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Definition Was ist Time Sensitive Networking (TSN)?

Mithilfe von Time Sensitive Networking (TSN) wird das Ethernet um Mechanismen für die Echtzeitübertragung von Daten erweitert. Es handelt sich um eine Reihe von Standards zur Funktionserweiterung des Ethernets. TSN lässt sich unter anderem für Prozesse der Industrie 4.0 oder für Echtzeit-Audio- und Echtzeit-Video-Streams einsetzen.

(© aga7ta - Fotolia)

Das Time Sensitive Networking, abgekürzt TSN, hat zum Ziel, das in seiner ursprünglichen Version nicht echtzeitfähige Ethernet für die Echtzeitübertragung von Daten tauglich zu machen. Zur Verringerung der Latenzzeiten, für präzisere Zeitbezüge und zur Verbesserung der Verfügbarkeit erarbeitete die Time Sensitive Networking Task Group eine Reihe von Standards.

Mithilfe von TSN lässt sich ein Real Time Ethernet realisieren, das in der Lage ist, die Prozesse der Industrie 4.0 zu bedienen. Auch Echtzeit-Audio- und -Video-Streams lassen sich mit Time Sensitive Networking übertragen. Branchen wie die Automobilindustrie oder die Luft- und Raumfahrt, in denen das Ethernet als Backbone für die Verbindung von Steuerungssystemen Anwendung findet, treiben das Time Sensitive Networking auf Anwendungsseite voran.

Die Time Sensitive Networking Task Group ist 2012 aus der Audio/Video Bridging Task Group hervorgegangen. TSN entwickelte sich aus dem so genannten Audio Video Bridging (AVB). Wichtige Kerntechnologien und -mechanismen des Time Sensitive Networkings sind Time Aware Shaper (TAS), die Steuerung von Prioritäten und intelligente Verfahren für die Warteschlangenbehandlung. TSN erzielt bei Datenraten im Gigabitbereich Verzögerungszeiten pro Netzwerkhop von nur wenigen Mikrosekunden.

TSN: transparent für die Protokolle höherer Ebenen

Die Standards des Time Sensitive Networkings 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 sieben profitieren von den Echtzeit-Garantien des Time Sensitive Networkings, ohne selbst angepasst oder verändert werden zu müssen. Die Dateninhalte oder die Methoden des Datenaustauschs der Kommunikationspartner ändern sich für die höheren Protokollschichten nicht.

Ethernetstrukturen mit TSN schaffen die Basis für Anwendungen mit streng deterministischen Anforderungen und ermöglichen unterschiedliche Applikationen mit zeitkritischem Verkehr auf einem gemeinsamen Netzwerk.

Die wichtigsten Ziele des Time Sensitive Networkings

Vorrangiges Ziel des Time Sensitive Networkings ist es, das herkömmliche Ethernet, wie es in den Standards IEEE 802.1 und IEEE 802.3 definiert ist, um die Fähigkeit der Echtzeitübertragung von Daten zu erweitern. Hierfür sind die an den Netzwerkknoten auftretenden Verzögerungszeiten zu minimieren. Gleichzeitig sollen die tatsächlichen Ende-zu-Ende-Latenzzeiten genau abzuschätzen und für die Kommunikationspartner zu garantieren sein. Time Sensitive Networking führt präzise Zeitbezüge im Ethernet ein und verringert auftretende Paketverlustraten. Ein weiteres wichtiges Ziel im Real Time Ethernet ist die Erhöhung der Verfügbarkeit der Kommunikationsverbindungen.

Beispielhafte Standards des Time Sensitive Networkings

Um die Ziele des Time Sensitive Networkings zu erreichen, hat die Time Sensitive Networking Task Group eine Reihe verschiedener Standards für das Ethernet erarbeitet. Beispielhaft im Folgenden einige wichtige TSN-Standards:

  • Verbesserung der Zeitsynchronisation: 802.1AS
  • Verbesserung im Bereich des scheduled Traffics durch Time Aware Shaper (TAS): 802.1Qbv
  • Schaffung von Redundanzen durch Frame-Replikation: 802.1CB
  • Schaffung redundanter Kommunikationsverbindungen: 802.1Qca
  • Reservieren von Netzwerkressourcen: 802.1Qcc
  • Priorisieren von Nachrichten im Ethernet: 802.1Qbu
  • zyklisches Queueing und Forwarding: IEEE 802.1Qch
  • streambasiertes Policing und Filtering: IEEE 802.1Qci
  • asynchrones Traffic Shaping: IEEE 802.1Qcr

Die wichtigsten Funktionserweiterungen des Layer zwei durch das Time Sensitive Networking

Das Time Sensitive Networking erweitert das Ethernet um Funktionen, die sich in die folgenden fünf Bereiche einteilen lassen:

  • Steuerung des Verkehrs im Ethernet
  • Steuerung der Bandbreite im Ethernet
  • Synchronisation der Zeitbasis der Geräte des Ethernets
  • Ablaufkontrolle und Scheduling im Ethernet
  • 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 Nanosekunden (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 Linkausfall 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 Linkausfälle unterwegs verloren, gestatten die duplizierten Pakete das nahtlose Fortsetzen der Verbindungen.

Time Sensitive Networking und die Bedeutung für die Prozesse der Industrie 4.0

Steuerungsprozesse der Industrie 4.0 erfordern Kommunikationsverbindungen, die zuverlässig arbeiten und den Datenaustausch in Echtzeit ermöglichen. Nur so lassen sich die automatisierten Abläufe sicher und effizient steuern. Das Time Sensitive Networking schafft diese Grundvoraussetzungen auf Basis eines gemeinsamen Ethernets. Die Standards sorgen für eine herstellerunabhängige, transparente und echtzeitfähige Kommunikationsplattform. Protokolle höherer Ebenen profitieren von den Echtzeitgarantien des Time Sensitive Networks, ohne selbst angepasst werden zu müssen.

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