Time-Sensitive Networking (TSN) bezeichnet eine Reihe von Standards, an denen die Time-Sensitive Networking Task GroupIEEE 802.1 Time-Sensitive Networking Task Group (IEEE 802.1) arbeitet. Die TSN Task Group entstand aus der Umbenennung der bis November 2012 bestehenden Audio/Video Bridging Task Group und setzt deren Arbeit fort. Die Umbenennung ergab sich aus der Erweiterung des Arbeitsgebietes der Standardisierungsgruppe. Die sich in der Standardisierung befindlichen Standards definieren Mechanismen zur Übertragung von Daten über Ethernet-Netze. Ein Großteil der Projekte definiert dabei Erweiterungen des Bridging-Standards IEEE 802.1Q. Diese Erweiterungen adressieren vor allem die Übertragung mit sehr geringer Übertragungslatenz und hoher Verfügbarkeit. Mögliche Anwendungsbereiche sind konvergente Netzwerke mit Echtzeit-Audio/Video-Streams sowie insbesondere Echtzeit-Kontrollstreams, die z. B. in Automobilen, modernen Flugzeugen oder Industrieanlagen zur Steuerung verwendet werden.
Schlüsselkomponenten Die verschiedenen Teilstandards und damit die Schlüsselkomponenten der TSN Technologie lassen sich in drei grundlegende Kategorien einteilen. Jeder der Teilstandards aus den verschiedenen Kategorien kann auch einzeln genutzt werden, aber nur im Gesamtverbund und unter Ausnutzung aller Mechanismen erreicht ein TSN Netzwerk die höchstmögliche Leistungsfähigkeit. Diese drei Kategorien sind: Zeitsynchronisation: Alle teilnehmenden Geräte benötigen ein gemeinsames Verständnis der Zeit Scheduling und Traffic Shaping: Alle teilnehmenden Geräte arbeiten bei der Bearbeitung und Weiterleitung von Netzwerkpaketen nach den gleichen Regeln Auswahl der Kommunikationspfade, Reservierungen und Fehlertoleranz: Alle teilnehmenden Geräte arbeiten bei der Auswahl und Reservierung von Bandbreite und Kommunikationspfaden nach den gleichen Regeln
Die TSN-Schlüsselkomponenten im Detail
Zeitsynchronisation Der Name Time-Sensitive Networking sagt es bereits aus: Im Gegensatz zu Standard Ethernet nach IEEE 802.3 und Ethernet Bridging nach IEEE 802.1Q spielt bei TSN die Zeit eine wichtige Rolle. Damit ein TSN-Netzwerk mit einer getakteten Ende-zu-Ende-Übertragung von Kommunikationsströmen mit harten Echtzeitanforderungen und damit festen, unverrückbaren Zeitobergrenzen funktioniert, muss jeder Teilnehmer am Netzwerk eine eigene, interne Uhr und damit ein Grundverständnis für Zeit besitzen. Weiterhin müssen die Uhren aller Teilnehmer, sowohl Endgeräte als auch Ethernet-Switches, synchronisiert sein. Durch die Synchronisation wird sichergestellt, dass alle Teilnehmer stets dem gleichen Kommunikationszyklus folgen und aufeinander abgestimmt zum richtigen Zeitpunkt die richtigen Aktionen ausführen.
Zeitsynchronisation in TSN-Netzen kann mit unterschiedlichen Verfahren realisiert werden. Theoretisch ist es möglich, jeden Switch und jedes Endgerät mit einer Funk- oder GPS-Uhr auszustatten. Dies ist allerdings kostenintensiv, und nicht immer kann sichergestellt werden, dass ein Funk- oder GPS-Signal zur Verfügung steht, beispielsweise bei einem Netzwerk im Automobil, in einer Fabrikhalle oder in einem Tunnel. Aus diesem Grund wird bei TSN üblicherweise das Precision Time Protocol nach IEEE 1588 für die Synchronisation des Netzwerks eingesetzt, das Zeitinformationen mittels Paketen über das Datennetzwerk selbst verteilt. Zusätzlich zu der allgemeinen IEEE-1588-Spezifikation hat die Time-Sensitive Networking Task Group der IEEE 802.1 ein IEEE-1588-Profil als Standard IEEE 802.1AS-2011 verabschiedet. Dieses Profil ist insbesondere dafür vorgesehen, die große Vielfalt an Optionen, die das IEEE-1588-Protokoll bietet, auf einen übersichtlichen Satz an Fähigkeiten zu beschränken, der für den Einsatz in Heim-, Automatisierungs- und Automobilnetzwerken geeignet ist.
