind Time Aware Shaper (TAS), die Steuerung von Prioritäten und intelligente Verfahren für die Warteschlangenbehandlung. Die Netzwerkgeräte leiten Datenpakete nicht zufällig weiter, sondern folgen festgelegten Verkehrsregeln und Zeitplänen. Dadurch erhalten zeitkritische Daten Vorrang, und die Paketübertragung geschieht im vorgesehenen Kommunikationszyklus.

IEEE-Standards für das Time Sensitive Networking

Die Time Sensitive Networking Task Group hat eine ganze Reihe verschiedener Standards und Standarderweiterungen für das Time Sensitive Networking erarbeitet. Im Folgenden eine kurze Übersicht einiger dieser TSN-Standards. Die Basisstandards sind:

• IEEE 802.1Q: Bridges and Bridged Networks

• IEEE 802.1AB: Station and Media Access Control Connectivity Discovery

• IEEE 802.1AS: Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged LANs

• IEEE 802.1AX: Link Aggregation

• IEEE 802.1CB: Frame Replication and Elimination for Reliability

• IEEE 802.1CS: Link-local Registration Protocol

Darüber hinaus gibt es eine ganze Reihe an weiteren bereits ratifizierten oder sich noch im Entwurfsstatus befindlichen Standards und Standardergänzungen (Amendments) für TSN wie:

• IEEE 802.1BA: Audio Video Bridging (AVB) Systems

• IEC/IEEE 60802: TSN Profile for Industrial Automation

• IEEE 802.1DC: Quality of Service Provision by Network Systems

• IEEE 802.1DF: TSN Profile for Service Provider Networks

• IEEE 802.1DG: TSN Profile for Automotive In-Vehicle Ethernet Communications

• IEEE 802.1Qbu: Amendment Frame Preemption

• IEEE 802.1Qbv: Amendment Enhancements for Scheduled Traffic

• IEEE 802.1Qca: Amendment Path Control and Reservation (PCR)

• IEEE 802.1Qch: Amendment Cyclic Queuing and Forwarding

• IEEE 802.1Qci: Amendment Per-Stream Filtering and Policing

• IEEE 802.1Qcp: Amendment YANG Data Model

• IEEE 802.1Qcc: Amendment Stream Reservation Protocol (SRP) Enhancements and Performance Improvements

• IEEE 802.1Qcj: Automatic Attachment to Provider Backbone Bridging (PBB) services

• IEEE 802.1Qcr: Amendment Asynchronous Traffic Shaping

• IEEE 802.1Qcy: Amendment VDP Extension to Support NVO3

• IEEE 802.1Qcw: Amendment YANG Data Models for Scheduled Traffic, Frame Preemption, and Per-Stream Filtering and Policing

• IEEE 802.1Qcx: Amendment YANG Data Model for Connectivity Fault Management

Typische Anwendungsbereiche für Time Sensitive Networking

Typische Anwendungsbereiche für TSN sind beispielsweise:

• Audio- und Video-Streaming beispielsweise für professionelle Studios oder für das Automotive Infotainment

• Fronthaul-Verbindungen in 5G-Mobilfunknetzwerken

• industrielle Automatisierung (Steuerung von Maschinen, Robotern oder ganzen Produktionsanlagen der Industrie 4.0)

• für Fahrerassistenzsysteme oder für die Kommunikation zwischen Komponenten in Fahrzeugen

• Steuerungs- und Kommunikationssysteme in modernen Flugzeugen

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