Der erste Teil dieser Artikel-Serie gibt einen Überblick über den aktuellen Stand, die offenen Herausforderungen sowie die damit ­verbundenen Chancen des neuen Ethernet-Standards.

Echtzeit-Fähigkeit ist das traditionelle Alleinstellungsmerkmal der industriellen Kommunikation und der bedeutendste Unterschied zur IT-Kommuni­kation. Diese Schlüsselanforderung war einer der Treiber für die heute vorherrschende Vielfalt an zueinander und zur  IT inkompatiblen Feldbus-Standards. Ethernet nach IEEE 802.1, der dominierende Standard für die IT-Kommunikation, brachte hinsichtlich einer deterministischen Kommunikation keine Garantien mit sich.

Mit der zunehmenden Digitalisierung stieg branchenübergreifend der Bedarf nach echtzeitfähiger Kommunikation, unter anderem in den Bereichen Audio/Video, Transport, Finanzen und industrieller Automatisierung. Dies führte zur Gründung der Time-Sensitive Networking Task Group, welche die Quality-of-Service-Mechanismen von Ethernet um deterministische Garantien mittels neuer und verbesserter Substandards erweitern soll. Dementsprechend handelt es sich bei TSN auch nicht um eine neue Technologie, sondern um eine Evolutionsstufe von Ethernet. 

Das Potential von echtzeitfähigem Standard-Ethernet für die industrielle Kommunikation ist branchenweit erkannt, wobei insbesondere zwei Ziele verfolgt werden:

• Die Vielfalt an Feldbus-Standards zu reduzieren, um die damit verbundenen Kosten und Probleme zu lösen (Schaffung eines einheitlichen Feldbusses).

• Konvergente IT/OT-Netze zu schaffen, welche als eine Schlüsseltechnologie für eine Vielzahl von Industrie-4.0-Visionen gesehen werden.

Während die Vision eines einheitlichen Feldbusses zu offensichtlichen Verbesserungen der jetzigen Situation führt, sind konvergente Netze von wesentlich größerer strategischer Bedeutung.

Der Vergleich von TSN mit Feldbussen ist nur bedingt zulässig: Feldbusse sind für gewöhnlich vollständige Kommunikationslösungen und decken das komplette OSI-Schichtenmodell ab. TSN Ethernet hingegen deckt die Schichten 1 und 2 ab sowie den Echtzeit-Aspekt, welcher sich vertikal durch alle Schichten erstreckt. Applikationen werden dementsprechend neben TSN stets weitere Protokolle auf den höheren Schichten nutzen, wobei es hier grundverschiedene Ansätze gibt.

Für die industrielle Kommunikation ergibt sich der Mehrwert von TSN durch das entstehende Ökosystem. Daher müssen zur Beurteilung des aktuellen Stands neben den TSN-Standards als solchen insbesondere die aktuellen Entwicklungen bei den Protokollen auf höheren Schichten sowie der Stand verfügbarer Hardware- und Softwarelösungen betrachtet werden. 

TSN-Standards im Rahmen von IEEE 802.1

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TSN ist kein einzelner neuer Stand-ard sondern eine Sammlung an neuen Substandards sowie Erweiterungen und Ergänzungen von existierenden. Einige dieser sind bereits ratifiziert und verfügbar, andere befinden sich in Entwicklung, für wieder andere wurde gerade erst der Bedarf festgestellt. Anders als bei vielen industriellen Standards wäre das Warten auf eine Fertigstellung nicht zielführend, da Ethernet kontinuierlich weiterentwickelt wird. Wichtig ist es daher zu verstehen, welche Standards für die eigenen Produkte relevant sind und welche lediglich Auswirkungen auf das Ökosystem haben werden. Die meisten TSN-Substandards lassen sich kategorisieren in Zeitsynchronisation, Beeinflussung des Datenverkehrs und Konfiguration. 

