Echtzeit für Industrie 4.0. - Teil 3 TSN – Schluss mit dem Feldbuskrieg?

In den ersten beiden Teilen dieses Beitrags wurde deutlich, dass die ISO-OSI-Layer-2 entscheidend für die Echtzeit sind und es tatsächliche Gründe für die verschiedenen Systemlösungen gibt. In diesem Beitrag erfolgt die Diskussion der IT-Variante für Echtzeit-Ethernet.

Mit TSN (Time Sensitive Network) sind die hohen Anforderung an industrieller Echtzeit umfänglich gelöst. Kaum ein Automatisierungshersteller, der nicht ein Next-Generation-Automation-Network nach ITEF-Norm im Visier hat – oder ist die Welt doch nicht so einfach? Dieser Beitrag gibt einen Einblick in die Technologie und die Chancen und Möglichkeiten bei TSN. Der Spagat zwischen Echtzeit und Durchgängigkeit in der Kommunikation ist tatsächlich eine der wirklich großen Herausforderung bei industriellen Kommunikationssystemen. Eine Industrie-4.0-Anwendung ohne durchgängige Kommunikation ist undenkbar, die Nutzung von TCP/IP ist damit obligatorisch. Aber generell wird der Aspekt Echtzeit bei anspruchsvollen Anwendungen häufig unterschätzt. Echtzeit bedeutet nicht nur Determinismus, also Rechtzeitigkeit. Vielmehr gehen die Aspekte Jitter-Freiheit und Gleichzeitigkeit gleichbedeutend einher.

Um alle Aspekte zu berücksichtigen, kommt man an den bisher postulierten Randbedingungen nicht vorbei:

Querverkehrsfreie Kommunikation zur Vermeidung von Pipelining-Effekten.

Ein Kommunikationszyklus ist immer exakt gleich lang. Er wird unterteilt in einen geplanten exakt bestimmbaren RT-Slot und einen Standard-Slot, der konventionelle IP-Pakete in asynchroner oder synchroner Form übertragen kann (Bild 1).

Der Kommunikationszyklus ist immer exakt gleich lang. Die Varianz der Zykluszeit, also der Jitter, ist sehr viel kleiner als 1/10 der Zykluszeit.

Alle relevanten Kommunikationsknoten sind exakt synchronisiert. Das kann durch eine hochgenaue gemeinsame Zeitbasis oder ein gemeinsames Synchronisationssignal sein.

Alle Echtzeit-Ethernet-Derivate optimieren das Betriebsverhalten genau in diese Richtung. Nutzen dazu entweder proprietäre Hardware oder spezifische Protokollerweiterung – und sind in der Regel zueinander nicht kompatibel.

Ausweg aus proprietärer Technik – TSN 

Einen Ausweg aus der proprietären Technik soll TSN (Time Sensitive Network) bringen. Hierbei handelt es sich nicht um ein einziges Protokoll, sondern um einen ganzen Zoo unterschiedlicher Technologien, die sowohl die Ethernet-Schnittstelle selbst, als auch die Infrastruktur betreffen. TSN hat seinen Ursprung in der IEEE 802.1 Audio Video Bridging (AVB) Task Group.

Vor gut 10 Jahren startete die Arbeitsgruppe, um das Problem der Verkabelung klassischer Audio- und Videogeräte im professionellen Bereich zu lösen. Klassische Geräte nutzen überwiegend Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für analoge Signale. Das führt bei großen Installationen zu einer kaum überschaubaren Anzahl von Signalverbindungen. Selbst mit dem Einzug der Digitalisierung in die Studiotechnik waren Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, jetzt mit gemultiplexten Signalquellen, Stand der Technik. In der AVB Task Group wurden die grundlegenden Standards entwickelt, um eine Vollduplex-Übertragung von Audio- und Videokanälen über kostengünstige Ethernet-Technologie zu übertragen. Ziel war die Übertragung von Audio- und Videosignalen für den professionellen Broadcast-Bereich und in Heimnetzwerken mit einer garantierten Bandbreite und definierter Zeitsynchronisation.

