Die industrielle Kommunikationstechnik ist von einer Vielfalt an Feldbussen geprägt, welche neben der Echtzeit-fähigkeit wenige Gemeinsamkeiten aufweisen. Die fehlende Interoperabilität untereinander und insbesondere zur IT entwickelte sich von einem akzeptierten Ärgernis zu einem signifikanten Hemmnis für die Digitalisierung der Produktion. IEEE Ethernet war aufgrund des fehlenden Determinismus lange Zeit keine Alternative.

Dies änderte sich grundlegend mit der Gründung der Time-Sensitive Networking Task Group, welche mittels neuer Substandards die Quality-of-Service-Mechanismen von Ethernet um deterministische Garantien erweitert. TSN ist dementsprechend keine neue Technologie, sondern die nächste Evolutionsstufe von Ethernet. In Konsequenz ist auch der Vergleich von TSN mit Feldbussen, welche ein vollständiges Ökosystem darstellen, nur bedingt sinnvoll.

Bild 2. Relevante Aspekte des TSN-Ökosystems

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• Multi-Technologie-Kommunikation (Konvergenz der Technologien): TSN deckt lokale Netze ab, für drahtlose Verbindungen oder weitläufige Netze kommen andere Technologien wie 5G, Wi-Fi 6 oder DetNet zum Tragen. Die Kombination dieser Technologien ermöglichen innovative Applikationen und Topologien, wobei aus Endpunktsicht meist ein TSN-Netz vorliegt.

Bei Diskussionen über TSN im industriellen Kontext ist es daher stets sinnvoll, nicht nur über die Standards an sich zu sprechen, sondern das gesamte Ökosystem zu betrachten. Bild 2 gibt einen Überblick über die relevanten Aspekte. Diese werden im Folgenden genauer beleuchtet und auf aktuelle Entwicklungen eingegangen.

Die TSN-Standards

TSN ist eine Reihe neuer Substandards und Erweiterungen der IEEE Ethernet-Standards in 802.1. Als Grundlage für eine deterministische Kommunikation werden hierfür neue Funktionen zur Zeitsynchronisation, der Steuerung des Datenverkehrs, zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Konfiguration eingeführt. Beim Datenverkehr kommt sowohl das Konzept von Datenklassen (Traffic Classes) als auch von Streams zum Einsatz, welche durch die Nutzung der TSN-Mechanismen mit entsprechenden deterministischen Garantien realisierbar sind.

Die einzelnen Standards befinden sich in unterschiedlichen Entwicklungsständen. Einige sind bereits verfügbar, manche befinden sich in der Entwicklung, andere wurden bisher nur als Lücke erkannt. Die kontinuierliche Weiterentwicklung ist typisch für Ethernet und Dank des modularen Aufbaus lassen sich viele TSN-basierte Lösungen bereits heute entwickeln und nutzen. Die Kompatibilität mit Ethernet ohne TSN-Funktionen erlaubt eine fließende Integration sowie die Nutzung der Konnektivität auch in klassischen IT-Systemen.

Die Zeitsynchronisation ist eine Kernfunktion von TSN und basiert auf dem aus IEEE 1588 bekannten Precision Time Protocol (PTP). Der korrespondierende Ethernet-Standard IEEE 802.1AS wurde im Rahmen von TSN aktualisiert und ist nun in der Version 2020 verfügbar. Dabei sind neue Funktionen wie die Unterstützung mehrere Zeitdomänen integriert.

Die Standards zur Steuerung des Datenverkehrs, insbesondere das in IEEE 802.1Qbv standardisierte zeitschlitzbasierte Verfahren oder der Credit-base-Shaper in IEEE 802.1Qav sind bereits seit einiger Zeit verfügbar und stabil. Ebenfalls stabil sind die Standards zur Redundanz und Frame-Preemption.

Aktuell im Fokus der Standardisierungsaktivitäten sind einerseits die Konfiguration und die hierfür benötigten Datenmodelle sowie die Nutzung von TSN für verschiedene Applikationsdomänen.

Die Nutzung von TSN

Die im Rahmen von TSN standardisierten Funktionen bilden die Basis einer deterministischen Kommunikation. Wie diese in welcher Kombination im Detail genutzt werden ist jedoch weder offensichtlich noch eindeutig. Vielmehr gibt es eine Vielzahl an Optionen um ähnliche Ergebnisse zu erreichen, wobei die optimale Lösung anwendungsbedingt sehr unterschiedlich sein kann. Um zumindest innerhalb einzelner Domänen ein gewisses Level an Interoperabilität zu erreichen – von Nutzbarkeit der Hardware bis zu Interoperabilität auf Applikationsebene – sind momentan verschiedene Profile in Arbeit.

Für die Industrie ist hier der Dual-Logo Standard IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation von größter Relevanz. Für andere Branchen werden ebenfalls Profile standardisiert, zum Beispiel 802.1DG für den Automotive Bereich und 802.1DP für die Luftfahrt. Die Profile geben beispielweise Details zur Nutzung bestimmter Funktionen, Genauigkeiten und weiterer Parameter vor.