Die Zeitsynchronisation ist eine Kernfunktion von TSN-Netzwerken. Anders als bei vielen Feldbussen erfolgt die Synchronisation mittels einer gemeinsamen Zeitbasis und nicht eventgesteuert. Der auf IEEE 1588 basierende Standard IEEE 802.1AS wird im Rahmen von TSN aktualisiert und in seiner Arbeitsversion als AS-rev bezeichnet. Nach Jahren des Wartens liegt nun ein akzeptierter Entwurf vor, dessen finale Veröffentlichung im Laufe des Jahres 2020 zu erwarten ist. Es ist davon auszugehen, dass diese Version von AS der dominierende Zeitsynchronisationsstandard in TSN-Netzwerken sein wird.

Die Standards zur Steuerung des ­Datenverkehrs, insbesondere das in IEEE 802.1Qbv standardisierte zeitschlitzbasierte Verfahren, sind bereits seit einiger Zeit verfügbar und als stabil zu betrachten. 
Eine effiziente Nutzung der TSN-Mechanismen zur Gewährleistung einer deterministischen Kommunikation setzt eine geeignete Konfiguration voraus. Von grundlegender Bedeutung hierfür ist der Standard IEEE 802.1Qcc, welcher allerdings an vielen Stellen eher einen Rahmen vorgibt als eine konkrete Implementierung zu ermöglichen. Es fehlen daher noch weitere Standards, um 802.1Qcc sinnvoll nutzen zu können. Hierzu zählen etwa die Kommunikation zwischen dem Central Network Controller (CNC) und dem Central User Controller (CUC) beim zentralen Ansatz, welche in 802.1 Qdj spezifiziert wird, sowie die Standards zur dezentralen Konfiguration, wofür die Protokolle LRP und RAP standardisiert werden.

Protokolle der höheren Schichten

TSN deckt lediglich die Schichten 1 und 2 ab, weshalb auf den oberen Schichten stets weitere Protokolle notwendig sind. Typischerweise sind diese mit steigendem Layer zunehmend applikationsspezifisch. Branchen wie Audio/Video haben ihre eigenen Lösungen, im Standard-IT-Umfeld werden auch zukünftig die bewährten Protokolle wie TCP/IP auf den Schichten 3 und 4 oder HTTP auf der Applikationsebene vorherrschen, potenziell nun aber deterministisch. 

TSN ist kein einzelner Standard. Vielmehr gibt es eine ganze Reihe relevanter Standards hierfür.

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Im industriellen Umfeld gibt es momentan zwei Fraktionen: Die Fraktion ‚Feldbusse-over-TSN‘ und jene, die eine Standardisierung durch alle Ebenen erreichen möchte und sich im Rahmen der OPC Foundation unter dem Akronym OPC UA FLC (Field Level Communication) zusammengefunden hat.

Feldbusse-over-TSN haben den Vorteil, die etablierten Ökosysteme mitzubringen und zu bewahren. Dabei werden sehr unterschiedliche Grade an Interoperabilität angestrebt. Es gibt bereits operativ einsetzbare Lösungen, allerdings basieren diese zu einem signifikanten Teil auf proprietären Lösungen, insbesondere in Bezug auf die Konfiguration.
Die Idee einer einheitlichen Lösung bis zur Applikationsschicht galt einerseits 
lange als Wunschtraum andererseits als zwingend für die Digitalisierung der Produktion. Eine saubere Entkopplung und Abstraktion von realen Systemen, Hardware und Echtzeit-Kommunikation sind Voraussetzung für eine effiziente Software-Entwicklung sowie auch viele softwarebasierte Geschäftsmodelle, beispielsweise Services im Bereich Data-Science oder künstlicher Intelligenz. Im Kontext von FLC arbeitet nun eine große Anzahl an Schlüsselplayern der Automatisierungsbranche an einer einheitlichen Lösung, die sich bis in die Feldebene erstreckt. Die FLC-Gruppe beabsichtigt zeitnah eine erste Minimal-Variante zu veröffentlichen, potenziell schon in diesem Jahr. Die große Vision wird dabei jedoch nicht aus den Augen verloren, die Beteiligten aber noch das ein oder andere Jahr beschäftigen.

