Von Dr. Andreas Weder, Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems (IPMS).
 

Stand heute, sind solche Netzwerke mit zeitkritischem Datenverkehr von den Netzwerken mit weniger kritischem Datenverkehr getrennt, um eine gegenseitige negative Beeinflussung auszuschließen. Anwendungen der Industrie 4.0 allerdings erfordern in Zukunft immer mehr durchgängige Ethernet-Netzwerke, die mit der traditionellen Struktur nur noch mit hohem Aufwand hergestellt werden kann. Das soll mit TSN geändert werden.

Echtzeitfähige Kommunikation

Garantien hinsichtlich der Zykluszeit und möglichst geringe Cykluszeitschwankungen bilden die Grundvoraussetzung für eine Reihe von Anwendungsfeldern in der Automation. Dazu zählen beispielweise die Antriebstechnik, die Steuerungstechnik oder auch die Fördertechnik. Bei diesen Anwendungsfeldern liegen die notwendigen Datenübertragungszeiten deutlich unter 1 ms. Neben Anforderungen mit „harter“ Echtzeitfähigkeit existieren aber auch andere Anwendungen mit „weicher“ Echtzeitfähigkeit wie bspw. in der Prozessautomatisierung. Hier sind die notwendigen Zykluszeiten meist höher, dennoch sind auch hier garantierte Latenzen erforderlich. Um garantierte Zykluszeiten bereitstellen zu können, haben sich verschiedene Echtzeitkommunikationsverfahren wie EtherCat, Profinet IRT oder andere entwickelt. Die fußen zwar auf dem konventionellen Ethernet, allerdings sind die einzelnen Verfahren nicht kompatibel zueinander. In Folge haben sich fragmentierte Netzwerke entwickelt.

Warum TSN?