Scheduling und Traffic Shaping Das Scheduling und Traffic Shaping ermöglicht die Koexistenz unterschiedlicher Verkehrsklassen mit unterschiedlichen Anforderungen an Bandbreite und Zeittreue auf demselben Netzwerk. Standard Bridging nach IEEE 802.1Q bedient sich acht Prioritäten, die strikt geordnet sind. Auf Protokollebene sind diese Prioritäten im 802.1Q-VLAN-Tag eines Ethernet Frame sichtbar. Diese Prioritäten ermöglichen zwar die Einteilung von Netzwerkverkehr in acht unterschiedliche Verkehrsklassen, gewährleistet aber selbst für die höchste Prioritätsklasse keine garantierte maximale Ende-zu-Ende-Verzögerung. Der Grund hierfür sind Puffereffekte in den Ethernet-Switches. Selbst ein Ethernet-Frame mit höchster Priorität kann gezwungen sein, im Puffer eines Switches auf den Versand zu warten, wenn der Switchport bereits durch ein anderes Frame belegt ist, das für den Versand vorgesehen ist.
Unterschiedliche Zeitfenster für unterschiedliche Verkehrsklassen TSN erweitert die Standard-Ethernet-Kommunikation um vorhersagbare Übertragungscharakteristiken mit harten und weichen Echtzeitanforderungen. Die durch das Ethernet-Frame-Format vorgegebenen acht Prioritäten bleiben hierbei erhalten. Je nach Bedarf der Anwendung, die über das Netzwerk kommunizieren muss, können zusätzliche Scheduling-Mechanismen für jede einzelne der acht Prioritäten festgelegt werden. Eine typische Anwendung für TSN mit Echtzeitanforderungen ist beispielsweise die Kommunikation einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) mit einem Industrieroboter. Für diese Kommunikation kann eine der acht verfügbaren Verkehrsklassen dem Time-Aware Scheduler nach IEEE 802.1Qbv zugeordnet werden. Dieser Scheduler ermöglicht es, die Kommunikation auf dem Datennetzwerk in feste, sich wiederholende Zyklen einzuteilen. Innerhalb dieser Zyklen können nach einem festen Raster die acht unterschiedlichen Prioritäten bedient werden. Das grundlegende Konzept entspricht einem Zeitmultiplexverfahren (TDMA – Time-Division Multiple Access). So können systemkritische Kommunikationsströme, wie beispielsweise die Kommunikation zwischen einem Roboter und einer Steuerung, vom Rest der Netzwerkkommunikation getrennt und damit Zeitgarantien eingehalten werden. Durch die feste Zuteilung von Zeitfenstern zu den Ethernet-Prioritäten wird der Konflikt zwischen zeitkritischen und nicht zeitkritischen Ethernet-Frames in den Puffern eines Ethernet-Switches vermieden, da beide Verkehrsarten zeitlich getrennt voneinander kommunizieren. Ein Beispiel für eine solche Scheduler-Konfiguration ist nachfolgend in Abbildung 1 dargestellt: mini|838x838px|Abbildung 1 – Beispiel: Traffic Schedule nach IEEE 802.1Qbv|ohne
In jedem Zyklus wird während des Zeitfensters 1 Datenverkehr mit der VLAN-Priorität 3 verarbeitet. Da der Scheduler nach IEEE 802.1Qbv Zeitsynchronisation voraussetzt, wissen alle Netzwerkteilnehmer (Switche und Endgeräte), zu welchem Zeitpunkt welche Priorität ins Netzwerk gesendet und verarbeitet werden darf. Innerhalb des Zeitfensters 2 werden die restlichen Prioritäten verarbeitet. Innerhalb dieses Zeitfensters gilt wiederum die Verarbeitung der Prioritäten gemäß IEEE 802.1Q.
Die Koexistenz der unterschiedlichen Verkehrsklassen kann durch die Kombination weiterer Scheduling- und Traffic-Shaping-Mechanismen mit dem Verfahren nach IEEE 802.1Qbv weiter verbessert werden. Der in den AVB-Standards spezifizierte Traffic Shaper nach IEEE 802.1Qav kann beispielsweise in Zeitfenster 2 zusätzlich der VLAN-Priorität 4 zugewiesen werden. Damit könnte folgende Koexistenz von Netzwerkverkehr realisiert werden: Kommunikation mit harten Echtzeitbedingungen in Zeitfenster 1: Datenverkehr zwischen einer Steuerung und einem Industrieroboter Kommunikation mit weichen Echtzeitbedingungen in Zeitfenster 2: Übertragung eines Datenstroms einer Videokamera über das Netzwerk mittels IEEE 802.1Qav Kommunikation ohne Zeitgarantien in Zeitfenster 2: Hintergrundübertragung von Daten, Sammlung von Zustandinformationen Voraussetzung ist, dass alle Geräte im Netz alle unterschiedlichen Teilstandards (IEEE 802.1Qbv, IEEE 802.1Qav,...) unterstützen.
