Time-Sensitive Networking

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Time-Sensitive Networking (TSN) bezeichnet eine Reihe von Standards, an denen die Time-Sensitive Networking Task Group[1] (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-Netzwerke. 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, welche z. B. im Automobil oder in Industrieanlagen zur Steuerung verwendet werden.

Schlüsselkomponenten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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:

  1. Zeitsynchronisation: Alle teilnehmenden Geräte benötigen ein gemeinsames Verständnis der Zeit
  2. Scheduling und Traffic Shaping: Alle teilnehmenden Geräte arbeiten bei der Bearbeitung und Weiterleitung von Netzwerkpaketen nach den gleichen Regeln
  3. 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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zeitsynchronisation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 Switche 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 Technologien 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 Features zu beschränken, der für den Einsatz in Heim-, Automatisierungs- und Automobilnetzwerken geeignet ist.

Scheduling und Traffic Shaping[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Scheduling und Traffic Shaping ermöglicht die Koexistenz unterschiedlicher Verkehrsklassen mit unterschiedlichen Anforderungen an Bandbreite und Zeittreue auf dem gleichen 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 Switchen. 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 Zeitschlitze für unterschiedliche Verkehrsklassen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

TSN erweitert die Standard Ethernet Kommunikation um vorhersagbare Übertragungscharakteristiken mit harten und weichen Echtzeitanforderungen. Die durch das Ethernet Frame Format vorgegeben 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 Zeitschlitzen 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:

Abbildung 1 - Beispiel: Traffic Schedule nach IEEE 802.1Qbv

In jedem Zyklus wird während des Zeitschlitzes 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 Zeitschlitz 2 werden die restlichen Prioritäten verarbeitet. Innerhalb dieses Zeitschlitzes gilt wiederum die Verarbeitung der Prioritäten gemäß IEEE 801.Q.

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 Audio and Video Bridging Standards spezifizierte Traffic Shaper nach IEEE 802.1Qav kann beispielsweise in Zeitschlitz 2 zusätzlich der VLAN Priorität 4 zugewiesen werden. Damit könnte folgende Koexistenz von Netzwerkverkehr realisiert werden:

  • Kommunikation mit harten Echtzeitbedingungen in Zeitschlitz 1: Datenverkehr zwischen einer Steuerung und einem Industrieroboter
  • Kommunikation mit weichen Echtzeitbedingungen in Zeitschlitz 2: Übertragung eines Streams einer Videokamera über das Netzwerk mittels IEEE 802.1Qav
  • Kommunikation ohne Zeitgarantien in Zeitschlitz 2: Hintergrundübertragung von Daten, Sammlung von Zustandsinformationen

Voraussetzung ist, das alle Geräte im Netz alle unterschiedlichen Teilstandards (IEEE 802.1Qbv, IEEE 802.1Qav,...) unterstützen.

Zeitschlitze und Schutzbänder[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 Zeitschlitz mit harten Echtzeitbedingungen verletzt wird. Dies wird in der folgenden Abbildung 2 sichtbar:

Abbildung 2 - Beispiel: Spät gesendetes Frame verletzt den nächsten Zeitschlitz.

Kurz vor Ende des zweiten Zeitschlitzes in Zyklus n wird die Übertragung eines neuen Frames gestartet. Unglücklicherweise dauert die Übertragung dieses Frames so lange, das der Endzeitpunkt sich bereits innerhalb des Zeitschlitz 1 des Zyklus n+1 befindet. Dadurch werden zeitkritische Frames, für die dieser Zeitschlitz 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 ein Frame sendet, wenn von einem Zeitschlitz zum nächsten Zeitschlitz gewechselt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass vor jeden Startzeitpunkt eines Zeitschlitz 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/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 Zeitschlitzen. Dies wird nachfolgend in Abbildung 3 sichtbar:

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 Zeitschlitz 1 per Definition/Konfiguration des Time-Aware Schedulers Daten mit einer höheren Priorität beinhaltet als Daten in Zeitschlitz 2. Somit muss durch Schutzbänder verhindert werden, dass Frames aus Zeitschlitz 2 den Zeitschlitz 1 verletzen.

Durch die Schutzbänder vor den Übergängen zwischen den Zeitschlitzen wird verhindert, dass ein Frame in den nächsten Zeitschlitz "hineinragt". So können die festen Obergrenzen innerhalb der Zeitschlitze 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 einzelner Zeitschlitz kann niemals sinnvollerweise kleiner gewählt werden als die Größe des Schutzbandes. Insbesondere bei langsameren Ethernet-Verbindungen hat dies negative Effekte auf die minimale Zykluszeit.

