Time Sensitive Networking als Chance nutzen

Autor / Redakteur: Volker Goller * / Michael Eckstein

TSN hat das Potenzial, die gesamte industrielle Kommunikation auf eine einheitliche Basis zu stellen. Den Übergang können Hersteller strategisch planen. Passende Produkte gibt es bereits.

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Gerüstet für die Zukunft: Die Switche der FIDO5000 Familie unterstützen alle relevanten Industrial Ethernet Protokolle und sind insbesondere auch schon TSN-Ready.
Gerüstet für die Zukunft: Die Switche der FIDO5000 Familie unterstützen alle relevanten Industrial Ethernet Protokolle und sind insbesondere auch schon TSN-Ready.
(Bild: Analog Devices)

TSN kommt – so viel scheint klar. Allein der Gedanke eines einheitlichen, übergreifenden Standards, der klassisches Ethernet mit den für die industrielle Kommunikation nötigen Echtzeitfunktionen verbindet, löst bei vielen Herstellern Aufbruchsstimmung aus. Um keinen Schiffbruch erleiden, ist es wichtig, auf flexible und zukunftsfähige Architekturen zu setzen.

Vom Büro- zum Industrie- Kommunikationsstandard

Ethernet zog bereits in den frühen 1980er Jahren in die Büros ein und war mit seinem hohen Durchsatz von damals sensationellen 10Mbit/s schnell sehr beliebt. Für Echtzeitanwendungen war dieses Ethernet aber kaum zu gebrauchen, denn es benutzte noch ein gemeinsames Medium, auch „Party Line“ genannt. Kollisionen bei hoher Last führen selbst im Büro zu Problemen.

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Der nächste Schritt in der Entwicklung beseitigte die Kollisionen durch die Einführung des „Switched Network“. Zusätzlich wurde mit QoS (Quality of Service) die mögliche Priorisierung von Ethernet-Datagrammen eingeführt.

Für industrielle Anwendungen ist eine garantierte Latenz besonders wichtig. Standard Ethernet, so wie es im Büro eingesetzt wird, kann die Latenzen trotz QoS nur bis zu einem gewissen Grad garantieren, insbesondere bei hoher Netzlast (Abb 1: Ethernet Datagramm).

Das liegt an verschiedenen Faktoren, insbesondere aber an der in kommerziellen Multi-Port Switchen üblichen „store-and-forward“-Paketverarbeitung und an der fehlenden Möglichkeit, Bandbreiten reservieren zu können. „Store-and-forward“ bedeutet, dass ein Switch ein Datagramm erst vollständig empfängt, bevor er es weiterleitet. Das hat Vorteile bei der Paketverarbeitung im Switch, bringt aber potentielle Probleme mit sich, die sich negativ auf Latenz und Zuverlässigkeit auswirken:

  • Ein Datagramm wird beim Durchlaufen eines Switches abhängig von seiner Länge verzögert. Beim Kaskadieren von Switchen macht sich der Effekt deutlich bemerkbar.
  • Da der Speicher eines Switches nicht unendlich groß ist, darf ein Switch bei Überlast (zuviel Datenverkehr) Datagramme verwerfen – sie gehen schlicht verloren. Dieses Schicksal kann auch höher priorisierte Pakete ereilen.
  • Lange Datagramme können einen Port verhältnismäßig lange blockieren.

Das Kaskadieren von Switches war in der industriellen Umgebung von Anfang an eine Anforderung. Neben der aus der IT bekannten Topologie in Form des Sterns sind die Linie, der Ring und der Kamm Topologieformen, die in der Automatisierung oft vorkommen. Diese angepassten Topologien reduzieren den Verdrahtungsaufwand und senken die Kosten einer Ethernet-Installation deutlich.

Daher wird in der Industrie der Zwei-Port-Switch mit „cut-through“-Strategie in die Feldgeräte integriert. Beim cut-through leitet das Netzwerkgerät das Datagramm weiter, noch bevor er es vollständig empfangen hat. Es muss sichergestellt werden, dass für hoch priorisierte Datagramme immer genug Bandbreite und Speicher zur Verfügung steht. Standard Ethernet konnte dies bisher nicht leisten.