Die neu entwickelten IEEE-Standards waren so erfolgreich, dass sich neue Möglichkeiten jenseits der Audio- und technik erschlossen und so 2012 die Arbeitsgruppe in TSN (Time Sensitive Networking) Task Group umbenannt wurde. Seitdem werden eine Vielzahl von Use-Cases im Bereich Automotive, professionellen Audio-Netzwerken und in der Automatisierungstechnik entwickelt und in Produkte umgesetzt.

Drei Hauptanwendungsbereiche können heute für TSN identifiziert werden:


Audio- und Video-Broadcasting: Hierbei geht es im Schwerpunkt um verteiltes Netzwerk-Audio. Um die notwendigen psychoakustischen Effekte für Stereo- oder Sourround-Sound zu realisieren, ist eine Synchronisierung von besser als 10 µs für Ethernet- oder Wifi-Lautsprecher notwendig. Die Audio Engineering Society (AES) definiert für professionelle Anwendungen im AES11-Standard eine maximale Zeitabweichung von 5 % bezogen auf die Sample-Periode, was einer Abweichung von weniger als 0,5 µs über das gesamte Netzwerk entspricht.

Automotive: Für das autonome Fahren werden zunehmend leistungsfähige Sensoren mit einer hohen Datenrate benötigt. Zu deren Synchronisation ist ein Kommunikationszyklus von 500 µs und einer maximalen Latenzzeit von 100 µs bei 5 Hops definiert. Die typische Nutzdatenlänge liegt bei 256 Bytes.

Industrielle Automation: Aus den Notwendigkeiten der Antriebstechnik sind die Anforderungen in der industriellen Automation noch einmal verschärft worden. Mit Kommunikationszyklen zwischen 31,25 µs bis 1 ms und einer Latenzzeit von kleiner 3 µs pro Hop sind harte Echtzeitkriterien definiert. Dazu kommt die Übertragung von kleinen Datenpaketen mit typisch 10 bis 300 Bytes Nutzdaten und parallelen konventionellen Ethernetpaketen mit bis zu 1500 Bytes Nutzdaten für asynchrone Kommunikation.

TSN Entwicklung – Historie

TSN ist nicht einfach eine neue Technologie. Hier verbirgt sich eine Evolution der letzten 20 Jahre. Im Wesentlichen kann man vier unterschiedliche Entwicklungsphasen identifizieren.

In der ersten Phase, beginnend in den späten 1990er Jahren, erfolgte der Schritt zu TP-Ethernet (Twisted Pair) mit dem Einsatz von Switching Technologie. In dem ersten Beitrag zu dieser Artikel-Serie wurde hierzu ausführlich Stellung bezogen und die wesentlichen Aspekte hinlänglich diskutiert. Heute sind unterschiedliche Switch-Technologien Stand der Technik. Der IEEE 802.1D stellt hierfür die wesentlichen Technologien bereit.

Die Notwendigkeit ethernetbasierte Kommunikation deterministischer und zuverlässiger zu gestalten ist die Basis der nächsten Entwicklungsstufe. Um 2005 wurde unter dem IEEE-802.1Q-Standard eine Erweiterung für Ethernet-Protokolle auf der Basis von Layer-2/3-VLANs durch Tagging realisiert. Alleine durch eine VLAN-Infrastruktur konnten so querverkehrsfreie Netzwerke aufgebaut werden. Heute basieren viele OT-Ethernetsysteme, wie zum Beispiel Profinet-IO, auf VLAN-Technologie, was eine gewisse Echtzeitfähigkeit ermöglicht.