Klassische Ethernet-Unternehmensnetzwerke mit automatisierten Unternehmensteilen (z.B. Fertigung) basieren zumeist auf der hierarchische Automatisierungspyramide, in der die IT, also die Informationstechnologie von der Operationstechnologie (OT) getrennt sind. Zur IT-Ebene zählt bspw. die klassische Büro-Kommunikation mit typischen Endgeräten wie Drucker und PC. Zur OTEbene hingegen gehören Systeme, Maschinen und Software zur Prozesssteuerung und Automatisierung.
Diese beiden Bereiche unterscheiden sich grundlegend in der Art der Kommunikation (Bild 1).
Bild 1. Wandel der Automatisierungspyramide.
Die IT legt besonderen Fokus auf die Bandbreite, die OT-Ebene hingegen hat besonders eine hohe und garantierte Verfügbarkeit im Blick. Der Datenverkehr auf IT-Ebene wird daher auch oft als unkritisch bezeichnet, und der Datenverkehr in OT Ebene ist als kritischer Datenverkehr eingestuft. Diese beiden Kommunikationsebenen bedienen sich deswegen auch unterschiedlicher Kommunikationsstandards. Während sich in der IT-Ebene weitgehend das Bussystem Ethernet mit TCP/IP durchgesetzt hat, sind in der OT Ebene verschiedene andere Bussysteme, auch Feldbussysteme genannt, verbreitet, die insbesondere den Anforderungen an garantierte Latenzen gerecht werden. Jeder Steuerungshersteller propagiert im Regelfall ein bestimmtes Feldbussystem. Für den Anwender bedeutet das, dass mit Auswahl der Steuerung im Grunde auch die Auswahl des Busses feststeht. Der Endanwender befindet sich damit oftmals in einer Herstellerabhängigkeit, da die unterschiedlichen Bussysteme inkompatibel zueinander sind. Zu Anfang der Netzwerktechnik gab es kaum Verbindungen zwischen dem Bereich IT und OT, heute allerdings ist die durchgängige Datenübertragung Grundvoraussetzung für digitalisierte Unternehmen. Anforderungen wie die Betriebsdatenerfassung, Fernzugriff oder die Cloudanbindung von Maschinen machen solch eine durchgängige Kommunikation nötig. Richtet man den Blick nun noch in die Zukunft kann man feststellen, dass konvergente — das heißt einheitliche Netzwerke an Bedeutung zunehmen werden. Bereits jetzt befindet sich die industrielle Automatisierung in einer Phase der Umstrukturierung, der auf der Einrichtung von flexiblen und intelligenten Fertigungen fußt, die häufig im Kontext Industrie 4.0 oder Internet der Dinge beschrieben oder bereits umgesetzt werden. Sie beschreiben eine smarte Fertigung in der Maschinen, Anlagen und Werkstücke in ständiger Kommunikation zueinander stehen, um so automatisiert die Prozesse zu optimieren und zu unterstützen. Diese Veränderungen wirken sich auch auf das etablierte Automatisierungsmodell aus.
Die klassische Automatisierungspyramide wandelt sich zu Gunsten der Vernetzung in ein weit verzweigtes Netzwerk, in dem auch Sensoren mit höheren Leitebenen verbunden sind. Die Trennung von Feldebene und Leitebene löst sich zunehmend auf, es entsteht das Bedürfnis nach einem konvergenten Netzwerk, in dem kritischer Datenverkehr gleichzeitig mit unkritischen Datenverkehr übertragen werden kann, ohne dass es zu negativen Wechselwirkungen kommt. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, muss das bestehende Ethernet angepasst werden. Deswegen werden unter der Bezeichnung TSN derzeit einige Sub-Standards definiert und verbessert, die konvergenten Datenverkehr von kritischen und unkritischen Datenverkehr über eine gemeinsame geteilte Ethernet-Infrastruktur ermöglichen sollen. TSN bietet gegenüber klassischem Ethernet einige Vorteile.
  • Garantierte Latenzzeiten von echtzeitkritischen Daten durch das gesamte Netzwerk
  • Kritischer und unkritischer Datenverkehr kann über ein konvergentes Netzwerkübertragen werden
  • Höher liegende Protokollschichten können eine gemeinsame Netzwerkinfrastruktur nutzen Echtzeitsteuerung kann auch außerhalb des OT-Bereichs angewandt werden
  • Keine weitere Herstellerabhängigkeit im Zusammenhang mit Feldbussystemen

Was ist TSN?

Time Sensitive Networking ist ein Set von Ethernet Sub-Standards, das in der IEEE 802.1 TSN Task Group definiert wird. TSN soll durch Erweiterung und die Anpassung bestehender Ethernet-Standards eine Konvergenz zwischen Informationstechnologie (IT) und der industriellen Betriebstechnik (OT) schaffen.
Die Technologie hat das Ziel, Funktionen auf dem OSI-Layer 2 zu standardisieren, damit unterschiedliche Protokolle dieselbe Infrastruktur nutzen können. Die Herausforderung besteht darin, kritischen und unkritischen Datenverkehr so zu strukturieren, dass weder die Echtzeit-Charakteristik noch die Performanz beeinträchtigt wird.

Wichtige Kernelemente

Als wesentliche Voraussetzung benötigt das Netzwerkequipment das gleiche Verständnis von Zeit. Das bedeutet, dass alle Switches und Endgeräte im Netzwerk hinsichtlich der Zeit synchronisiert werden müssen. Um diese Funktionalitäten herzustellen, werden wahlweise zwei verschiedene Ansätze genutzt (Tabelle 1).
 
