TSN – Time-Sensitive Networking Viel mehr als nur Echtzeit

TSN bald vielfältig mit zehn Teilstandards nutzbar
TSN bald vielfältig mit zehn Teilstandards nutzbar

TSN ist mit bald zehn Teilstandards vielfältig nutzbar – von der Echtzeitübertragung über funktionale Sicherheit bis zum Schutz vor Hackerangriffen. Die einzelnen Standards sind frei kombinierbar, also sollte man nicht auf „den“ fertigen TSN-Standard warten, sondern nur die benötigten Teile nutzen.

Zur Datenübertragung in Echtzeit über Ethernet wird bereits ein Standard verwendet: Audio-Video Bridging (AVB). Dieser Standard erlaubt es, über maximal sieben Sprünge im Netzwerk (Hops) innerhalb einer sogenannten AVB Cloud eine Zustellung innerhalb von 2 ms zu garantieren. Verwendung findet dieser Standard bereits seit Längerem in der professionellen Audio- und Videobranche, wo etwa bei Konzerten oder großen Sportveranstaltungen Lautsprecher-, Video- und Lichtinstallationen über weite Strecken hin synchronisiert werden. So wird sichergestellt, dass etwa Verzögerungen durch die Ausbreitung des Schalls kompensiert und Ton, Video und Lichteffekte für den Beobachter zeitgleich abgespielt werden. In diesen Szenarien hat sich Ethernet AVB bereits bewährt und bildet den De-facto-Standard bei der Nutzung von Ethernet.

Nachfolger von AVB notwendig

Im Automobilbereich erfreuen sich Fahrerassistenzsysteme bereits seit einigen Jahren immer stärkerer Beliebtheit. So finden mittlerweile etwa Spur- und Abstandshalteassistenten ihren Weg bis in die Mittelklasse. Ebenso werden in der Oberklasse stetig weitere Assistenzsysteme eingeführt und miteinander gekoppelt, um mittelfristig automatisierte Fahrfunktionen zu realisieren. Da bei der Sensordatenfusion nahezu beliebige Fahrzeug- und Umweltparameter einfließen können, ist für das automatisierte Fahren die Netzwerktechnologie Ethernet als physisches Medium im Bordnetz die erste Wahl. Nötig sind dabei hohe Datenraten, wie sie Ethernet mit den Standards 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 bietet. Auch wenn beide Standards noch nicht final verabschiedet sind, sind diese doch technisch fertig und es gibt neben mehreren Physical Transceivers (PHYs) für 100BASE-T1 mittlerweile auch schon lauffähige Muster für 1000BASE-T1.

Neben hoher Datenrate bringen automatisierte Fahrfunktionen aber auch neue Anforderungen hinsichtlich Latenz und Ausfallsicherheit an die Datenkommunikation im Fahrzeug. Die AVB-Arbeitsgruppe hat daher neben dem Bereich der Industrieautomatisierung auch die Automobilindustrie mit einbezogen und Projekte aufgelegt, die diese neuen Anforderungen abdecken sollen. Um diesen Wechsel weg vom ursprünglichen Fokus Audio- und Videoübertragung zu unterstreichen, benannte sich die Arbeitsgruppe auch in Time-Sensitive Networking (TSN) um.

Niedrige Latenzen durch Frame Preemption

Standard-Ethernet besitzt keinen Mechanismus, um ein Datenpaket (Ethernet Frame), das sich bereits in der Übertragung befindet, zu unterbrechen. Die Maximalgröße eines Ethernet Frame beträgt 1518 Byte ohne VLAN-Tag. Sollte die Übertragung so eines Frame gerade noch vor der Übertragung eines zeitkritischen Frames beginnen, so wäre die bei TSN geforderte maximale Latenz von 100 µs über fünf Hops bereits bei einem Hop mit 100 Mbit/s verletzt:

t subscript m a x F r a m e end subscript space equals thin space fraction numerator 10 to the power of 8 space b i t divided by s over denominator 1515 times space 8 space b i t end fraction space equals space 12144 times 10 to the power of negative 8 end exponent space s space equals thin space 121 comma 44 µ s