Schrittweise Erweiterungen in den folgen Jahren, mit Eigenschaften zur Bandbreitenreservierung für Datenstreams (IEEE 802.1Qat) oder creditbasiertem Traffic-Shaping (IEEE802.1Qav), vervollständigen eine Sammlung von Protokollen für die definierte Übertragung von Datenströmen (Bild 2). Im großen Ganzen spricht man hier noch von Standard-Ethernet, da außer der Infrastrukturkomponenten (gemanagte Switches) keine besonderen Maßnahmen erforderlich sind. Entsprechend zurückhaltend sind die möglichen Zyklus- und Antwortzeiten. Wie in dem vorhergehenden Artikel beschrieben sind einige ms möglich, eine hohe Synchronität kann aber nicht gewährleistet werden.

Darüber hinausgehende Anforderungen werden ganz wesentlich aus der Audio- und Videotechnik abgeleitet. Um eine hohe Synchronität zwischen Audio- und Videosignalen sicherzustellen sind Maßnahmen zur Synchronisierung von Kommunikationsknoten, ein differenziertes Bandbreitenmanagement sowie ein verzögerungsfreier Datentransport notwendig. In den 2010-er Jahren wurden neue IEEE-Standards für die Verteilung von Audio- und Video-Broadcasts über Ethernet entwickelt, um Lippensynchronität bei Audio-Videoübertragung zu garantieren. Die Erweiterung umfasst etliche Protokolle:

IEEE 802.1AB: Dieser Standard beschreibt die wesentlichen Aspekte einer dynamischen AVB-Wolke als Audio-Video-Bridging-System. Hierunter versteht man eine gemanagte Infrastruktur, in der Echtzeitübertragung von Daten in einer limitierten Audio-Video-Bridging-Welt (AVB) garantiert werden können. Zwei Echtzeit-Nachrichtenklassen kommen zum Einsatz. Klasse A hat eine Latenzzeit von bis zu 2 ms, Klasse-B-Nachrichten garantieren eine Latenzzeit von besser als 50 ms. Bis zu sieben Bridges sind zulässig um die Latenzzeiten nicht zu gefährden.

IEEE 802.1AS: Timing and Synchronization for Time Sensitive Applications in Bridged Local Networks. Dieser Standard stellt die Techniken zur Verfügung, damit sich die Teilnehmer innerhalb eines Netzwerkes hochgenau synchronisieren können. Man spricht hier vom Precision-Time-Protocol (PTP), welches über unterschiedliche Techniken hochgenaue Zeitinformationen bis hin in den ns-Bereich gewährleistet. Teilnehmer eines Netzwerkes können so über eine gemeinsame, hochgenaue Zeitbasis verfügen. Hierzu gehört neben der Auswahl geeigneter Masteruhren, die spezifische Implementierung eines IEEE-1588-Profiles zur zyklischen Synchronisierung der Teilnehmer.

IEEE 802.1Qat: Stream Reservation Protocol (SRP). Das SRP (Bild 3) ermöglicht einer Anwendung dynamisch Bandbreite reservieren zu können. So genannte »Talker« machen eine Ankündigung (Advertising) für die Übertragung eines Datenstroms mit definierter Bandbreite. Das Advertising wird als Broadcast versendet. Potentielle Abonnenten (Listener) können sich für den Datenstrom registrieren. Über die AV-Bridges wird die notwendige Bandbreite ausgehandelt und reserviert. Üblicherweise wird die zu reservierende Bandbreite auf 75 % der maximalen Bandbreite begrenzt, um zukünftigen Datenverkehr mit hoher Priorität genügend Raum zu geben.

IEEE 802.1Qav: Forewarding and Queuing Enhancements of Time Sensitive Streams. Die Warteschlangenbehandlung nach 802.1Qav teilt den Datenverkehr in zeitkritische (isochrone) und zeitunkritische (asynchrone) Datenpakete auf und berücksichtigt Paketprioritäten (Bild 4). Die Daten werden nach dem 802.1p Standard kategorisiert und priorisiert den entsprechenden Ausgangsqueues zugeordnet. Unterschiedliche Schedulingalgorithmen ermöglichen eine priorisierte Weiterleitung nach einem creditbasierten Verfahren oder einem gewichteten Round-Robin-Verfahren. 

