IEEE-Ethernet war auf Grund des fehlenden Determinismus lange Zeit keine Alternative zur momentan vorherrschenden Vielfalt der industriellen Feldbusse. Die fehlende, oder nur mit signifikantem Overhead mögliche, Interoperabilität untereinander und insbesondere zur IT ist jedoch ein zunehmender Innovationshemmer: Ob IIOT, Software-defined Manufacturing, unternehmensübergreifende digitale Dateninfrastrukturen wie Gaia-X und Manufacturing-X oder die Virtualisierung der Steuerungstechnik, alle benötigen eine durchgängige Konnektivität, welche sich nur mit konvergenten Echtzeitnetzwerken erreichen lässt.

Bild 1. Die Hierarchie der TSN-Anwendungsfälle.

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Als Schlüsseltechnologien hierfür werden traditionelle IT-Technologien gesehen, die um deterministische Fähigkeiten erweitert werden. Für Ethernet, die relevanteste und grundlegendste Technologie in diesem Kontext, startete diese Evolution mit der Gründung der Time-Sensitive Networking Task Group. Durch neue Substandards werden die Quality-of-Service-Mechanismen von Ethernet um Funktionen zur Echtzeitkommunikation erweitert und ermöglichen somit deterministische Garantien. TSN ist also die nächste Evolutionsstufe von Ethernet und keine neue Technologie an sich. Im Umkehrschluss spielt TSN daher für Anwendungen dieselbe Rolle wie Ethernet, das stets mit weiteren Lösungen auf den oberen Kommunikationsschichten ergänzt werden muss – TSN ist also kein Feldbus, kann aber ein Teil davon sein. Die Relevanz von TSN für die Digitalisierung der Produktionstechnik steigt mit dem Integrationsgrad in das Gesamtsystem. Bild 1 zeigt eine vierstufige Hierarchie von Anwendungsfällen, welche TSN in zunehmendem Maße nutzen und somit zunehmend das Potenzial ausschöpfen:

• Geschlossene Anwendung: TSN wird als Kommunikationstechnologie in einem geschlossenen System eingesetzt. Vorteile ergeben sich in erster Linie durch die Nutzung einer Standardtechnologie.
• Best-Effort Konnektivität: Daten werden ohne technologischen Bruch vom Feld in die IT kommuniziert, ein direkter Zugriff auf Endgeräte ist möglich. Dieselbe Verbindung wird für die Echtzeitkommunikation auf der Feldebene als auch zur allgemeinen Kommunikation genutzt. Viele innovative Ansätze wie Big Data, Visualisierungen oder KI-basierte Systeme können so realisiert werden.
• Deterministische Konvergenz: OT und IT werden ein gemeinsamer Lösungsraum für Echtzeitapplikationen. Deterministische Kommunikation ist innerhalb der Feldebene als auch zur IT notwendig. Die Systemarchitekturen verschmelzen und Ansätze wie virtuelle Steuerungen lassen sich umsetzen.
• Technologische Konvergenz: Das drahtgebundene TSN-Netzwerk wird nahtlos mit anderen echtzeitfähigen Kommunikationstechnologien integriert, beispielweise 5G, deterministisches Wi-Fi oder DetNet.

Aktuelle Entwicklungen

Bild 2. Die aktuellen Themen der TSN-Standardisierung.

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Die Beiträge im Kontext von TSN zu den IEEE-Ethernet-Standards in 802.1 lassen sich in vier Gruppen einteilen: Zeitsynchronisation, garantierte Latenzen, Verfügbarkeit und Konfiguration.

Zeitsynchronisation ist die Basis aller deterministischen Funktionen. Nach einer langen Entwicklungsphase kann die Zeitsynchronisation mit IEEE 802.1AS in der Version 2020 als relativ stabil angesehen werden. Neue Entwicklungen fokussieren sich auf YANG-Modelle, Hot Standby sowie die Unterstützung von Links im Halb-Duplex Mode.

Garantierte, niedrige Latenzen werden im Kontext von TSN durch verschiedene Traffic-Shaper ermöglicht. Bekannt und standardisiert sind hier insbesondere der Time-aware Shaper (IEEE 802.1Qbv), Credit-based Shaper (IEEE 802.1Qav) sowie das Frame Preemption (IEEE 802.1Qbu). Nach einer ruhigeren Phase stehen hier aktuell Themen hinsichtlich der effizienten Nutzung der Shaper sowie einer Standardisierung von Cut-Through im Fokus. Insbesondere die Standardisierung von Cut-Through, als Technologie in vielen Branchen gang und gäbe aber nie standardisiert, ist ein signifikanter Schritt für die Nutzung im industriellen Kontext.

Verfügbarkeit wird im Kontext von TSN in erster Linie durch die Standards zur eingangsseitigen Filterung (IEEE 802.1Qci) sowie durch Redundanzmechanismen erreicht (IEEE 802.1CB). Aktuell im Fokus steht auch hier das Hot Standby.

Die Konfiguration und das Management der TSN-Infrastruktur sind existentiell, um TSN effizient nutzen zu können, leider aber auch die zwei Aspekte mit den meisten noch offenen Punkten. Sehr aktiv wird hier nach wie vor an Konfigurationsprotokollen und Schnittstellen zwischen den Management-Entitäten gearbeitet (IEEE 802.1Qdd und IEEE 802.Qdj), deren Veröffentlichungen in greifbare Nähe rücken. Neu hinzugekommen sind Aktivitäten für diverse YANG-Modelle, welche für die Konfiguration nötig sind.