Zeitfenster und Schutzbänder Hat eine Ethernet-Netzwerkschnittstelle einmal mit der Übertragung eines Ethernet-Frames auf das Medium begonnen, so muss diese Übertragung vollständig durchgeführt und beendet werden, einschließlich der Erstellung und Übermittlung des für die Fehlererkennung wichtigen CRC32-Prüfwerts. Somit besteht die Möglichkeit, dass durch eine zu lange andauernde Übertragung eines Frames ein Zeitfenster mit harten Echtzeitbedingungen verletzt wird. Dies wird in der folgenden Abbildung 2 sichtbar: mini|838x838px|Abbildung 2 – Beispiel: Spät gesendetes Frame verletzt das nächsten Zeitfenster.|ohne Kurz vor Ende des zweiten Zeitfensters in Zyklus n wird die Übertragung eines neuen Frames gestartet. Unglücklicherweise dauert die Übertragung dieses Frames so lange, dass sich der Endzeitpunkt bereits innerhalb des Zeitfensters 1 des Zyklus n+1 befindet. Dadurch werden zeitkritische Frames, für die dieses Zeitfenster eigentlich vorgesehen war, weiter verzögert, und die eigentlich durch TSN gegebenen Zeitgarantien können möglicherweise nicht mehr eingehalten werden. Der TSN Scheduler nach IEEE 802.1Qbv muss also einen Mechanismus enthalten, der dieses Verhalten verhindert.
Der Scheduler nach IEEE 802.1Qbv muss sicherstellen, dass die Ethernet-Netzwerkschnittstelle genau zu dem Zeitpunkt auf keinen Fall einen Frame sendet, wenn von einem Zeitfenster zum nächsten Zeitfenster gewechselt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass vor den Startzeitpunkt jedes Zeitfensters ein Schutzband gelegt wird, in dem kein Ethernet-Frame gesendet werden darf. Die Länge/Dauer dieses Schutzbandes entspricht hierbei der Zeit die benötigt wird, ein maximal großes Ethernet-Frame zu übertragen. Für ein Ethernet-Frame nach IEEE 802.3 mit einem einzelnen VLAN-Tag nach IEEE 802.1Q entspricht die Länge, inklusive Interframe Spacing, 1522 Byte + 12 Byte = 1534 Byte. Die Länge bzw. Dauer des Frames ist abhängig von der Übertragungsgeschwindigkeit der Ethernet-Verbindung. Bei 100 Mbit/s Ethernet ergibt sich folgende Dauer:
Für diesen Fall muss das Schutzband somit mindestens eine Dauer von 122,72 µs betragen. Durch dieses Schutzband verringert sich die tatsächlich nutzbare Bandbreite in den einzelnen Zeitfenstern. Dies wird nachfolgend in Abbildung 3 sichtbar: ohne|mini|838x838px|Abbildung 3 – Beispiel: TSN-Schedule mit Schutzbändern Achtung: Aus Gründen der Darstellung wurde für die Größe des Schutzbandes in Abbildung 3 ein kleinerer Wert genommen, als für den Schutz gegen ein Frame nötig ist, wie es in Abbildung 2 dargestellt wird. Weiterhin wird angenommen, dass Zeitfenster 1 per Definition und Konfiguration des Time-Aware Schedulers Daten mit einer höheren Priorität beinhaltet als Daten in Zeitfenster 2. Somit muss durch Schutzbänder verhindert werden, dass Frames aus Zeitfenster 2 das Zeitfenster 1 verletzen.
Durch die Schutzbänder vor den Übergängen zwischen den Zeitfenstern wird verhindert, dass ein Frame ins nächste Zeitfenster "hineinragt". So können die festen Obergrenzen innerhalb der Zeitfenster eingehalten werden. Die Schutzbänder beinhalten allerdings auch einige Nachteile: Die Zeit, die ein Schutzband verbraucht, kann nicht für Datenübertragungen verwendet werden. Dadurch reduziert sich die effektiv nutzbare Bandbreite der Ethernet-Verbindung. Ein einzelnes Zeitfenster kann niemals sinnvollerweise kleiner gewählt werden als die Größe des Schutzbandes. Insbesondere bei langsameren Ethernet-Verbindungen hat dies negative Effekte auf die minimale Zykluszeit.