TSN-Inside – Protokollerweiterungen 

Seit 2012 ist das Thema TSN für Anwendungen in der Automobil- und der Automatisierungsindustrie von großer Bedeutung. Durch die erreichten Verbesserungen der Echtzeiteigenschaften mit hochsynchronisierten Systemen und priorisierter Pub-Sub-Kommunikation bei AVB sind ganz neue Applikationen mit noch schärferen Anforderungen möglich geworden. TSN verfeinert die bisherigen Protokolle noch einmal deutlich und wendet den Blick auf allgemeine Anwendungen jenseits der Übertragung von Audio- und Videonachrichten (Bild 5).

Wesentliche Erweiterungen finden sich besonders in der Aufbereitung des Kommunikationszyklus. Die Revision des 802.1-AS ermöglicht eine bessere Zeitsynchronisation, der Qbv-Standard ermöglicht eine zeitgetriggerte zyklische Kommunikation und der Qcc-Standard bietet die Konfiguration verschieden priorisierter Datenströme. Wichtig ist auch der neue Qbu-Standard, der es ermöglicht Non-Realtime-Frames zu unterbrechen, um einen Kommunikationszyklus einzuhalten (Bild 6). Auf dem ersten Blick alles positive Nachrichten. Auf den zweiten Blick sind das mehrere 1000 Seiten Spezifikation – und damit ist TSN alles andere als einfach: 

IEEE 802.1Qbv: Enhancements for Scheduled Traffic Um die Latenzzeit und den Jitter in einem Ethernet-Netzwerk deutlich zu senken bietet dieser Standard ein Zeitschlitzverfahren an. Durch den Time-Aware-Shaper wird ein Takt vorgegeben, mit dem ausgewählte Queues der Bridges bearbeitet werden. Hierdurch wird eine exakte zeitliche Planung des Netzwerkverkehrs möglich.

IEEE 802.1Qch: Cyclic Queuing and Forewarding Dieser Standard ermöglicht das sammeln von Datenpaketen entsprechend ihrer Priorität und die Weiterleitung in einem Zyklus. Queuing ist nicht ausgeschlossen, so dass es zwar eine obere Grenze für die Latenzzeit gibt, die jedoch nicht optimal sein muss. Eine Kombination mit Traffic-Shaping ist quasi zwingend notwendig

IEEE 802.1Qbu: Frame Preemption. Bei der gleichzeitigen Übertragung von zeitkritischen und zeitunkritischen, allgemeinen IP-Paketen kann es vorkommen, dass nicht geplante asynchrone Pakete den Kommunikationskanal länger als erlaubt belegen. Durch diesen Standard kann der Frame unterbrochen werden, um die synchrone Echtzeitkommunikation zu bevorzugen. Die unkritische, asynchrone Nachricht kann dann zu einem späteren Zeitpunkt nachgeholt werden.

IEEE 802.1Qcc: SRP - Stream Reservation Protocol Enhancements and Performance Improvement Eine große Herausforderung bei Ethernet-Netzwerken ist das sogenannte Pipelining. Hierunter versteht man die Zwischenspeicherung von Nachrichten im Sternkoppler, wenn die Kommunikationsbandbreite des Ausgangsports nicht ausreicht. Durch SRP können die Echtzeit-Datenströme reserviert werden. So kann unter allen Umständen sichergestellt werden, dass Echtzeitdaten ihren Empfänger verzögerungsfrei erreichen.

IEEE 802.1CB: Frame Replication and Elimination for Reliability In der IEC wurden bereits einige Protokolle für stoßfreie Redundanz implementiert, diese erforderten bisher aber auch redundante Leitungswege. Mit dem CB-Standard können Überwachungsfunktionen zur Steigerung der Zuverlässigkeit auf spezifische zeitkritische Datenströme angewendet werden.