Profile für TSN

Am 27. und 28. September 2023 findet in Ludwigsburg bei Stuttgart die 8. internationale TSN/A Conference statt. Das Programm finden Sie hier: tsnaconference.de

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Die neuen standardisierten Funktionen sind die Basis einer deterministischen Kommunikation, welche in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen genutzt werden können. Um innerhalb der Anwendungsdomänen ein Mindestmaß an Interoperabilität zu erreichen, werden neben den eigentlichen funktionalen Standards Profile definiert, welche zumindest die profilkonforme Entwicklung von Hardware ermöglichen, teilweise aber auch eine Interoperabilität von parallelen Anwendungen erlauben sollen.

Im industriellen Kontext ist der Dual-Logo-Standard ‚IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation‘ von größter Relevanz; dieser wird seit vielen Jahren intensiv diskutiert und stets weiterentwickelt.

Der Status der aktuellen Drafts macht Hoffnung auf eine baldige Veröffentlichung des Standards. Weiter wird mit den Standards IEEE 802.1DG ein Profil für den Automotive Bereich und mit IEEE 802.1DP ein Profil für die Luftfahrt entwickelt.

Protokolle der höheren Schichten

TSN deckt die Schichten 1 und 2 des OSI-Modells ab. Konkrete Anwendungen benötigen daher stets weitere Protokolllösungen für die oberen Schichten. Hier kommen sowohl sämtliche aus dem IT-Umfeld bekannten Protokolle wie TCP/IP in Frage werden, als auch spezifische Lösungen für die OT. Inwieweit deterministische Garantien bis zur Applikationsebene weitergegeben werden können, hängt von einer Vielzahl an Faktoren ab. Zur Realisierung TSN-basierter Echtzeitan-wendungen werden zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze verfolgt:

• TSN als technologischer Baustein: TSN wird in einem (teil-)geschlossenen Ökosystem verwendet
• TSN-Netzwerk als abstrahierte Ressource: Es wird von einem anwendungsunabhängigen Netzwerk ausgegangen, welches sich mittels Ressourcenmanagement nutzen lässt.

Im industriellen Kontext werden beide Varianten verfolgt: Profinet mit TSN als neue Conformance-Klasse sowie CC-Link IE TSN nutzen TSN als technologischen Baustein. Beide bewahren etablierte Ökosysteme und bieten mindestens für die Best-Effort-Kommunikation eine Konvergenz. Für beide Varianten gibt es bereits eine Vielzahl an Standards, zunehmend Produkte und auch erste reale Umsetzungen.

Mit einem stärkeren Background aus der IT und dem Ansatz, Kommunikationsschichten klar zu trennen, verfolgt OPC UA FX einen Ansatz der TSN-Netzwerke als Ressource sieht, in welchen Ressourcen anwendungsabhängig allokiert werden können. OPC UA FX versucht dabei eine einheitliche Lösung bis zur Applikationsschicht für eine große Anzahl an Schlüsselplayern der Automatisierungsbranche zu schaffen. Bisher lag der Fokus primär auf nicht-deterministischen Aspekten, beispielweise in der Controller-to-Controller Kommunikation. Erste Ergebnisse für die Echtzeitkommunikation zwischen Controller und Feldebene sind aber auch zeitnah zu erwarten. Als Basis hierfür dient die PubSub-Kommunikation von OPC UA.

Infrastruktur und Endgeräte

TSN wirkt sich nicht nur auf die Netzwerkinfrastruktur, sondern auch auf die Hard- und Softwarearchitektur von Endgeräten aus. Die Anforderungen unterscheiden sich anwendungsabhängig sehr stark.

Nach vielen von Prototypen geprägten Jahren, kommen zunehmend TSN-Switche auf den Markt. Mehrere Hersteller bieten bereits Geräte in verschiedenen Ausprägungen hinsichtlich unterstützter Standards, Einsatzbedingungen, Ports und weiterer Parameter an.

Endpunktseitig stehen Hardware-Software-Lösungen im Fokus, welche typischerweise aus einer Kombination von Prozessor und ASICs oder IP-Cores für rekonfigurierbare Hardware bestehen. Dies gilt gleichermaßen für hochintegrierte eingebettete Systeme als auch für PC-basierte Systeme, bei denen die Hardware typischerweise Teil einer Netzwerkkarte ist. Software ist in zunehmendem Maße verfügbar, sowohl in Form geschlossener als auch Open-Source-Lösungen. Linux unterstützt TSN-Mechanismen mittels des Traffic Control Systems, beispielsweise für das zeitgesteuerte Senden von Streams (Qdisc ETF) und das zeitbasierte Senden von Traffic Klassen (Qdisc TAPRIO). Ebenfalls verfügbar sind mehrere offene Lösungen für die Zeitsynchronisation, zum Beispiel LinuxPTP und Stacks auf den oberen Schichten, beispielweise open62541 für OPC UA. Neben Linux erfolgt eine TSN-Integration auch bei FreeRTOS sowie verschiedenen proprietären Echtzeitbetriebssystemen.

Von der Vision zur Umsetzung

Der Autor: Florian Frick ist Gruppenleiter Echtzeitkommunikation und Steuerungshardware am ISW Stuttgart.

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TSN ist als Enabler für die konvergente Echtzeitkommunikation branchenübergreifend akzeptiert. Fortschritte bei der Standardisierung, den verfügbaren Lösungen sowie beim Verständnis zur Nutzung der Technologie resultieren in ersten realen, produktiven Umsetzungen. Im nächsten Jahr sind weitere signifikante Fortschritte zu erwarten: Einerseits bei der Standardisierung der Konfiguration, den Profilen sowie auch im Kontext von OPC UA FX. Anderseits werden viele Infrastruktur- sowie Endpunktkomponenten verfügbar werden und die Basis für künftige Lösungen bilden. Für Unternehmen der relevanten Branchen ist es daher entscheidend, sich mit der Technologie auseinanderzusetzen, Potenziale zu erkennen und Risiken zu minimieren.