Die gemeinsame IEC-IEEE-Arbeitsgruppe 60802 arbeitet daran, TSN für die verschiedenen industriellen Ansätze nutzbar zu machen und dennoch Interoperabilität zu gewährleisten. Das sich hier in Arbeit befindliche industrielle Profil für TSN soll gleichzeitig auch Richtlinien für die zu unterstützenden TSN-Funktionen in Produkten geben. Ähnliche Profile für andere Branchen wie Automotive und Audio/Video sind bei anderen Organisationen in Arbeit. 

Sehr kontrovers wird das Thema branchenübergreifende Interoperabilität diskutiert und damit einhergehend die Frage, inwieweit es hierfür unterhalb der Profile eine gemeinsame Basis geben muss und wer diese definiert. Hier versucht beispielsweise die Avnu Alliance, Lösungen zu schaffen.

TSN-Lösungen

TSN hat Auswirkungen auf die Hardware- und Software-Architektur von Endgeräten und der Netzwerk-Infrastruktur. Je nach Anwendung und Anforderungen können diese  – insbesondere bei Endpunkten – sehr unterschiedlich ausfallen. Manche Anwendungen benötigen spezielle Hardware, andere kommen mit bereits heute erhältlicher Hardware aus oder benötigen lediglich ein Software-Update. Selbst Geräte ohne jegliche TSN-Fähigkeiten können von einem konvergenten Netz profitieren, da hierdurch beispielsweise ein direkter Zugriff auf Sensordaten von einem IT-System möglich wird. 

IT- und OT-Protokolle im OSI-Schichtenmodell, die alle in industriellen Applikationen über einen längeren Zeitraum hinweg eine Rolle spielen werden.

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Auf der Seite der Netzwerk-Infrastruktur, also beispielweise bei den Switchen, gibt es bereits eine große Anzahl an Proto-typen sowie erste Produkte. Viele dieser Produkte versprechen Aufwärts-kompatibilität mit den sich weiterentwickelnden TSN-Standards durch entsprechende Updates.
Zunehmend sind Hardwarelösungen für Single-Port- sowie Switched-Endpoints verfügbar, sowohl in Form von ICs oder IP-Cores als auch in Form von integrierten Produkten wie Netzwerk-Karten für PCs. Die Software-Unterstützung verbessert sich ebenfalls zunehmend dank offener sowie prioritärer Lösungen für einzelne Aspekte wie Zeitsynchronisation oder aber ganze Betriebssysteme.

Herausforderungen

TSN wird branchenübergreifend akzeptiert, dennoch gibt es nach wie vor signifikante technische aber auch organisatorische und politische Herausforderungen. Die folgenden fünf Punkte sind die momentan relevantesten und werden im Jahr 2020 im Fokus stehen: 

Standards

Nach wie vor wird an einer Reihe von Standards gearbeitet, sowohl an den eigentlichen TSN-Standards als auch an den darauf aufbauenden Standards der höheren Ebenen. Sehr im Fokus steht die Arbeit der FLC-Gruppe, von welcher signifikante Fortschritte zu erwarten sind. Aber auch die über die letzten Jahre entwickelten Standards, welche in 2020 zur Veröffentlichung anstehen, werden einen starken Einfluss auf die Community ausüben. So wird die Transition zu 802.1AS-rev, ab Release dann AS-2020 genannt, stattfinden. Sämtliche bereits existierende TSN-Produkte und Stacks werden hiervon betroffen sein und die neu standardisierten Funktionen, wie zum Beispiel redundante Master-Clocks, implementieren müssen. 