Das Thema branchenübergreifende Interoperabilität befindet sich noch in sehr kontroverser Diskussion. Hier bemüht sich beispielweise die Avnu Alliance um Lösungen.

Protokolle der höheren Schichten

Da TSN nur die Schichten 1 und 2 des OSI-Modells abdeckt, werden stets Protokoll-Lösungen für die oberen Schichten benötigt. Diese sind mit steigendem Layer zunehmend applikationsspezifisch. Die bisher mit Ethernet genutzten Protokolle, insbesondere die aus dem IT-Umfeld bekannten wie TCP/IP lassen sich – potenziell nun echtzeitfähig – weiter nutzen.

Im industriellen Umfeld herrschen zwei Trends vor: Feldbusse-over-TSN und das im Rahmen von OPC UA FLC verfolgte Ziel einer einheitlichen Lösung bis zur Applikationsebene.

• Feldbusse-over-TSN, wie beispielweise Profinet oder CC-Link, bewahren etablierte Ökosysteme, bieten dabei aber sehr unterschiedliche Level an Interoperabilität. Im vergangenen Jahr wurden hier neue Lösungen veröffentlicht und auf den Markt gebracht.

• OPC UA FLC: Die Idee einer einheitlichen Lösung bis zur Applikationsschicht peilt eine große Anzahl an Schlüsselplayern der Automatisierungsbranche im Kontext der FLC-Aktivitäten der OPC Foundation an. Erste Ergebnisse ohne Echtzeitbezug wurden im vergangenen Jahr vorgestellt, weitere werden voraussichtlich zeitnah folgen. Als Basis für die Aktivitäten im Rahmen von FLC dient die PubSub-Kommunikation von OPC UA. Hier erfolgten im letzten Jahr wichtige Schritte bezüglich des Mappings auf TSN, beispielsweise hinsichtlich der Konfiguration.

Infrastruktur und Endgeräte

TSN wirkt sich auf die Netzwerk-Infrastruktur sowie die Hardware- und Software-Architektur von Endgeräten aus. Die Anforderungen unterscheiden sich anwendungsabhängig sehr stark. Für die Netzwerk-Infrastruktur sind neben vielen Prototypen zunehmend Produkte am Markt verfügbar. Dabei gibt es sowohl klassische IT-Switches wie auch für den industriellen Feldeinsatz ausgelegte Produkte, welche an die entsprechenden Umgebungsbedingungen angepasst sind.

Endpunktseitig dominieren gemischte Hardware-Software-Lösungen. Hardware-Unterstützung ist typischerweise für hochgenaue Anwendungen nötig und ist sowohl in zunehmender Zahl in Form von ASICs sowie IP-Cores für rekonfigurierbare Hardware verfügbar. Ebenfalls verfügbar sind Netzwerkkarten für Standard-IT-Systeme mit TSN-relevanten Features, welche zum Beispiel eine hochgenaue Synchronisation oder Offloading des Schedulings nach 802.1Qbv erlauben. Software ist ebenfalls in zunehmendem Ausmaß verfügbar, vieles auch in Form von Open-Source-Lösungen. So erfolgte beispielsweise die Veröffentlichung von Erweiterungen des Linux Traffic Control-Systems, welche sowohl das zeitgesteuerte Senden von Streams (Qdisc ETF) ermöglicht als auch die Definition eines Schedules für Traffic-Klassen (Qdisc TAPRIO). Ebenfalls verfügbar sind mehrere offene Lösungen für die Zeitsynchronisation, zum Beispiel LinuxPTP.

Die Konfiguration

Unabhängig vom Ausgang der technischen und politischen Diskussionen über die Nutzung von TSN, muss das Netz für eine effiziente Nutzung entsprechend automatisch konfiguriert werden. Der TSN-Standard IEEE 802.1Qcc beschreibt drei grundsätzliche Möglichkeiten der Konfiguration: einen zentralen, einen verteilten und einen hybriden Ansatz, wobei der Fokus momentan auf die ersten beiden gerichtet ist. Allerdings ist Qcc nicht spezifisch genug für eine direkte Implementierung, sodass weitere Standards erforderlich sind.

Bild 3. Zentraler Konfigurationsansatz und aktuelle Standardisierungsaktivitäten

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Beim verteilten Ansatz stehen die Protokolle zur dezentralen Ressourcenallokation (LRP/RAP) im Fokus.

Bild 3 gibt einen Überblick über die Struktur und die momentan laufenden Aktivitäten im Kontext des zentralen Konfigurationsansatzes.

Im Kern des zentralen Ansatzes, welcher ein Netzwerk bestehend aus Infrastruktur und Endpunkten konfigurieren soll, steht die zentrale Netzwerk-Konfiguration (Centralized Network Configuration – CNC). Diese kennt und koordiniert die Kommunikation im Netzwerk, unter anderem bestehend aus Streams und Traffic-Klassen. Die Anforderungen, welcher Endpunkt mit welchem Kommunizieren möchte, kommen dabei pro verteilter Anwendung von einer zentralen Anwendungskonfiguration (Centralized User Configuration – CUC). Sowohl CNC als auch CUC können dabei als Funktionen gesehen werden, welche sich in ein übergeordnetes Netzwerk-Management beziehungsweise das Engineering einer Applikation integrieren.