IEEE 802.1Q AS-rev: Timing and Synchronization for Time Sensitive Applications – Revision Eine hochgenaue Synchronisierung von Nodes durch verteilte Echtzeituhren ist Kern der 802.1 Q AS. In der Norm ist die Anwendung des IEEE1588-Standards geregelt, der jedoch im Laufe der Zeit etwas an Kompatibilität zu anderen IEEE-1588-Profilen gelitten hat. Die Revision verbessert die Reaktion auf mögliche Fehler der Masterclock und behebt Inkompatibilitäten.

IEEE 802.1Qci: Per-Stream Filtering and Policing Der 802.1Qci-Standard ermöglicht das Filtern von Datenpaketen im Eingangsport. Auf der Basis von Ankunftszeiten, Bitraten oder genutzter Bandbreite kann der Datenstrom gefiltert werden und ermöglicht so fehlerhafte oder boshafte Knoten zu isolieren.

IEEE 802.1Qbr: Interspersing Express Traffic Der Standard ermöglicht das »Einstreuen« von minimalen Ethernet-Frames (64 Bytes) für spezifische Echtzeitanforderungen. Hierdurch kann die Latenzzeit auf die Zeit für ein kleines Ethernetpaket und dem Interpacket-Gap (IPG) reduziert werden. 

TSN – Hardware 

TSN wird ganz wesentlich von der Infrastruktur bestimmt. Switches mutieren von einfachen Paketschiebern hin zu komplexen, managebaren Layer-2-Bridges. Zumindest einfache Systeme, mit geringen Anforderungen, lassen sich allein durch die Infrastruktur zur Echtzeit erziehen. Die Komplexität liegt dann allein in der Infrastruktur. Jeder führende Switch-Hersteller hat entsprechende Komponenten im Angebot. Dieses betrifft sowohl die IT- als auch die OT-Welt.

Sollen jedoch Anforderungen gemäß IEC 61784 der Echtzeitklasse 3 erfüllt werden, kommt man an der Node-Hardware nicht vorbei. Ethernetkarten benötigen Hardware die PTP fähig ist. Und auch das ist nicht mehr ungewöhnlich. Seit 2008 hat Intel mit dem Gigabit-Ethernet-Controller 82574L einen IEEE1588-fähigen Controller für universelle Anwendungen im Programm. Seit 2012 werden mit der I210-Familie von Intel die TSN-Protokolle 802.1Qbv, 802.1AS mit IEEE1588 sowie 802.1Qav unterstützt. Alles ist damit nur noch eine Frage der Auslegung und nicht der Verfügbarkeit – und der Komplexität. 868 Seiten Ethernet-Controller-Datasheet sprechen für sich.

Zusammenfassung und Ausblick

OT (Operational Technologie) und IT (Informations Technologie) wachsen immer stärker zusammen. Das ist nicht mehr wegzu­diskutieren. Ethernet hat sich in den letzten 20 Jahren hin zu einem echten Standard, nicht nur in der Automatisierungstechnik, entwickelt. Durchgängige Echtzeitautomation ist ohne Ethernet kaum noch vorstellbar. Die unterschiedlichen Branchenbereiche von der klassischen Automatisierungstechnik über Robotik und Bildverarbeitung, sowie von Audio- und Video-Broadcast bis hin zu Automotive und Aviation haben Lösungen auf der Basis von Ethernet. Die gute Botschaft: Die Lösungen werden dank TSN zunehmend konvergent. Die schlechte Botschaft: TSN ist kompliziert und die Kommunikationsparadigmen ändern sich.