Konfiguration und Interoperabilität

Die Konfiguration

Technisch, organisatorisch und politisch gleichermaßen herausfordernd ist die 
Konfiguration von TSN-Netzen. Die IEEE-Standards, allen voran IEEE 802.1Qcc, sind nicht spezifisch genug, um direkt implementiert zu werden. Im Standard werden bereits mehrere verschiedene Ansätze spezifiziert – die zentrale, verteilte und hybride Konfiguration. Diese bilden schon jeweils für sich betrachtet eine Herausforderung; die Verwendung dieser Konfigurations-Arten in Kombination miteinander ist noch gänzlich ungeklärt! Daher sind einerseits weitere Standards erforderlich, andererseits aber auch eine Verständigung auf eine gemeinsame Interpretation.

Der TSN-Demonstrator des ‚IIC TSN Testbed‘ am ISW. Gerade Testbeds spielen bei dem Einstieg in die TSN-Technologie eine wichtige unterstützende Rolle.

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Durch die Konvergenz von IT und OT werden Industriegeräte auch IT-Geräte. Daher benötigen diese, neben den speziellen TSN-Konfigurations-mechanismen einen Konfigurations-prozess wie jedes Standard-IT-Gerät. Da diese Mechanismen von den im industriellen Umfeld üblichen Prozessen stark divergieren und teilweise sogar widersprüchliche Anforderungen vorliegen, müssen neue, branchen-übergreifende Lösungen gefunden werden. Dabei werden Aufgaben neu verteilt, welche bis dato in einer Hand lagen. Wurden bislang das Netz sowie die Anwendungen mit einem einzigen Engineering-Tool konfiguriert, muss dies in Zukunft  auf Netzwerk, Applikation und potenziell weitere Akteure aufgeteilt werden.

Die Interoperabilität

TSN – sowie Ethernet nach IEEE 802.1 im Allgemeinen – ist kein Standard, welcher direkt implementiert werden kann und zu interoperablen Geräten führt. Vielmehr gibt es einerseits sehr viele Optionen, welche kombiniert werden können, andererseits benötigen viele Substandards weitere Spezifizierungen, um zu einer interoperablen Implementierung zu führen. Für die Realisierung konvergenter Netze ist eine konsequente Interoperabilität jedoch Voraussetzung.

Für den industriellen Einsatz ist das IEC-IEEE-60802-Profil ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung, branchenübergreifend existiert diesbezüglich allerdings noch kein Konsens. Damit einhergehend gilt es auch noch Fragen hinsichtlich des Testings und einer potenziellen Zertifizierung zu klären. Aber: Bereits heute leisten Testbeds, in welchen schon im Prototypstadium der Produkte Interoperabilität getestet wird, hierzu einen wichtigen Beitrag.

Lösungen für konvergente Netze und Systeme

Florian Frick ist Gruppenleiter Echtzeit­kommunikation und Steuerungshardware am ISW Stuttgart.

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Hardware-, Software- sowie Infra-struktur-Lösungen sind zunehmend verfügbar, dennoch fehlen viele Elemente, um konvergente Netze industriell umsetzen sowie die passenden Endgeräte entwickeln zu können. Insbesondere auf Seiten der Software braucht es Lösungen zur einfachen Nutzung und Abstraktion; netzwerkseitig sind Lösungen für das Management und die Konfiguration, beispielsweise CUCs und CNCs, erforderlich. Um die Vorteile einer konvergenten Kommunikation vollständig nutzen zu können, muss die 
Konvergenz bis auf die Applikationsebene der Endgeräte gewährleistet werden. Dies erfordert unter anderem die Möglichkeit, mehrere deterministische Applikationen parallel ausführen zu können.

Security und Safety

Themen die bisher kaum eine Rolle spielen, aber vor einem Produktiveinsatz konvergenter Netze behandelt werden müssen, sind Safety und Security. Ein nicht abgesichertes Netz mit Standard-IT zu verbinden, ist nicht akzeptabel. Für viele Anwendungen im industriellen Umfeld sind Safety-Lösungen unabdingbar.