Der Time-Aware Scheduler nach IEEE 802.1Qbv beinhaltet den Length-Aware Scheduling Mechanismus, der die negativen Effekte der Schutzbänder verringern kann. Bei Length-Aware Scheduling vergleicht der Scheduler vor Beginn des Versands eines Ethernet-Frame dessen Länge und die verbleibende Zeit vor dem Wechsel in den nächsten Zeitschlitz. Ist das zu sendende Frame kleiner oder entspricht es der Zeit bis zum nächsten Wechsel, so erlaubt der Scheduler - trotz Schutzband - den Versand, da der folgende Zeitschlitz nicht gefährdet ist. Dies setzt jedoch voraus, dass die Länge des zu versendenden Frames vorab bekannt ist. Dies ist nur bei Store-Forward Switching der Fall, somit kann das für eine geringere Ende-zu-Ende Latenz vorteilhafte Cut-through Switching in diesem Fall nicht eingesetzt werden. Auch hat das Length-Aware Scheduling keinen Einfluss auf die notwendige Größe des Schutzbandes und somit auf die minimale Zykluszeit. Length-Aware Scheduling kann somit nicht alle Nachteile des Schutzbandes abmindern.

Frame Pre-Emption und Minimierung des Schutzbandes[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Um die negativen Effekte durch die Schutzbänder zu vermindern, haben die IEEE Arbeitsgruppen 802.1 und 802.3 zusammen die Frame Pre-Emption Technologie spezifiziert, die eine Unterbrechung und spätere Fortsetzung der Übertragung eines Frames ermöglicht. Um dies zu erreichen, müssen Änderungen sowohl an den 802.3 Ethernet- als auch an den 802.1 Bridging Standards vorgenommen werden. Aus diesem Grund wird die Frame Pre-Emption Technologie in zwei getrennten Standards beschrieben, IEEE 802.1Qbu für die Bridging-Komponente und IEEE 802.3br für die Ethernet (MAC)-Komponente.

Abbildung 4 - Beispiel: Frame Pre-Emption minimiert das Schutzband

Abbildung 4 zeigt die grundsätzliche Arbeitsweise der Frame Pre-Emption. Der Sendevorgang des Ethernet Frame wird kurz vor dem Übergang in den nächsten Zeitschlitz unterbrochen und wieder fortgesetzt, sobald die Priorität wieder aktiv wird, der das Frame zugeordnet ist. In dem Beispiel in Abbildung 4 ist dies direkt im nächsten Zeitschlitz der Fall. Das ursprüngliche Ethernet Frame wird also in zwei Teilen von einer Ethernet Schnittstelle zur nächsten Schnittstelle übertragen. Beide Teile werden hierbei, wie jedes normale Ethernet Frame auch, von einer CRC32 Checksumme abgeschlossen, um die Kompatibilität zu Standard Ethernet zu gewährleisten.

Die Unterstützung von Frame Pre-Emption muss von einem Switch oder Endgerät über das LLDP an die benachbarten Geräte gemeldet werden. Empfängt ein benachbartes Gerät eine solche Meldung und unterstützt selbst Frame Pre-Emption, so wird die Fähigkeit an diesem Ethernet Port freigeschaltet. Es findet keine explizite Aushandlung zwischen den Geräten statt, und jede einzelne Verbindung zwischen Switchen und Endgeräten muss individuell von den Geräten geprüft werden.

Frame Pre-Emption arbeitet nur auf direkten Verbindungen zwischen Ethernet Switchen und Endgeräten. Ein aufgeteiltes Frame wird immer im direkt benachbarten Gerät wieder zusammengesetzt. Anders als bei der Fragmentierung des Internet Protocol (IP) wird keine Ende-zu-Ende Fragmentierung unterstützt.

Durch die Fähigkeit, ein Frame auch nach dem Start des Sendevorgangs zu unterbrechen, kann das Schutzband signifikant verkleinert werden: Die Länge des Schutzbands ist nun abhängig davon, mit welcher Genauigkeit die Frame Pre-Emption arbeitet. IEEE 802.3br legt die beste Genauigkeit der Frame Pre-Emption Einheit auf 64 Byte fest, da dies die minimale Länge eines noch gültigen Ethernet Frame darstellt. In diesem Fall muss das Schutzband nur noch gegen Frames mit der Größe 64 Byte schützen, da alle größeren Frames noch unterbrochen werden können.

