Time-Sensitive Networking Interoperabilität – Schlüssel zum Erfolg

TSN – Time-Sensitive Networking – ist die nächste Entwicklungsstufe des Ethernet. Damit es ein Erfolg wird, ist es wichtig, dass Hersteller unternehmensübergreifend ­zusammenarbeiten – zum Beispiel in der Avnu-Allianz.

Mit großer Übereinstimmung nennen Marktanalysen für industrielle Automatisierung das Internet der Dinge – IoT – einen der wichtigsten Wachstumsfaktoren und Innovationstreiber. Die IoT Trend Watch der IHS rechnet damit, dass der indus­trielle Sektor bis 2020 ein Drittel aller mit dem IoT verbundenen Geräte stellt. Für die Anbieter von industriellen Automatisierungslösungen und Transportsystemen stellt dies eine Herausforderung dar, denn ihre Anwendungen müssen im „Internet of Everything“ die gleichen hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit bieten wie bisher auf der Basis von meist vereinzelten und spezialisierten Technologien. Die offene und stark vernetzte Infrastruktur im Internet der Dinge stellt jedoch ganz neue Herausforderungen bei der Realisierung und Absicherung solcher Systeme dar. Sowohl diese neuen Herausforderungen als auch die stets notwendige Optimierung von Produktionsprozessen erfordern neuartige Leistungsmerkmale und Skalierbarkeit der Netzwerk-In­frastruktur. Stichworte wie Interoperabilität, Effizienz und Determinismus dominieren daher die Diskussion, und Ethernet spielt dabei eine zunehmend dominante Rolle.

Ethernet: Das Problem Determinismus

Ethernet begegnet uns täglich und in fast allen Bereichen des Lebens; in Heim­anwendungen, im Büro, in Rechenzentren und auch in der Industrie findet es sich in unzähligen Netzwerken, denn es bietet hohe Flexibilität bei einfacher Anwendung, für die meisten Anwendungen ein sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis, und wird laufend weiterentwickelt – mehr Funktionen, mehr Performance, günstigere Komponenten und mehr Einsatzbereiche.

Trotz dieser weiten Verbreitung und Weiterentwicklungen der vergangenen 40 Jahre war Ethernet jedoch bislang nur mit essenziellen Einschränkungen oder speziellen Anpassungen in jenen Anwendungsbereichen zu finden, in denen Determinismus erforderlich ist. Für viele Anwendungen sind gewisse Einschränkungen in der Offenheit der Netzwerke oder der Präzision der Nachrichtenzustellung durchaus akzeptabel, und Anwender bemerken die zumeist kleinen Abweichungen in der Performance oft gar nicht, die durch netzwerk­interne unvorhersagbare Störungen oder kurzzeitige Überlastungen entstehen, aber für manche Anwendungen, vor allem im Bereich zeitkritischer Systeme, können solche Effekte zu inakzeptablen Problemen und Fehlern führen.

Um die Größe des Problems im rechten Licht zu sehen, ist nochmals zu betonen, dass die meisten vernetzten Anwendungen bestens mit den von Ethernet gebotenen Funktionen und Performance-Eigenschaften auskommen, und Ethernet selbst nur selten die Ursache von Störungen darstellt, wenn sie dort auftreten. Aber das gilt eben nur für die meisten Anwendungen, keineswegs für alle; und durch den Trend zu mehr Vernetzung, mehr Datenverkehr und mehr betriebskritischen Anwendungen im Zuge der IoT-Verbreitung muss auch Ethernet einen weiteren Evolutionsschritt hin zu noch mehr Zuverlässigkeit und Vorhersagbarkeit machen.

Kann das bestehende Netzwerk noch das Kommunikationsaufkommen einer weiteren kritischen Applikation bewältigen? Wenn nein, welche Veränderung oder Erweiterung ist notwendig? Zwar gibt es Tools, mit denen solche Fragen unter Verwendung von Priorisierung und Bandbreitenbeschränkung einzelner Datenströme untersucht und oft auch beantwortet werden können, aber wirkliche Garantien für einen Worst-Case-Fall können damit meist nicht gegeben werden, und insbesondere nicht für den ungünstigsten Zeitpunkt, zu dem ein Netzwerkfehler schlimme Auswirkungen hätte. Daher können die Netzwerk-Verantwortlichen nicht generell Zusagen für die Erweiterbarkeit und Zuverlässigkeit ihres Netzwerkes machen, wenn immer mehr und immer komplexere Applikationen in diesem Netzwerk miteinander und nebeneinander kommunizieren müssen.

Eines der grundlegenden Probleme für ein konfliktfreies Miteinander im Netzwerk ist oft ein zuverlässiger Zeitbegriff: Die Elemente im Netzwerk benötigen eine einheitliche und einigermaßen präzise Zeitbasis für die Koordination von Kommunikation im Netzwerk und für die Diagnose von Fehlern. Nicht wenige Netzwerke sind diesbezüglich bereits auf dem Stand der Technik und verwenden etablierte und standardisierte Methoden für die Uhrensynchronisation; allerdings gibt es hierfür einige zueinander nicht kompatible Varianten und Versionen, die je nach Anwendungsfall und Entstehungsgeschichte in den verschiedenen Netzwerken zur Anwendung kommen. Aber für die nächste Generation von zeitgesteuerten Nachrichten für hochpräzise Latenz und minimalen Übertragungsjitter in vernetzten IoT-Systemen ist ein ganz besonders hoher Grad an Synchronisation erforderlich, und natürlich ein einheitlicher Standard für alle Netzwerkteilnehmer.