Potenziale erkennen und nutzen

Bisher liegt im industriellen Umfeld ein sehr starker Fokus auf der Idee eines einheitlichen Feldbusses. Dies ist sehr erstrebenswert, jedoch für das übergeordnete Ziel konvergenter Netze lediglich ein Zwischenschritt. 
Auch wenn es noch, wie zuvor aufgezeigt, viele Herausforderungen gibt, ist dies kein Grund, nicht mit innovativen Lösungen auf Applikationsebene zu beginnen. Ursächlich für den sehr zögerlichen Fortschritt sind sicherlich das bisher kaum vorhandene Verständnis und die fehlende Erfahrung mit konvergenten Netzen. Technisch ist der Einstieg jedoch in vielen Fällen leichter als es scheint. Verfügbare, oft auch offene Lösungen lassen sich heute schon nutzen. Testbeds oder auch die vom ISW getriebene Initiative zum Technologietransfer TSN for Automation können hierbei wichtige Unterstützung leisten!

Die TSN-Artikelserie

Meinrad Happacher Editor at Large Computer&AUTOMATION

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‚TSN statt Feldbus‘ prangerte als provokanter Slogan über dem ersten Technologie-Demonstrator des Instituts für Steuerungstechnik der Universität Stuttgart auf der SPS Drives 2016. Für viele Messebesucher war dies der erste TSN-Kontakt überhaupt – mit sehr unterschiedlichen Reaktionen. Kaum einer hatte zu diesem Zeitpunkt von TSN gehört, geschweige denn, dass jemand die Bedeutung und die Auswirkungen abschätzen konnte. 

Das Interesse an TSN stieg in den folgenden Jahren rapide an und gipfelte Ende 2018 in der Ankündigung der FLC-Aktivitäten durch die OPC Foundation. Doch auch TSN konnte sich dem Verlauf der ‚Technology-Hype-Curve‘ nicht entziehen: nachdem der – lange und beschwerliche – Weg zu den hohen Zielen der TSN-Vernetzung klar wurde, kam bei einigen Akteuren und potenziellen Anwendern Katerstimmung auf.
Aktueller Stand ist: Während einige Akteure mit viel Engagement daran arbeiten, die TSN-Vision Realität werden zu lassen und sich in einer kaum noch überschaubaren Anzahl an Gremien, Gruppen und Initiativen aktiv einbringen, herrscht bei einem Großteil der Branche noch Verwirrung über die Zukunft der industriellen Kommunikation.

Sehr oft wird der eingangs erwähnte Slogan wörtlich genommen und TSN auf einen ‚einheitlichen Feldbus‘ reduziert. Auch wenn TSN hierzu eine Voraussetzung ist, wird die eigentliche Innovation übersehen: TSN ist die Schlüsseltechnologie für konvergente Netze, welche nichts weniger als eine essentielle Voraussetzung für die Vision von Industrie 4.0 sind. Dies zu vernachlässigen, käme einer Reduktion der Innovation des Smartphones auf ein „Einheitliches Betriebssystem zum Telefonieren“ gleich. Ein Großteil der Industrie befindet sich momentan in einer Wartestellung und übersieht, dass nun der richtige Zeitpunkt für innovative Entwicklungen ist. Insbesondere KMUs haben jetzt die Chance, sich durch innovative Lösungen jenseits der – von wenigen Großen – dominierten Ökosysteme langfristig ihren Wettbewerbsvorteile zu sichern. 

Zugegeben, es ist momentan recht schwierig, den Überblick zu wahren und zu erkennen, an welchen Stellen die Technologie noch reifen muss und wo schon jetzt mit Entwicklungen gestartet werden kann. Die mit dieser Ausgabe beginnende TSN-Serie soll deshalb über das Jahr hinweg TSN in all seinen Facetten beleuchten: die Technologie erörtern, Trends und Entwicklungen aufzeigen und auch die kontroversen organisatorischen sowie politischen Aspekte nicht vernachlässigen. 
Für Fragen und Anregungen hierzu stehen Florian Frick, florian.frick(at)isw.uni-stuttgart.de und Meinrad Happacher, mhappacher(at)weka-fachmedien.de, gerne zur Verfügung.