Time Sensitive Networking Startklar für ASICs

TTTech liefert das Entwicklungskit »IP Core Flex«, um TSN-Funktionen in ASICs zu integrieren.
TTTech liefert das Entwicklungskit »IP Core Flex«, um TSN-Funktionen in ASICs zu integrieren.

Die Standardisierung von TSN durch die IEEE ist abgeschlossen. Mit einem Entwicklungskit lässt sich die Funktion mit wenig Aufwand in ASICs integrieren.

Mit Time Sensitive Networking (TSN) hat die IEEE den Grundstein für eine Neugestaltung der industriellen Kommunikation gelegt und eine Basis für die Konvergenz von Informationstechnologie (IT) und industrieller Betriebstechnologie (Industrial Operations Technology, OT) geschaffen. Das Verschmelzen dieser beiden Welten ist ein zentrales Konzept, um das Industrial Internet of Things (IIoT) Wirklichkeit werden zu lassen. Durch TSN entfällt der Bedarf einer physischen Trennung von kritischen und nicht kritischen Kommunikationsnetzwerken, wodurch der offene Datenaustausch zwischen Produktionsabläufen und dem Unternehmen ermöglicht wird.

Derzeit sind allerdings noch verschiedene Varianten industrieller Ethernet-Protokolle am Markt verfügbar, die sich meist je nach Anbieter unterscheiden. Dadurch sind Kunden entweder an einen Hersteller gebunden oder müssen die beträchtliche Herausforderung hinsichtlich der Integration von Geräten mehrerer Anbieter und die Implementierung von Protokollkonvertierungs-Gateways zwischen den verschiedenen industriellen Ethernet-Protokollen bewältigen. Beide Optionen führen zu vermeidbaren Mehrausgaben und Einschränkung in der Produktionsanlage. In Zukunft sind zunehmend konvergente Architekturen nötig, die Konnektivität in Echtzeit für die Ausführung von kritischen Prozessen und die Erhebung und Analyse der Daten von Maschinen unterstützen. Mit der Kombination aus OPC UA und IEEE TSN steht nun grundsätzlich die Technologie für diese Anforderungen bereit.

Offen, interoperabel und echtzeitfähig

TSN beinhaltet Mechanismen für Echtzeitkonnektivität, die mit der Leistung und Robustheit von aktuellen Protokollen für industrielle Kommunikation vergleichbar sind oder diese sogar übertreffen. Durch die Eigenschaften eines IEEE-Standards bringt TSN zusätzlich Flexibilität mit sich. Erfolgsgeschichten von solchen offenen und weltweit verfügbaren Standards gibt es bereits: Linux, Android, aber auch die Mobilfunkstandards bis hin zu LTE und 5G haben gezeigt, wie offene und weltweit verfügbare Standards in vielen technologischen Bereichen zu effektiven Ökosystemen geführt haben. Die Standardisierungsaktivitäten für IEEE TSN sind seit letztem Jahr abgeschlossen, damit ist eine Umsetzung in Produkten mit einem Funktionsumfang, der mit aktuellen Automatisierungsgeräten vergleichbar ist, möglich. Dazu zählen unter anderem die Echtzeitfähigkeit, Synchronisation und redundante Kommunikation.

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Grundsätzlich beschreibt TSN eine Reihe an Funktionen, die dem Standard-Ethernet hinzugefügt wurden. Diese Funktionen werden in Erweiterungen des IEEE 802.1-Standards definiert und veröffentlicht, die sich mit Themen wie Synchronisation, Bandbreiten- und Latenzgarantien für kritischen Datenströme, herstellerunabhängiger Konfiguration und Redundanzmechanismen auf Netzwerkebene befassen. Diese individuellen Funktionen erweitern die Quality of Service (QoS) des Ethernets, um die garantierte Nachrichtenübertragung durch Netzwerke zu ermöglichen. Außerdem bieten sie die inhärente Robustheit und Verlässlichkeit (Determinismus), die für eine industrielle Kommunikationstechnologie erforderlich sind.

Mit der Unterstützung und Normierung durch die Standardisierungsgruppen für IEC 60802 und der OPC Foundation entsteht nun rasant mehr Nachfrage nach passenden Endgeräten für Automatisierungssysteme. Während einige Hersteller bereits nächstes Jahr Produkte auf FPGA-Basis veröffentlichen werden, sind viele Endanwender der Industrie noch nicht ausreichend auf diesen Umbruch vorbereitet. Das liegt unter anderem daran, dass bisher nur wenige Chips (Multiprotokollchips, Prozessoren, Mikrocontroller) TSN unterstützen. TTTech hat sich daher in den letzten fünf Jahren mit dieser Problematik beschäftigt, mit dem Ziel, IEEE TSN auf möglichst einfachem Weg verfügbar zu machen. Das Ergebnis ist unter anderem ein modulares Entwicklungskit für OPC-UA-over-TSN-Endgeräte (Bild 1).

