Teil 7 der TSN-Serie

Die Zeitsynchronisation

CA 2020-12 TSN Serie
© AdobeStock

Eine präzise Zeitsynchronisation ist essentiell für TSN-Netzwerke und wird mittels 802.1AS erreicht. Wie sehen die grundlegenden Mechanismen aus und welche Optionen der Implementierung gibt es?

Zeitsynchronisation ist eine grundlegende Voraussetzung für TSN-basierte Netzwerke. Einerseits wird eine synchronisierte Zeit für viele TSN-Mechanismen wie das Schedule-basierte Senden von Daten nach 802.1Qbv benötigt. Auf der anderen Seite ist die Zeit auch für die mittels TSN realisierten verteilten Applikationen nötig. Dies kann im einfachsten Fall das Generieren eines Zeitstempels für Messdaten sein oder aber auch die hochgenaue Synchronisation einer physikalischen Applikation, beispielsweise die von mehreren Maschinenachsen.

So unterschiedlich die Applikationen sind, so unterschiedlich sind auch deren Anforderungen an die Genauigkeit der Synchronisation: Für einen Sensor zur Prozessüberwachung kann es durchaus ausreichend sein, sicherzustellen, dass dieser in der ersten Millisekunde eines 10-ms-Zyklus sendet.
Bei hochdynamischen Achsen einer Präzisionsmaschine ist eine Synchronisation im unteren Nanosekundenbereich erforderlich. 

In TSN-Netzwerken wird hierzu das Precision Time Protocol (PTP) verwendet, welches in IEEE 1588 und dem darauf ­aufbauenden IEEE-802.1AS-Standard de­finiert ist. PTP ermöglicht eine Syn­chronisation aller Knoten im Netzwerk 
mit einer Genauigkeit von unter 1 μs. 
Typischerweise ist die Synchronisationsgenauigkeit jedoch deutlich besser, meist sogar unter 50 ns. 

PTP Basics

Bild 1. Die Synchronisations-Hierarchie eines TSN-Netzes.
Bild 1. Die Synchronisations-Hierarchie eines TSN-Netzes.
© NetTimeLogic

PTP baut einen Synchronisationsbaum mittels des Austausches von ‚Announce‘ Frames – die Information über Qualitäten und Prioritäten des jeweiligen Knotens – und dem Best-Master-Clock Algorithmus auf.
Schlussendlich ergibt sich daraus eine Synchronisationshierarchie (Bild 1) bei der sich an oberster Stelle die Zeitquelle – PTP Grandmaster (GM) genannt – und an unterster Stelle des jeweiligen Zweigs die Zeitsenken – PTP Slaves (OC) genannt – befinden. Die Knoten dazwischen sind PTP-fähige Switches (PTP Boundary Clocks), welche an einem Port jeweils die Rolle einer Zeitsenke (PTP Slave) und auf den anderen Ports jeweils wieder die Rolle einer Zeitquelle (PTP Master) übernehmen. Hierdurch ist jede PTP-Verbindung eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung, entsprechend dem 802.1AS-Standard.

Jede PTP-Verbindung synchronisiert die beiden Endpunkte, den Slave und den Master nach demselben Prinzip. Dabei werden sowohl die Phase zwischen den zwei Teilnehmern als auch die Drift aufgrund abweichender Frequenzen der Uhren bestimmt und kompensiert.

Um die Phase ausgleichen zu können, muss sowohl der Unterschied der lokalen Uhren als auch die Latenz der Kabelverbindung bekannt sein. Hierzu wird zuerst die Latenz (Delay) zwischen zwei PTP-Knoten bestimmt, wofür ein Mechanismus auf Basis sogenannter ‚Peer Delay Messages‘ (P2P) zum Einsatz kommt.
Mit dem Wissen über die Latenz kann nun der eigentliche Phasenfehler (Offset) mittels zeitgestempelter Nachrichten bestimmt werden. Durch aufeinanderfolgende Messung erfolgt noch die Bestimmung des Frequenzfehlers – der Drift. Wie im einzelnen Parameter – Delay, Phasenfehler und Drift – bestimmt werden, ist im Standard definiert. 
Wie die gemessenen Phasen und Frequenzfehler ausgeglichen werden, ist nicht im Standard definiert und implementierungsspezifisch. Dies kann sprunghaft oder durch ausgereifte Regelungsalgorithmen erfolgen.


  1. Die Zeitsynchronisation
  2. Die Qualität der Synchronisation
  3. Die Optionen der Implementierung
  4. Die Hardware-Lösung
  5. Übersicht: IEC-61156-Standards für Single Pair-Ethernet-Leitungen.

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