Es ergeben sich somit drei Kommunikationsbeziehungen, welche mittels Standards definiert werden müssen.

• Southbound Interface (CNC und Switches): An der Schnittstelle zwischen CNC und Infrastruktur werden die Konfigurationsinformationen über die etablierten Protokolle SNMP beziehungsweise zunehmend über NETCONF ausgetauscht. Fokus der Standardisierung sind hier momentan die Datenmodelle, zum Beispiel 802.1Qcw für Schedules.

• Northbound Interface (CNC und CUC): Mit dem in der Entwicklung befindlichen Standard 802.1Qdj wird die Kommunikation zwischen CNC und CUC spezifiziert. Dabei wird beispielsweise definiert, wie eine CUC neue Streams bei der CNC anfragen kann und wie diese die relevanten Parameter zur Konfiguration der Endpunkte zurückgibt.

• Endpunktkonfiguration (CUC und Endpunkte): Die Endpunktkonfiguration nimmt eine Sonderrolle ein, da diese nicht im Scope von IEEE802.1 ist, sondern applikationsspezifisch geregelt ist. Wichtige Fortschritte sind hier rund um OPC UA zu erkennen, wo es bereits Entwürfe für Standards zur Endpunktkonfiguration gibt.

Hinsichtlich Umsetzungen von CNC und CUC sind ebenfalls relevante Fortschritte zu beobachten. So sind für die CNC erste kommerzielle Lösungen verfügbar, weitere befinden sich in der Entwicklung. Für die CUC gibt es im OPC UA-Umfeld erste Prototypen, welche zukünftig als offene Lösung zur Verfügung stehen sollen.

Trotz erster Erfolge und grundlegenden Proof-of-Concepts in verschiedenen Testbeds, bleibt die Konfiguration auf absehbare Zeit eine der Schlüsselherausforderungen für TSN.

Technologieübergreifende Konvergenz

Neben TSN sind insbesondere 5G sowie mit geringerer Popularität aber hoher technischer Relevanz deterministisches Wi-Fi 6 und DetNet regelmäßig bei den Trendthemen der industriellen Kommunikation zu finden. Oft herrscht der Eindruck, dass es sich hierbei um konkurrierende Technologien handelt. Dies ist sicherlich für einige Teilbereiche der Fall, im Allgemeinen verhält es sich aber ähnlich zu Ethernet, IP, Mobilfunk und Wi-Fi: Die Technologien ergänzen sich und decken gemeinsam das Anwendungsspektrum ab.

Bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass TSN die Basis der anderen deterministischen Übertragungsarten ist und somit auch die Klammer dieser Technologien. Momentan laufen für die jeweiligen Technologien die entsprechenden Arbeiten zu deren eigenen Konfigurationsmöglichkeiten. Letztlich wird aber die große Herausforderung darin liegen, die technologieübergreifende Konfiguration der Gesamt-Netzwerke zu realisieren.

Die Applikationen

Der Autor: Florian Frick ist Gruppenleiter Echtzeit-kommunikation und Steuerungshardware am ISW Stuttgart.

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Lange Zeit waren TSN-Netzwerke lediglich in Form von Demonstratoren und Testbeds zu finden. In jüngster Vergangenheit sind jedoch zunehmend reale Anwendungen erkennbar. Einerseits tragen die Feldbus-über-TSN-Lösungen dazu bei – auch für eine zukünftige Kompatibilität zu FLC ausgelegte Systeme sind nun zu finden. Andererseits wagen es auch zunehmend Anwender, TSN für konkrete Projekte zu nutzen. Diese zeichnen sich zwar meist durch ein überschaubares und manuell konfiguriertes System aus, jedoch liefern diese sehr wichtige Erkenntnisse zum Einsatz von TSN. Zusehends setzt sich die Erkenntnis durch, dass eine von TSN profitierende Applika-tion häufig selbst nicht unbedingt über TSN-Fähigkeiten verfügen muss. Dies gilt insbesondere für alle Anwendungen welche lediglich die Konnektivität zwischen IT und Echtzeitsystem benötigen. So beginnen bereits heute Entwickler von innovativen Diensten auf die durchgängige, TSN-basierte Konnektivität zu setzen und ihre Anwendungen zu entwickeln.

Chancen erkennen, Risiken minimieren

TSN ist ein branchenübergreifend akzeptierter Standard welcher im vergangenen Jahr hinsichtlich vieler Aspekte Fortschritte gemacht hat. In Anbetracht der signifikanten Folgen für die industrielle Kommunikation sollte jeder diesen Trend beobachten und die eigenen Vorteile und Potenziale erkennen. Um Risiken einer Fehlentwicklung entgegenzuwirken, empfiehlt sich der frühzeitige Kontakt zu den vielen Initiativen wie beispielweise den Testbeds, um mit der Community in einem vorwirtschaftlichen Sta-dium in Kontakt zu treten.