Echtszeitfähiges Ethernet für Industrieanforderungen

Bei der Entwicklung der TSN-Standards wurde durch die IEEE sehr darauf geachtet, dass sich die Modifikationen an Ethernet nahtlos mit den existierenden Funktionen integrieren lassen. Dadurch können erstmalig bekannte Mechanismen aus der IT-Welt mit den Anforderungen aus der Automatisierung – zum Beispiel Echtzeit – kombiniert werden. Konkret bedeutet das für IEEE 802.1Qbv, seit 2018 Teil von IEEE 802.1Q (unter anderem Kapitel 8.6.8.4), dass es nicht nur um das zeitgesteuerte Senden von Paketen geht, sondern auch System­aspekte berücksichtigt werden müssen (Bild 2). Grundsätzlich werden nicht einzelne Pakete versandt, sondern das zyklische Versenden aus den Prioritätswarteschlangen gesteuert. Dies erfolgt nach einem entsprechenden Zeitplan in Form einer Tabelle.

Um auch dynamische Szenarien unterstützen zu können, sieht der Standard ein zeitgesteuertes Umschalten zwischen zwei Tabellen zu einem netzwerkweit koordinierten Zeitpunkt vor. Da dies atomar erfolgen muss, ist eine Unterstützung durch das Chip IP bei vorhergehender Vorbereitung durch die Software unerlässlich. Solche dynamischen Sze­narien treten beispielsweise auf, wenn ein neues Gerät zum Netzwerk hinzu­gefügt wird oder die Anwendungsanforderungen sich ändern. Der TSN-Mechanismus für zeitgesteuertes Umschalten ermöglicht somit einen nahtlosen Wechsel vom alten zum neuen Zeitplan. Solche und andere Aspekte, die das Zusammenspiel mit OPC UA PubSub wesentlich beeinflussen, wurden bei der Entwicklung des TSN IP berücksichtigt. Das betrifft ins­besondere auch die Abstimmung mit der Software, die als Referenzim­plementierung für Linux Teil des Lieferumfangs ist.

Unterstützung durch Linux Kernel

Die Referenzsoftware wurde so gestaltet, dass nach Möglichkeit die nativ vorhandenen Funktionen des Betriebssystems genutzt werden. Im Gegensatz zu vielen am Markt erhältlichen Switch-IPs ist zum Beispiel unter Linux kein spezielles Programm nötig, um grundlegende Funktionen konfigurieren zu können. Die FDB (Forwarding Database) kann mit dem Bridge-Kommando manipuliert werden, das den meisten Entwicklern für Linux geläufig ist. Zu Beginn der Entwicklung wurden kaum TSN-Funktionen direkt vom Linux-Kernel unterstützt. Daher arbeitet TTTech eng mit dessen Entwicklern zusammen, um TSN-Funktionen standardisiert verfügbar zu machen. Mit der Version 5.4 LTS werden voraussichtlich wesentliche Schnittstellen für die lo­kale Manipulation von IEEE 802.1Qbv unabhängig vom tatsächlichen Gerät verfügbar sein. Die Referenzsoftware für das TSN IP wird zeitnah an diese Verbesserungen angepasst werden. Das verringert die herstellspezifische Abhängigkeit weiter und ermöglicht kundenspezifische Erweiterungen auf Basis von Schnittstellen des Standard-Linux-Kernels.

Auf diesen Schnittstellen setzen auch die Erweiterungen der Open Source Protokoll-Stacks auf. Zum Beispiel erlaubt das NETCONF-Protokoll die Konfiguration von TSN-Geräten über das Netzwerk. Durch die vorher beschriebene Möglichkeit der zeitgesteuerten Konfigurationswechsel ist so eine koordinierte Umschaltung möglich. Das erlaubt dynamische Szenarien, in denen zeitkritische OPC-UA-PubSub-Datenströme in Abhängigkeit von optionalen Netzwerkknoten oder Applikationsanforderungen hinzugefügt und auch wieder entfernt werden können, um Bandbreite anforderungsgesteuert zuzuteilen (Bild 3). Praktisch treten solche Anforderungen zum Beispiel bei Robotern auf, die ihr Werkzeug wechseln können.