Publisher- und Subscriber-Systeme sind heute das Maß aller Dinge. Während in der tiefen Feldebene bei eingebetteten Systemen weiterhin schlanke Lösungen mit zyklischem Betrieb, wie zum Beispiel. B. EtherCat, ihre Daseinsberechtigung haben wird in der konvergenten Welt TSN das Rennen machen. Es bietet die Möglichkeit eine deterministische Kommunikation zwischen Maschinen und Geräten in einer hohen Kompatibilität zwischen unterschiedlichen Herstellern sicher zu stellen. Spätestens wenn der OPC-UA Standard komplett auf das Publisher-Subscriber-Paradigma umgestellt ist wird es kein Halten mehr geben. Schon heute sind die führenden Unternehmen der Automatisierungstechnik bei der Evaluierung von OPC-UA Pub-Sub über TSN. Für eine komponentenbasierte Automatisierungswelt nach den Industrie-4.0-Plug-and-Produce-Ideen ist das eine zwingende Voraussetzung. Damit ist die Zukunft vorgezeichnet. TSN wird zum Echtzeitbussystem für gehobene Anwendungen der Automatisierungstechnik. Sind wir damit auch den Feldbuskrieg los? Mit Sicherheit nicht – schon heute zeigt sich, dass auf Anwendungsebene jede Branche spezifische Herausforderungen hat – SAE AS6802 für den Aviation-Bereich lässt grüßen. Aber eine Lösung für alles wäre auch zu einfach. (fr)
 
Referenzen 

Metcalfe, Boggs: Ethernet: Distributed Packet Switching For Local Computer Networks; Communications oft he ACM July 1976 Volume 19 Number 7, Page 395-404

Gevatter, Grünhaupt: Handbuch der Mess- und Automatisierungstechnik in der Produktion, Springer Verlag ISBN 3540591354.

Wollert, Jörg: Vorlesung Industrielle Kommunikation, FH Aachen 2016

Synchronität durch IEEE 1588v2

Bei dezentral organisierten Netzwerken wie Ethernet ist eine genaue zeitliche Vorhersagbarkeit schwierig, da keine zentrale Koordinierungsinstanz verfügbar ist. Dennoch ist ein determinierbares Echtzeitverhalten für automatisierungstechnische Anwendungen zwingend notwendig. Bei den klassischen Feldbussystemen haben sich für eine hohe Synchronität von Anlagen sogenannte zeitgetriggerte Protokolle (TTP - Time Triggerd Protocol) herausgebildet. Voraussetzung für eine zeitliche Koordination der Datenpakete ist eine äußerst präzise Uhrzeit, die möglichst auf allen Stationen zur Verfügung steht. Hier gibt es aus der Datentechnik mit NTP (Network Time Protocol) und SNTP (Simple Network Time Protocol) bereits bewährte Ansätze für die zentrale Steuerung der Uhrzeit. Diese haben jedoch den Nachteil, dass Laufzeiten im Netzwerk keine Berücksichtigung finden. Für eine Synchronisierung der Zeiten in Automatisierungssystemen im µs-Bereich sind sie deshalb ungeeignet.

Eine Lösung dieser Problematik verspricht der IEEE-1588v2-Standard. Über das PTP (Precision Time Protocol) wird es möglich höchstpräzise Uhrzeiten über Paketvermittelte Netze zu generieren (Bild unten). Der Grundgedanke besteht darin, alle angeschlossenen Stationen mit einer selbstlaufenden hochgenauen Echtzeituhr zu versehen und diese Uhren zu synchronisieren. Daten können so mit einem exakten Zeitstempel übertragen werden, sodass eine empfangende Station, auch bei einer nur isochronen Übertragung, die Daten richtig zuordnen kann. Der Standard definiert Methoden und Verfahren zum Finden der besten Echtzeituhr im System als Uhrenmaster und zur Synchronisation der verteilten Echtzeituhren. Der IEEE-1588v2-Standard ist für kleine Netzwerke mit wenigen Teilnetzen, geringen Ressourcenverbrauch und minimalen Verwaltungsaufwand optimiert. Während in den bekannten Zeitprotokollen die Zeit selbst als Broadcast versendet wird, erfolgt im PTP eine Versendung von Synchronisationssignale der Echtzeituhren. Hierdurch können die Laufzeiten auf dem Medium und innerhalb des Prozessors berücksichtigt werden und erlauben eine Zeitgenauigkeit bis in den µs-Bereich.

