TSN ist keine eigenständige Kommunikationstechnologie, sondern bietet eine Fülle neuer Features für Ethernet: Erweiterungen in Bereichen wie Echtzeit-Fähigkeit und Kommunikationslatenz, Synchronisation, Robustheit und Konfiguration. Insgesamt umfasst TSN derzeit gut ein Dutzend veröffent-lichter IEEE-Standards, einige davon sind für Anwendungen in der Industrie-automatisierung relevant. Daher wurden Initiativen gestartet, um herstellerunabhängige interoperable Komponenten und Methoden für industrielle Kommunikationsnetzwerke und das ‚Internet der Dinge‘ (IoT) zu standardisieren. Aktuell geschieht das in der IEC 60802 und in der OPC Foundation Field Level Communication (FLC).
Gerade im Bereich des industriellen Edge Computing, wo die Grenzen zwischen Cloud- beziehungsweise IT-Infrastruktur und den Produktions-anlagen und Maschinensteuerungen verschwimmen, ist eine solche Erweiterung von Ethernet hochinteressant. Mit TSN wird es möglich, die Flexibilität und Offenheit von IT-Netzwerken mit der Zuverlässigkeit und dem Determinismus von Feldbus-Protokollen durch eine einzige Technologie und sogar in einem einzigen Netzwerk zu kombinieren. Dadurch wird die Gesamtarchitektur optimiert und vereinfacht, anstatt für jede Anwendung eine spezielle Technologie einzusetzen und durch Gateways zu verbinden.

Ethernet wird in der Industrieautomatisierung nicht nur als Basis für verschiedene Feldbus-Technologien verwendet, sondern auch in vielen industriellen Anwendungen als Unmanaged Ethernet eingesetzt. In so einem Netzwerk kommt eine der Stärken von Standard-Ethernet zum Tragen: die ‚verteilte Intelligenz‘ von Ethernet-Protokollen wie Address Learning und Spanning Tree, mit denen das Netzwerk ohne Anwendereingriff die Endgeräte, Pfade und sogar Probleme – etwa Verbindungsfehler – im Netzwerk lernt, diagnostiziert, und entsprechend konfiguriert.

Im Laufe der Zeit hat das IEEE eine ganze Reihe solcher Protokolle standardisiert; zahlreiche Hersteller von Ethernet Switches haben diese umgesetzt, sodass für viele Anwendungsfälle ein Ethernet-Netzwerk aus Unmanaged Switches ausreichend Leistung und Robustheit bietet. Den Anwendern sind hierbei in der Regel die dynamischen Eigenschaften der Ethernet-Mechanismen bewusst, etwa wie langes es dauert, bis ein Netzwerk im Hochlauf die für die Kommunikation notwendigen Routen ‚gelernt‘ hat, oder bis ein Verkabelungsfehler erkannt und eine Alternativroute durch das Netzwerk etabliert ist. Daher werden an diese Mechanismen auch keine Anforderungen bezüglich Garantien und Determinismus gestellt.

Drei Anwendungsfälle von Ethernet

Gerade im Bereich des industriellen Edge Computing, wo die Entwicklung zu mehr Konvergenz zwischen Cloud, IT und Produktionsanlagen führt, sind offene Kommunikationsstrukturen wie OPC UA over TSN von großer Bedeutung für Netzwerke.

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Da TSN Erweiterungen von Ethernet bietet, bleiben solche dynamischen und konfigurationslosen Mechanismen grundsätzlich auch in TSN-Netzwerken vollumfänglich verfügbar. Allerdings können ohne Konfiguration all jene Mechanismen nicht sinnvoll genutzt werden, die beispielsweise für die Priorisierung von bestimmten Anwendungen wie VoIP in einem gemischten IT-Netzwerk oder für das Traffic Policing, Intrusion Detection und andere Security-Mechanismen in einer kritischen IT-Infrastruktur eingesetzt werden. Sobald also in einem TSN-fähigen Netzwerk die Features von Unmanaged Ethernet nicht mehr ausreichen, wird die Konfiguration der darüber hinausgehenden Mechanismen zum Thema.
Ethernet mit den passenden TSN-Zusatzfeatures ist grundsätzlich geeignet, die folgenden drei Anwendungsarten größtenteils auch ohne Anpassungen an den Endgeräten abzudecken: Flexible und sichere IT-Netzwerke, Unmanaged Ethernet Anwendungsfälle, und deterministische Feldbusartige Steuerungsanwendungen.

