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TSN - die Zukunft der industriellen Kommunikation beginnt heute

Die Time Sensitive Networking (TSN) Erweiterungen erlauben echtzeitfähige und deterministische Kommunikation über herkömmliches Ethernet.

Heutzutage bestehen viele technische Systeme, die uns im täglichen Leben begegnen wie z.B. Autos, Roboter, Flugzeuge oder industrielle Anlagen, aus vielen einzelnen Komponenten. Zur Steuerung so eines Gesamtsystems sind Aktoren und Sensoren notwendig. Diese kommunizieren in der Regel über sogenannte Feldbusse miteinander. Seit Jahren gibt es Bestrebungen, diese spezialisierten Feldbusse durch herkömmliches Ethernet zu ersetzen. Denn Standard Ethernet erlaubt nicht nur eine einheitliche Verkabelung sowie real existierende Hardware wieder zu verwenden, sondern bietet zusätzlich die notwendige Flexibilität und Interoperabilität.

Da Ethernet per se keine Echtzeit Funktionalitäten bietet, haben sich diverse offene oder proprietäre Protokolle wie beispielsweise EtherCAT, ProfiNET oder SERCOS entwickelt. TSN ist eine Initiative der Time-Sensitive Networking Task Group (IEEE 802.1), um eine einheitliche und gemeinsame Lösung zu schaffen. Dazu beschreibt TSN eine Reihe von Standards, die Ethernet offiziell um die Echtzeitfähigkeit und Determinismus erweitern.

TSN besteht aus ca. einem Dutzend unterschiedlicher IEEE-802 Standards, die auf Determinismus und Dienstqualität abzielen und dabei die Interoperabilität von Ethernet wahren.

Die Familie der TSN-Substandards bietet zwei wesentliche Methoden für zeitlich deterministische Übertragung an: Priorisierung und Frame Preemption (asynchron) sowie zeitgesteuerte Übertragung in reservierten Zeitfenstern (TDMA-Verfahren, synchron). Beide lassen sich auch kombiniert einsetzen.

In der Industrieautomatisierung steht derzeit in Bezug auf harte Echtzeit über TSN die zeitgesteuerte Übertragung im Vordergrund (das ist das Prinzip der o.g. Feldbusse).

Der TSN-Standard IEEE802.1Qbv erweitert und verallgemeinert die bisherigen proprietären Mechanismen, um ihren Anwendungsbereich zu erweitern und eine Koexistenz unterschiedlicher Echtzeitsysteme in einer gemeinsamen Netzwerkdomain ohne gegenseitige Beeinflussung zu ermöglichen. Das zeitgesteuerte Senden nach Qbv vermeidet unerwünschte Kollisionen zwischen unterschiedlichen Datenströmen, die den Switch an einem gemeinsamen Port verlassen.

Eine akkurate Zeitsynchronisation aller teilnehmenden Netzkomponenten mit Submikro-sekunden-Genauigkeit ist die notwendige Voraussetzung für den effektiven Einsatz der zeitgesteuerten Übertragung. Die etablierten Verfahren nach IEEE1588 bzw. IEEE802.1AS stellen dieselben Anforderungen an die Hardware. Entsprechende Bausteine müssen über einen PTP-Hardwaretimer verfügen, von dem Zeitstempel beim Senden und Empfangen der Zeitsynchronisationsnachrichten abgeleitet werden.

Viel wichtiger als eine eigene "bessere" Implementierung sind für alle Teilnehmer in einem TSN-Netzwerk Interoperabilität, Stabilität, Robustheit, eine schnelle Entwicklung des Ökosystems und Durchdringung des Marktes.

 

Und hier kommt Linux ins Spiel. Stand Oktober 2020 sind (fast) alle notwendigen Software Teile im aktuellen mainline Kernel bereits enthalten. Und an der Implementierung der fehlenden Teile wird von vielen Unterstützern wie Chipherstellern, aber auch ISV wie Linutronix gearbeitet.

Mehr Info zu TSN, Linux, Switches, Endpoint und Bridged Endpoints finden Sie hier.

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