Geschnitten oder am Stück? Industrial Ethernet bis heute

Weil klassisches Ethernet keine ausreichenden Möglichkeiten zur Bandbreitenreservierung kannte, haben die Automatisierer ab dem Jahr 2000 angefangen, eigene Erweiterungen für die Netzwerktechnik zu entwickeln. Dabei wählten sie sehr unterschiedliche Wege:

  • Protokolle, die Ethernet als Transportmedium für einen Feldbus nutzen. Diese Protokolle beanspruchen die komplette Kontrolle über das Ethernet-Medium für sich. Klassische TCP/IP-Kommunikation ist nur „Huckepack“ über den Feldbus (EtherCAT, POWERLINK) oder in einem durch den Feldbus zugewiesenen Kanal (SERCOS) möglich. Die Bandbreitenkontrolle ist fest in der Hand des Feldbusses.
  • Protokolle, die die Bandbreiten-Reservierung durch ein Zeitscheibenverfahren auf dem Ethernet sicherstellen. PROFINET IRT ist hier zu nennen. IRT erlaubt harte Echtzeit auf dem gleichen Kabel, auf dem auch weiche Echtzeit oder Datenverkehr im Hintergrund betrieben werden. Dazu ist ein genaues Timing-Modell der Übertragungstrecken für die Planung der Zeitscheiben notwendig.
  • Protokolle, die auf das Miteinander auf dem Ethernet-Kabel setzen. Diese nutzen QoS und sind in der Fabrik- und Prozessautomation zuhause. PROFINET RT und EtherNet/IP wären hier zu nennen. Diese Protokolle sind auf den Bereich der Soft-Realtime beschränkt und erreichen üblicherweise eine Zykluszeit von rund einer Millisekunde.

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Ein Chip für alle Protokolle

Analog Devices hat vor rund einem Jahr Innovasic, ein Spezialist für Industrial-Ethernet-Lösungen, übernommen und mittlerweile erfolgreich integriert. Mit Innovasic kam die FIDO5000-Familie Industriellen 2-Port Switchen in das Portfolio von Analog Devices. Die Switches der FIDO5000-Familie unterstützen alle relevanten Industrial-Ethernet-Protokolle und sind insbesondere auch schon TSN-Ready. Mit dem FIDO5000 sind schon heute Produkte planbar, die den Übergang zu TSN ermöglichen und gleichzeitig die heutigen Anforderungen (PROFINET IRT, EtherCAT, Powerlink, EtherNet/IP...) erfüllen. Auch OPC UA PUB/SUB wird mit dem FIDO5000 möglich sein. TSN wird dank FIDO5000 somit zum planbaren Update für bestehende Systeme. Die FIDO5000-Familie wird permanent weiterentwickelt. Neben neuen Produkten für Gigabit-Anwendungen werden auch die 10/100-MBit-Produkte weiter gepflegt und den Kundenanforderungen angepasst. Die Migration zu TSN ist laut Analog Devices mit der Flexibilität der FIDO5000-Familie zuverlässig und effizient zu bewältigen.

Auftritt TSN: Harte Echtzeit und trotzdem aufwärtskompatibel

All die genannten Standards benötigen spezielle Hardware-Unterstützung in Form von anwendungsspezifischen ASICs. Da auch PROFINET RT und EtherNet/IP auf den Embedded-2-Port-„cut-through“ setzen, sind auch diese Protokolle nicht davon ausgenommen. Multiprotokolllösungen auf Basis von flexibler Hardware wie der Analog Devices FIDO5000 lösen das Problem elegant.

Mit Time Sensitive Network (TSN) ist es endlich gelungen, Erweiterungen für Standard-Ethernet nach IEEE 802.1 zu entwickeln, die die bisherigen Beschränkungen von Ethernet beheben. Damit steht nun eine genormte Schicht 2 im ISO-7-Schichten-Modell zur Verfügung, die aufwärtskompatibel zum klassischen Ethernet ist und zusätzlich harte Echtzeit ermöglicht.

Außerdem definiert TSN mit 802.1AS-rev eine interoperable, einheitliche Methode, verteilte Uhren im Netzwerk zu synchronisieren. Da bei TSN immer auch „best effort“-Kommunikation stattfindet, ist die gemeinsame Nutzung eines Kabels sowohl für harte Echtzeit als auch für alle anderen Anwendungen (Webserver, SSH, …) möglich. Darin ist TSN dem PROFINET IRT nicht unähnlich. Tatsächlich ermöglicht es eine damit vergleichbare Performance.

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