Nun stellt sich bei der Konzeption und dem Betrieb solcher gemischter (konvergenter) Netzwerk-Umgebungen die Frage, wie die doch sehr unterschiedlichen Anforderungen an das Netzwerk korrekt und mit möglichst geringem Aufwand konfiguriert, erweitert und überprüft werden können. Schließlich nutzen IT-Administratoren ganz andere Ethernet-Mechanismen und Methoden zur Einrichtung, Verwaltung und Diagnose von Ethernet-LANs als Maschinenbauer und Automatisierer für die Konfiguration und den Test von Ethernet-basierten Feldbussen. 

Der Nutzen der Konfiguration

Mit welchem Ansatz kann nun eine TSN-Konfiguration gelingen?

Konfiguration in IT-Netzwerken ist wegen der vielfältigen Einsatzmöglich-keiten von Ethernet und wegen zahlreicher herstellerspezifischer Features zumeist ein komplexes Unterfangen. Die TSN-Arbeitsgruppe der IEEE hat bei der Standardisierung dieses Thema berücksichtigt und eine ganze Reihe von Standards für die herstellerunabhängige Konfiguration von TSN-Features veröffentlicht, sowohl für das Format der Konfigurationsdaten als auch für die Schnittstellen, mit denen diese Konfigurationsdaten an die Netzwerk-Switches übermittelt werden können. Wenn TSN-Produkte wie Netzwerk-Switches und Konfigurationstools diese Standards unterstützen, ermöglicht das dem Endnutzer eine einfache und umfassend funktionale herstellerunabhängige und interoperable Konfiguration des TSN-Netzwerks.

TSN-Konfiguration umfasst die Konfiguration aller Mechanismen, die TSN für Anforderungen an das Netzwerk in der Industrieautomation bietet. Unter anderem sind das die Uhrensynchronisation nach IEEE 802.1AS(rev), die verschiedenen streambasierten Mechanismen zur präzisen Diagnose und Kontrolle von Bandbreite und/oder Netzwerk-Latenz für kritische Anwendungen nach den Erweiterungen von IEEE 802.1Q (unter anderem IEEE 802.1Qav, .1Qbv, .1Qci), aber auch das Preemption-Feature zur effizienteren Nutzung von Bandbreite in Netzwerken mit langen niederprioren und kurzen hochprioren Nachrichten. 

Diese Features von TSN eignen sich besonders gut, um Anwendungen in Edge- und IoT-Architekturen zu vernetzen. Hier ist ein Teil der Daten steuerungsrelevant, echtzeitkritisch oder sogar sicherheitskritisch, der andere, meist deutlich größere Teil der Datenkommunikation dient hingegen Diagnosezwecken und anderen weniger kritischen Aufgaben. In solch einem hybrid genutzten Netzwerk muss auch die Konfiguration der unterschiedlichen Sachlage entsprechen:

• Für echtzeitkritische Anwendungen muss das Netzwerk Echtzeit-Garantien bieten.

• Sporadische Alarmmeldungen und Kalibrierungsdaten brauchen Bandbreiten-Garantien.

• Diagnosedaten sollen auf Abruf verfügbar sein, ohne die anderen Traffic-Arten zu beeinträchtigen.

Ethernet unterstützt die spontane Einbindung neuer Knoten, sofern das Netzwerk dafür ausgelegt ist. So sollte man etwa eine Videokamera mit dem Maschinennetzwerk verbinden können, ohne dafür das Netzwerk oder gar die Applikation extra umkonfigurieren zu müssen.

Am Beispiel der Kamera ist erkennbar, wie wichtig die inhärente Konzeption von TSN ist, die kritische Kommunikationsanforderungen einiger Netzwerk-Komponenten auch dann gewährleistet, wenn weitere Teilnehmer ohne TSN-spezifische Features in das Netzwerk integriert werden. Jeder Teilnehmer kann das Netzwerk also im Rahmen seiner eigenen Möglichkeiten bestmöglich nutzen und wird vom Netzwerk selbst dabei unterstützt.