Dies minimiert den Bandbreitenverlust und ermöglicht auch bei Übertragungsraten von 100 Mbit/s kurze Zykluszeiten. Da die Unterbrechung des Frames direkt in der MAC Schicht der Ethernet Schnittstelle während des Versandprozesses durchgeführt wird, kann auch Cut-through Switching unterstützt werden, da die Größe des Frames vorab nicht bekannt sein muss. Die MAC Schnittstelle prüft lediglich in den durch die Genauigkeit der Pre-Emption festgelegten Intervallen, ob das Frame unterbrochen werden muss oder nicht.

Auswahl der Kommunikationspfade, Reservierungen und Fehlertoleranz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

TSN Technologie, insbesondere der Scheduler nach IEEE 802.1Qbv, werden in Netzwerken mit systemkritischen Charakter eingesetzt: Steuerungsnetzwerke für Automatisierungssysteme oder für die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Komponenten innerhalb des Automobils. In diesen Netzwerken ist nicht nur die strikte Einhaltung von Zeitgarantien unabdingbar, diese Netze müssen auch gegen Fehler und Ausfälle, wie beispielsweise Gerätedefekte, abgesichert sein. Die TSN Task Group spezifiziert hierzu den zukünftigen Standard IEEE 802.1CB. Weiterhin können für TSN auch bereits spezifizierte Verfahren für Hochverfügbarkeit wie HSR oder PRP nach IEC 62439-3 verwendet werden.

Die für die Registration von fehlertoleranten Kommunikationsströmen durch das Netzwerk kann entweder Path Control and Reservation nach IEEE 802.1Qca, eine manuelle Konfiguration oder herstellerspezifische Algorithmen in Netzwerkmanagementsystemen verwendet werden.

Im aktuellen Projekt IEEE P802.1Qcc befasst sich die TSN Task Group mit der Spezifikation von Managementschnittstellen und Konzepten, wie TSN Netzwerke in Zukunft in größerem Rahmen administriert und konfiguriert werden können. Insbesondere werden ein dezentraler und ein zentraler Ansatz diskutiert, der unterschiedliche Anwendungsfälle, mit und ohne zentralisiertes Netzwerkmanagement, abdeckt. Der aktuelle Stand der Diskussion, sowohl über das Teilprojekt IEEE P802.1Qcc als auch über andere Teilprojekte der TSN Technologie kann über das öffentlich zugänglicher Dokumentenarchiv der IEEE 802.1 nachverfolgt werden.

Aktueller Status[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Standard Titel Status Datum
IEEE 802.1AS-Rev Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications[2] Draft[3] 4.3 13. Januar 2017
IEEE 802.1Qbu Frame Preemption[4] Ratifiziert und publiziert 30. August 2016
IEEE 802.1Qbv Enhancements for Scheduled Traffic[5] Ratifiziert und publiziert 18. März 2016
IEEE 802.1Qca Path Control and Reservation[6] Ratifiziert und publiziert 11. März 2016
IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination for Reliability (Seamless Redundancy)[7] Draft 2.6 12. September 2016
IEEE 802.1Qcc Stream Reservation Protocol (SRP) Enhancements and Performance Improvements[8] Draft 1.1 1. September 2016
IEEE 802.1Qch Cyclic Queuing and Forwarding[9] Draft 2.1 11. Januar 2017
IEEE 802.1Qci Per-Stream Filtering and Policing[10] Draft 2.1 15. November 2016
IEEE 802.1CM Time-Sensitive Networking for Fronthaul[11] Draft 0.5 15. Oktober 2017
IEEE 802.1Qcr Asynchronous Traffic Shaping Draft 0.0 9. Januar 2017

Verwandte Projekte:

Standard Titel Status Datum
IEEE 802.3br Interspersing Express Traffic[12] Ratifiziert und Publiziert 14. Oktober 2016

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking Task Group
  2. Timing and Synchronization: Enhancements and Performance Improvements
  3. „Drafts“ sind im Entwurfstadium.
  4. Frame Preemption
  5. Enhancements for Scheduled Traffic
  6. Path Control and Reservation
  7. Frame Replication and Elimination for Reliability (Seamless Redundancy)
  8. Stream Reservation Protocol (SRP) Enhancements and Performance Improvements
  9. Cyclic Queuing and Forwarding
  10. Per-Stream Filtering and Policing
  11. Time-Sensitive Networking for Fronthaul
  12. Interspersing Express Traffic Task Force