Aus diesem Grund wird mit den Standards IEEE 802.1Qbu „Frame Preemption“ und IEEE 802.3br „Interspersing Express Traffic“ ein Mechanismus spezifiziert, der es erlaubt, Frames, die sich bereits in der Übertragung befinden, an 64 Byte-Grenzen zu unterbrechen, andere Frames dazwischen zu senden und den Rest des unterbrochenen Frame erst im Anschluss zu senden. Somit können kritische Kontrolldaten mit minimaler Latenz übertragen werden.

Neue Shaper verbessern Echtzeitverhalten

Im ursprünglichen AVB wird nur ein einziger Shaper-Mechanismus verwendet. Durch diesen Credit-based Shaper (CBS) werden Bursts, also das Senden vieler Datenpakete direkt hintereinander, vermieden. So wird sichergestellt, dass die ausgehandelten Datenraten für AVB-Datenströme nicht überschritten werden.

Der CBS arbeitet nicht zeitgesteuert. Um eine synchronisierte Echtzeitübertragung ähnlich wie bei dem statischen Datensegment von FlexRay zu erreichen, ist ein im Netzwerk übergreifend synchronisierter Mechanismus notwendig. Die TSN-Arbeitsgruppe hat hierzu den Standard IEEE 802.1Qbv „Enhancements for scheduled traffic“ gestartet. Der darin spezifizierte Time-Aware Shaper (TAS) erlaubt es, feingranular zu bestimmen, welche Ausgangswarteschlangen wann im Zustand „open“ bzw. „closed“ sind. Ist eine Warteschlange im Zustand „open“, können anliegende Daten an die nachfolgende Logik gereicht werden, im Zustand „closed“ können keine Daten passieren.

Mit dem Standard IEEE 802.1Qch „Cyclic Queuing and Forwarding“ wird darüber hinaus ein Mechanismus bereitgestellt, eingehende Daten in genau einem Zyklus weiterzuleiten. Damit wird eine tatsächlich zeitgesteuerte Kommunikation mittels Ethernet ermöglicht, die dazu noch konform zu den restlichen IEEE-802.1-Standards ist.

Konzept für redundante Pfade

Eines der Bussysteme, die speziell für das Automobil entwickelt wurden, ist FlexRay. Ziel bei dessen Entwicklung war es u.a., Ausfallsicherheit durch zwei redundant nutzbare Kanäle zu schaffen. So konfiguriert, ist eine Echtzeitübertragung auch noch beim Ausfall eines Kanals möglich.

Im Vergleich dazu bietet klassisches Ethernet keine Methoden für Redundanz in Echtzeit. Heute eingesetzte Mechanismen wie das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) benötigen bis zu einigen Sekunden, um im Fehlerfall einen alternativen Pfad im Netzwerk ausfindig zu machen. Die TSN-Arbeitsgruppe erarbeitet daher ein Konzept für redundante Pfade, bei denen Datenpakete dupliziert und später wieder zusammengeführt werden, um so eine nahtlose Redundanz zu ermöglichen. Der dafür gedachte Standard IEEE 802.1CB „Frame Replication and Elimination for Redundancy“ ermöglicht es auch, nur Teile eines Pfades redundant auszulegen.
Bei diesem Standard wird an einer definierten Stelle im Netzwerk ein Datenpaket dupliziert und über redundante Pfade verschickt. An einer späteren Stelle, an der die redundanten Datenpfade wieder zusammenlaufen, wird jedes redundant gesendete Datenpaket eliminiert und nur eines der beiden weitergeleitet, siehe Bild 1 (a). Zueinander redundante Datenpakete lassen sich durch eine identische Sequenznummer erkennen. Sollte innerhalb eines definierten Zeitfensters das redundante Datenpaket nicht ankommen, kann der Pfad als fehlerhaft angesehen werden – die Datenkommunikation funktioniert aber weiterhin, siehe Bild 1 (b).