Tabelle 1 – Überblick TSN-Standards
Standard Bezeichnung / Titel
IEEE 802.1AS-Rev Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications
IEEE 802.Qav

Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams
IEEE 802.1Qbv Enhancements for Scheduled Traffic
IEEE 802.Qbu & IEEE 802.3br Frame Preemption
IEEE 802.1Qca Path Control and Reservation
IEEE 802.1Qcc Stream Reservation Protocol (SRP) Enhancements and Performance Improvements
IEEE 802.1Qci Per-Stream Filtering and Policing
IEEE 802.1CB Frame Replication & Elimination for Reliability

IEEE 1588-2008 - Precision Time Protocol

Der IEEE 1588-2008 Standard bewirkt, dass über einen Algorithmus innerhalb des Netzwerk diejenige Uhr ermittelt wird, die die exakteste Zeit bereitstellt. Dieses Gerät dient dann als Grandmaster Clock.

IEEE 802.1AS-2011 - Time

Zusätzlich zur allgemeinen IEEE-1588 Spezifikation hat die TSN Task Group ein spezielles Profil verabschiedet, das die Verwendung der IEEE 1588-Spezifikationen im Zusammenhang mit IEEE 802.1Q festlegt. Entwickelt wurde dieses Profil, um die Implementierung in Applikationen zu erleichtern, die nicht den vollen Funktionsumfang des 1588-2008 Standards benötigen. Da dieses Profil nicht alle Anforderungen der Automation erfüllt, wurde es nochmal angepasst und ist nun unter den Namen IEEE 802.1AS-rev bekannt Eine zweite Kernfunktionalität beschäftigt sich mit der Übertragung von kritischen und unkritischen Datenverkehr innerhalb eines konvergenten Netzwerks. Kritischer Datenverkehr soll garantiert zu einem festgelegten Zeitpunkt übermittelt werden, während unkritischer Verkehr im Regelfall niedriger priorisiert ist. Für die verschiedenen Arten von Datenverkehr kommen die bereits bekannten acht festen Verkehrsklassen nach IEEE 802.1Q zum Zuge. Der dort definierte Quality of Service (QoS) ist für den parallelen Versand von kritischen und unkritischen Daten allerdings nicht ausgelegt. Ein Ethernet-Datenpaket mit niedriger Priorisierung kann selbst die am höchsten priorisierten Datenströme entlang des Übertragungspfads verzögern. Grund dafür sind Puffermechanismen in den Ethernet-Switches. Deswegen führt man neue Priorisierungsmechanismen ein, die diese Koexistenz zulassen und regeln. Je nach Anwendungsanforderung können zusätzliche Traffic Shaper bzw. Shedule Mechanismen genutzt werden. Zwei dieser Mechanismen werden im Folgenden näher erläutert.

IEEE 802.1Qav — Credit Based Shaper

Dieser Standard definiert einen Algorithmus der Datenströme mit Echtzeitanforderungen gegenüber Best-Effort Verkehr priorisiert. Der Credit-Based Shaper wurde bereits 2009 von der IEEE 802.1 Arbeitsgruppe für die Vorgängertechnologie von TSN, Audio/Video Bridging (AVB), entwickelt. Der Shaper weist Datenströmen einen Sendekredit zu. Solange dieser Sendekredit im positiven Bereich ist, werden Datenpakete mit reservierter Bandbreite bevorzugt übertragen. Der Sendekredit nimmt durch jede bevorzugte Übertragung ab, bis er schließlich negativ wird. Sobald ein negativer Wert erreicht wird, werden die in den Warteschlangen befindlichen Best-Effort Datenpakete übertragen. Wenn dadurch die Weiterleitung von Datenpaketen mit reservierter Bandbreite verzögert wird, erhöht sich der Sendekredit wiederum entsprechend. Dadurch können priorisierte Ethernet-Frames in Anschluss an den Best-Effort-Verkehr in direkter Abfolge vermittelt werden.

