TSN (time-sensitive networking)

Time-Sensitive Networking (TSN) ist eine Ethernet-basierte Technik, die aus Audio Video Bridging (AVB) hervorgegangen ist und sich durch eine sehr geringe Latenzzeit und eine hohe Verfügbarkeit auszeichnet. Die Arbeitsgruppe 802.1, die sich mit Time-Sensitive Networking befasst, hat rund um die TSN-Standards mehrere Protokolle für die Echtzeit-Übertragung über Ethernet entwickelt, wie das Stream Reservation Protocol (SRP) oder das Forwarding and Queuing for Time-Sensitive Streams. Bei Ethernet geht es im Wesentlichen um Ergänzungen für deterministischen Übertragungseigenschaften.


Betrachtet man Audio Video Bridging (AVB) und Time-Sensitive Networking (TSN), so ist festzuhalten, dass das AVB-Protokoll für Echtzeitkommunikation eingesetzt wird, Time-Sensitive Networking hingegen für schwierige Echtzeitkommunikation mit hoher Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und präzisem Zeitbezug. Es ist für mehrere Traffic-Typen ausgelegt. Der TSN-Standard bietet den perfekten Funktionsumfang für die synchrone Steuerung von Geräten in der Produktion. Mit der TSN-Technik wird der Worstcase für Verzögerungszeiten auf weniger als 4 µs pro Hop bei Datenraten von 1 Gbit/s reduziert. Als zentrales Prinzip arbeitet TSN-Networking mit Time Aware Shaper (TAS), einem Warteschlangenverfahren mit Prioritätensteuerung.

Substandards für Time-Sensitive Networking (TSN)

Substandards für Time-Sensitive Networking (TSN)

Eine der wesentlichen Funktionen von TSN-Netzen ist die Zeitsynchronisation aller Geräte, die in Echtzeit kommunizieren. Sie erhalten ein einheitliches Zeitmaß, in der Regel über die Zeitsynchronisation IEEE 1588, die die Referenzzeit im ganzen Netzwerk verteilt. Des Weiteren gibt es eine Funktion für das Scheduling und das Traffic Shaping. Mit dieser Funktion wird sichergestellt, dass alle Geräte nach den gleichen Regeln arbeiten und die Weiterleitung der Datenpakete nach einheitlichen Regeln erfolgt. Eine weitere Funktion liegt in der Reservierung von Bandbreite und Zeitfenstern durch die angeschlossenen Geräte. Dadurch können mehrere Verbindungen gleichzeitig einem Gerät zugeordnet werden.

Die behandelten Funktionen werden durch verschiedene Standards sichergestellt. So wird die verbesserte Uhrensynchonisation im Standard 802.1AS spezifiziert. Die zeitgesteuerte Kommunikation für Ethernet mittels Time Aware Shaper (TAS), spezifiziert in 802.1Qbv, der Aufbau redundanter Kommunikationspfade (802.1Qca) und die Verbesserungen in der Reservierung von Ressourcen nach 802.1Qcc. Mit den Spezifkationen 802.1Qbu wird die Priorisierung von Nachrichten sichergestellt. Danach können Nachrichten während der Übertragung unterbrochen werden um wichtigere Nachrichten bevorzugt, ohne große Verzögerungen passieren zu lassen. Und mit 802.1CB können Datenpakete dupliziert und später an einer definierten Stelle im Netzwerk wieder zusammengesetzt werden, wodurch die Redundanz sichergestellt wird. Bei diesem Verfahren wird ein Datenpaket weitergeleitet. Die weiteren redundaten Datenpakete werden an der Sequenznummer erkannt und verworfen.

Darüber hinaus lässt die TSN-Technik alternative Pfade mit direktem Schaltvorgang zu und stellt eine nahtlose Redundanz bei mehreren gleichzeitig übertragenen Datenströmen sicher. Deswegen wird die TSN-Technik in der Automotive-Technik eingesetzt, wo sie die unterschiedlichsten Anforderungen erfüllt. So kann sie Entfernungen von 30 m mit 5 Hops überbrücken und mit über hundert elektronischen Steuergeräten (ECU), Sensoren und Aktoren kommunizieren. In der Arbeitszelle, dort wo die Roboter miteinander vernetzt sind, kann die Vernetzung 5 Hops haben, bezogen auf die Fabrik, können es 64 sein.

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Deutsch:
Englisch: time-sensitive networking - TSN
Veröffentlicht: 24.11.2018
Wörter: 490
Tags: #Automotive-Konzepte
Links: Aktor, Arbeitsgruppe, Automotive-Technik, AVB (audio video bridging), Bandbreite