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Was ist TSN?

Time-Sensitive Networking

Time-Sensitive Networking (TSN) bezeichnet eine Reihe von Standards für die Echtzeit-Datenübertragung in deterministischen Ethernet-Netzen. Es handelt sich um eine Layer-2-Technologie, die durch Erweiterungen des Bridging-Standards IEEE 802.1Q ermöglicht wird.

Auf dieser Seite erläutern wir die Vorteile und Anwendungen von TSN, geben einen Überblick über die Standards und gehen auf die Supportmöglichkeiten unseres Ingenieurteams ein.

Was ist Time-Sensitive Networking (TSN)?

Die meisten industriellen Automatisierungsnetze bieten Echtzeitkommunikation über Ethernet auf physikalischer Ebene. Sie implementieren Datenübertragungsverfahren und Zeitsynchronisation, um Timing, Latenz und Jitter-Stabilisierung zu gewährleisten. Dieser Ansatz bringt jedoch Einschränkungen mit sich, da er zu einer Anbieterbindung führt und die Netzwerkinfrastruktur nicht optimal nutzt.

Der ursprüngliche Zweck des Ethernet-Standards bestand zum Zeitpunkt seiner Einführung nicht darin, Echtzeit-Anforderungen im Netzwerk zu erfüllen. In den letzten Jahren hat die Arbeitsgruppe TSN jedoch Ethernet Sub-Standards nach IEEE 802.1 mit dem Ziel definiert, diese Echtzeit- und deterministischen Netzwerkanforderungen zu erfüllen.

Die TSN-Standards nach IEEE 802.1Q arbeiten auf der OSI-Schicht 2. TSN ist kein festgelegtes Internet-Protokoll, sondern erweitert das Ethernet um Funktionen und Mechanismen zur Echtzeitübertragung von Daten. So werden Entscheidungen zum Routing und der Paketweiterleitung innerhalb eines zeitabhängigen Netzes anhand des Inhalt des Ethernet-Headers und nicht der IP-Adresse getroffen.

Wie Promwad die TSN-Entwicklung vorantreibt

In enger Zusammenarbeit mit Microchip Technology Inc. bietet Promwad seinen Kunden eine zuverlässige Ethernet-Switch-Lösung mit TSN, um die Netzwerkinfrastruktur, die für kritische und nicht-kritische Datenübertragungen genutzt wird, robuster zu machen und auszubauen. Zahlreiche Dienste können mit diesem Ansatz über ein einziges physisches Netzwerk zusammengeführt werden.

Warum ist TSN für jede industrielle Anwendung anwendbar und warum wird es gebraucht?

Ethernet-Frames sind nicht auf IP beschränkt und können in jeder Umgebung verwendet werden.

Es gibt zahllose Branchen, die eine deterministische Kommunikation benötigen: Automobil- und Transportwesen, Fertigung, industrielle Automatisierung usw. Der Hauptgrund für diese Flexibilität ist der hohe Optimierungs- und Konnektivitätsgrad, der letztendlich zu einer Kostenreduzierung führt.

Unsere Chip-Anbieter mit TSN-Funktion

Grundlegende TSN-Standards

TSN besteht aus einer Reihe von Standards. In der folgenden Übersicht sehen wir uns kurz an, worum es sich dabei handelt.

 

Timing and Synchronization: IEEE 802.1ASrev, IEEE 1588

Alle Netzelemente müssen das gleiche Zeitkonzept gemäß IEEE 802.1ASrev verwenden, um ein deterministisches Netz zu gewährleisten. Das in IEEE 802.1ASrev beschriebene Zeit-Synchronisationsprotokoll beschreibt die Verwendung von mehreren Hauptuhren in Hochverfügbarkeitsszenarien. IEEE 802.1ASrev ist eine Teilmenge des PTP-Synchronisierungsprotokolls IEEE 1588.

Scheduling: IEEE 802.1Qbv, IEEE 802.1Qbu / IEEE 802.3br

TSN nutzt den in IEEE 802.1Qbv definierten Time-Aware-Scheduler. Er ermöglicht die zeitliche Aufteilung im Netz, um verschiedene Arten von Datenverkehr bedienen zu können.

Der Hauptunterschied zwischen TSN- und Nicht-TSN-Ethernet-Frames liegt in der Methodik des Übergangs:

  • TSN - Übergänge nach einem Zeitplan,
  • Nicht-TSN - Übergänge auf einer Best-Effort-Basis.

IEEE 802.1Qbu definiert Frame Preemption, eine Methode, um die Übertragung von erweiterten Ethernet-Frames zugunsten von TSN-Ethernet-Frames mit hoher Priorität zu verzögern. Sobald der TSN-Ethernet-Rahmen übertragen ist, kann der restliche Teil des unterbrochenen Ethernet-Rahmens weitergeleitet werden. IEEE 802.3br beschreibt Frame Preemption für die Ethernet-MAC-Komponente.

Fault Tolerance and Redundancy: IEEE 802.1Qca, IEEE 802.1CB

IEEE 802.1Qca beschreibt die Erkennung der Netztopologie, wobei Informationen von den Knotenpunkten gesammelt werden. Das Hauptziel dieses Standards ist es, redundante Pfade im Netz zu finden. 
 
IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER) sendet Duplikate jedes Ethernet-Rahmens über mehrere Pfade und gewährleistet so Redundanz bei Echtzeit-Steuerungsanwendungen, die Paketverlust nicht tolerieren. Wie in IEC 62439-3 spezifiziert, werden Redundanzprotokolle wie HSR und PRP unterstützt. 

 

TSN configuration and management: IEEE 802.1Qcc

Um die TSN-Netzwerkkonfiguration zu ermöglichen, legt der IEEE 802.1Qcc-Standard Verwaltungsprotokolle und Schnittstellen fest. 

 

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