IEEE 802.1Qbv - Time-Aware Scheduler

Die Grundfunktionalität des Schedulers beinhaltet im Wesentlichen die Schaffung von gleichen diskreten Zeitabschnitten (Zyklen). Diesen Zyklen oder auch Zeitschlitze werden dann Verkehrsklassen zugeordnet. Time Aware Shaping entspricht einem festen Fahrplan für unterschiedliche Verkehrsklassen, Start- und Ankunftszeiten sind damit vorher festgelegt. Das ermöglicht es definierte Übertragungszeiten einzuhalten und mehrere Ströme miteinander zu synchronisieren. Da der Scheduler Zeitsynchronisation voraussetzt, wissen alle Teilnehmer im Netzwerk wann welche Priorität gesendet und verarbeitet werden darf. Neben der Zeitsynchronisierung und verschiedenen Traffic Shaping und Scheduling Mechanismen gibt es weitere Sub-Standards, die derzeit erarbeitet werden oder schon erarbeitet worden sind. Diese verschiedenen Standards sind mehr als eine Art Systembaukasten, als eine All-In-One Lösung zu verstehen. Die Bausteine können in verschiedenen Variationen kombiniert werden und erfüllen damit bestimmte Anforderungen unterschiedlicher Anwendungsfälle. So ist es möglich TSNNetzwerke an die jeweilige Applikation anzupassen. Der IP Core des Fraunhofer IPMS hat derzeit die Substandards IEEE 802.1Qbv, IEEE 802.1AS und 802.1Qav, sowie einen echtzeitfähigen MAC implementiert.

TSN IP Core auf FPGA-Basis

Aufgrund des großen Funktionsumfangs von TSN lässt sich die Integration am sinnvollsten auf FPGA-Basis realisieren. Im Vergleich zu integrierten Schaltkreisen (ICs) bei denen viele Funktionalitäten vorgegeben sind, ist der FPGA ein eher unbeschriebenes Blatt. Das Logikgatter (Gate Array) kann so konfiguriert werden, dass komplexe digitale Funktionen erzeugt werden können. Gegenüber ICs haben FPGAs einige Vorteile:
  • Deutlich geringere Entwicklungskosten
  • Kürzere Implementierungszeiten
  • Flexibel erweiterbar und reprogrammierbar
Einige TSN Standards werden derzeit noch überarbeitet und verändern sich weiterhin.Eine mögliche Re-Programmierung und die Erweiterungsfähigkeit ist daher derzeit noch ein kritischer Faktor bei der Implementierung.

Zusammenfassung und Ausblick

Unterschiedliche Echtzeitanforderungen benötigen unterschiedliche Herangehensweisen. TSN schafft die Grundlage, um diesen Anforderungen zu begegnen. Das Spektrum ermöglicht dabei verschiedenen Anforderungen an Latenz, Jitter und Ausfallsicherheit zu begegnen. Der Standardisierungsprozess ist allerdings noch nicht abgeschlossen und auch die Umsetzung der verschiedenen Standards befinden sich noch in Arbeit. Kern-Funktionen, können allerdings bereits in Produkte integriert werden. Änderungen oder Erweiterungen können mit entsprechenden Supportangeboten nachimplementiert werden. Seine volle Wirkung entfaltet ein TSN Netzwerk, wenn alle Geräte innerhalb der Infrastruktur TSN-fähig sind. Derzeit arbeiten verschiedene Hersteller industrieller Endgeräte und Switches daran, ihre Geräte TSN-fähig zu machen. In sogenannten Plugfests werden diese Produkte mit allen Herstellern auf standardkonforme Interoperabilität getestet. Das Fraunhofer IPMS testet den eigenen TSN_CTRL IP-Core derzeit auf den Plugfests des Industrial Internet Consortiums (IIC) und des Lab Network Industry 4.0 (LNI).
 

Der Autor

Dr. Andreas Weder schloss 2006 sein Studium zur Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Nachrichtentechnik an der TU Dresden ab. Er promovierte 2013 an der TU Dresden 2013 auf dem Gebiet der drahtlosen Sensornetzwerke. Seit 2006 ist er am Fraunhofer IPMS tätig, wo er  seit 2016 Leiter der Entwicklungsgruppe Modulintegration ist.
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