Das Henne-Ei-Problem mit Time-Sensitive Networking

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TSN mit Standard Ethernet-Endgeräten

Wird ein Netzwerk mit TSN-fähigen Switchen aufgebaut, konfiguriert und in Betrieb genommen und gleichzeitig Endgeräte mit diesem Netzwerk verbunden, die keine TSN-Funktionen unterstützen, so ergibt sich gegenüber der Übertragung in einem Netzwerk ganz ohne TSN-Funktionen dennoch ein Vorteil: Dort wo TSN aktiv ist, ergeben sich deterministische Übertragungsverzögerungen, allerdings nur zwischen den Ethernet Switchen. Die Übertragung eines Frames vom Endgerät zum ersten TSN Switch erfolgt nicht deterministisch.

Auch die Verweildauer dieses Frames im ersten TSN Switch kann nicht sicher vorausgesagt werden, da der Zeitpunkt des Eintreffens eines Frames vom Endgerät nicht mit Sicherheit vorab bestimmt werden kann. Die Verweildauer des Frames im Switch ist somit abhängig von den Füllständen der Pufferspeicher und der verbleibenden Zeit, bis sich die durch den TSN Scheduler kontrollierten Sendesperren wieder öffnen.

Nach dem Versand aus dem ersten Switch heraus ist die Übertragungslatenz für den Rest des Netzwerks aber vorherbestimmbar – ein klarer Vorteil, selbst wenn das Endgerät selbst gar nichts von TSN weiß.

Wie man Endgeräte stärker ins Netzwerk einbindet

Die Leistungsfähigkeit des gesamten Netzwerks kann nun Schritt für Schritt gesteigert werden, wenn die Endgeräte nach und nach mehr TSN-Funktionen unterstützen.

Sobald das Endgerät die Fähigkeit hat, die eigene Uhr mittels des Precision Time Protocols (PTP) nach IEEE 1588 an die Uhrzeit des TSN-Netzwerks anzupassen, ist ein wesentlicher Schritt zur Integration in die TSN-Kommunikation getan. Durch ein passendes Design der Hardware- und Softwarekomponenten im Endgerät kann dieses die richtigen Zeitschlitze im ersten Ethernet Switch abpassen und so exakt zum richtigen Zeitpunkt die zeitkritische Kommunikation starten.

Hierzu ist allerdings ein sehr präzises Wissen über die Verzögerungen im Endgerät notwendig, also vom Softwarestack in der Applikation über die Kommunikation bis auf die Leitung. Je nach verwendeter Hard- und Software ist dies nicht immer mit der notwendigen Präzision oder akzeptablem technischen Aufwand machbar.

Der letzte Schritt ist, die TSN-Ablaufsteuerung auch in die Endgeräte zu integrieren. Wenn bereits die Netzwerkschnittstelle des Endgeräts eine zeitgesteuerte TSN-Ablaufkontrolle nach IEEE 802.1Qbv-2016 besitzt, so erfolgt das Senden vom Endgerät hardwaregesteuert zu fest definierten Zeitpunkten.

Die Integration einer zeitgesteuerten TSN Queue nimmt die Last der absoluten Zeitgenauigkeit von dem Betriebssystem des Endgerätes und dem intern verwendeten Scheduler, da dieser die zu versendenden Pakete asynchron in die TSN Sendequeue einlegen und sich darauf verlassen kann, dass diese bei der nächsten Öffnung der Sperre zeitgetreu versendet werden.

Das interne Design eines mit einer Sendequeue nach IEEE 802.1Qbv-2016 ausgestatteten Endgerätes gestaltet sich somit wesentlich einfacher, als wenn der geräteinterne Scheduler des Betriebssystems mit der vom TSN-Netzwerk vorgegebenen Uhrzeit hochpräzise abgeglichen werden muss.

Fazit: Schon heute können Endgeräte von TSN-Netzwerken profitieren, denn ab dem ersten TSN Switch können Zeitgarantien für Ethernet-Nachrichten gegeben werden – mit Ethernet ohne TSN ist dies undenkbar. Mit der zunehmenden Verbreitung von TSN-fähigen Endgeräten wird dieser Vorteil noch zunehmen. Damit ist das Henne-Ei Problem mit TSN gebannt: Ein TSN-Netzwerk kann in jedem Fall seine Vorteile ausspielen!

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* Dr. Oliver Kleineberg arbeitet in der Entwicklung im Bereich Industrial IT bei Belden in Neckartenzlingen.

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