Die Uhrzeit wird innerhalb des MAC-Layers der Netzwerkkarte genommen. Der Synchronisationsimpuls ist das Endebit des Start-Of-Frame-Delimiters. Da höhere Protokolle nicht in Echtzeit die Daten auslesen können ist die tatsächliche Ein- oder Austrittszeit durch ein Follow-up-Telegramm zu ermitteln. IEEE 1588 ist eine Hardwareeigenschaft der Netzwerkkarte, die durch den Chipsatz bereit gestellt werden muss.

IEEE 1588 ist jedoch nicht alleine ein Phänomen in der Automatisierungstechnik. Vielmehr wird diese Technik innerhalb von Mobilfunksystemen eingesetzt, um Paket-orientierte Datenservices im Backbone zu synchronisieren. Die ITU-T-Empfehlung G.8261 »Timing and Synchronisation Aspects in Packet Networks« sowie der 3GPP 25.104 fordern eine Synchronisationsgenauigkeit von typisch 50 ppm. Mit dem IEEE-1588v2-Standard von 2008 werden diese Grenzen ermöglicht. Die im Vergleich zur Telekommunikationsbranche kleine Automatisierungstechnik profitiert hierbei unmittelbar von den Entwicklungen.

VLAN – IEEE 802.1Q – Virtuelle, priorisierte, querverkehrsfreie Netzwerke 

Es ist offensichtlich, dass die Herausforderungen der Ethernet-Kommunikation in der Automatisierungstechnik, wie Querverkehrsfreiheit und Priorisierung von Nachrichten, zusätzliche technische Lösungen notwendig machen. Ein Lösungsansatz ist die Realisierung von virtuellen Netzwerken. Unter einem virtuellen Netzwerk versteht man eine Gruppe von Netzwerkknoten, die in einer logischen Domäne zusammen gefasst sind. Hierbei können die Netzwerkknoten auf unterschiedlichen Switches lokalisiert sein. Die Zuordnung zu der jeweiligen Domäne erfolgt durch eine Softwarekonfiguration. Unterschiedliche VLAN-Konzepte sind denkbar. Heute hat sich sogenanntes Layer-2/3-Switching nach IEEE 802.1Q durchgesetzt.

An ausgezeichneten Ports eines Switches, so genannten Trucked-Ports, werden die Ethernet-Telegramme »getagged«. Unter Taggen versteht man die Erweiterung des Protokollrahmens, um eine Verwaltungsstruktur zur Identifikation des 802.1Q‑Datenrahmens durch einen spezifischen Ethertyp (0×8100) und die entsprechenden Verwaltungsinformationen wie Nachrichtenpriorität und zugehöriger VLAN-ID (Bild unten). Ein 802.1Q-Switch stellt sicher, dass an dem trunked Port tatsächlich nur Nachrichten mit der zugehörigen VLAN-ID auftreten können. Getaggte Nachrichten sind innerhalb eines Netzwerkes routingfähig, solange nicht die MTU (Maximum Transmission Unit) überschritten wird.
 

Da das Taggen von Nachrichten allein durch die Switch-Infrastruktur erfolgt, sind aus der Sicht der Automatisierungsgeräte keine weiteren Engineering-Schritte notwendig. Ebenfalls müssen die Automatisierungsgeräte keine besonderen spezifischen Eigenschaften vorweisen – das Versenden und Empfangen normaler Ethernet-Frames reicht vollkommen aus.

Die VLAN-802.1Q-Technik ist beispielsweise bei Profinet in der Conformance Class B (CC-B) obligatorisch. Auch andere Echtzeit-Ethernet-Technologien setzen auf VLAN-Tagging.