Die Grundlagen des zeitkritischen Networkings

Erfahren Sie mehr über die Vorteile von Time-Sensitive Networking (TSN) und wie Ingenieure damit ein industrielles System fit für die Zukunft machen. Dieser Artikel konzentriert sich auf drei Mitglieder des Satzes von TSN-Standards.

Verschiedene Technologiedomänen haben ihre eigenen einzigartigen Anforderungen in Bezug auf Vorhersagbarkeit und Zeitsensitivität, die Systemdesigner, die Daten über eine gemeinsame Verbindung übertragen möchten, vor Herausforderungen stellen können. Bei der Nutzung eines gemeinsamen Netzwerks müssen geringe Latenzzeiten und reduzierte Zeitverzögerungen berücksichtigt werden. Glücklicherweise gibt es eine Lösung für diese Herausforderung – zeitkritisches Networking (TSN). TSN basiert auf Standard-Ethernet und definiert eine Reihe von Standards, die es Systemdesignern ermöglichen, ein Ethernet-Netzwerk zu verwenden, um IT- und OT-Daten über eine gemeinsame Verbindung zu übertragen.

Erfahren Sie in diesem Artikel mehr über die Vorteile zeitkritischer Vernetzung und wie Ingenieure sie nutzen, um ein industrielles System fit für die Zukunft zu machen. Dieser Artikel konzentriert sich auf drei Mitglieder des Satzes von TSN-Standards, erklärt sie im Detail und erwähnt einige Geräte, die zeitkritische Netzwerkfunktionen in ihre Hardware integrieren.

Was ist zeitkritisches Networking?

In verteilten Systemen mit vielen Geräten, wie beispielsweise einer modernen Fabrikhalle, können die angeschlossenen Geräte sehr unterschiedliche Anforderungen und möglicherweise widersprüchliche Ziele für die Kommunikation mit anderen Komponenten in einem Netzwerk haben. Eine Möglichkeit, die übertragenen Daten zu betrachten, besteht darin, sie im Kontext der Domänen der Informationstechnologie (IT) und der Betriebstechnologie (OT) zu betrachten.

Operativer Technologieverkehr, wie Maschinensteuerungsdaten und Sensorwerte, erfordert normalerweise ein vorhersehbares Verhalten des Netzwerks. Die Kommunikation in dieser Domäne erfordert feste Zeitverzögerungen, geringe Latenz und geringen Jitter. Informationstechnikverkehr hingegen sind Daten wie beispielsweise E-Mail-Verkehr und Firmware-Updates. Hier sind die zeitlichen Beschränkungen nicht von größter Bedeutung, und die Kommunikation erfolgt typischerweise nach bestem Wissen und Gewissen.

Während der IT-Datenverkehr normalerweise mehr Bandbreite benötigt, müssen die Daten das Ziel nicht innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens erreichen. Stattdessen kommt es normalerweise auf den Gesamtdurchsatz an. Für OT hingegen können fehlende Daten zu einem bestimmten Zeitpunkt zu Fehlern führen, und daher müssen die Daten ihr Ziel innerhalb bestimmter harter Echtzeitbeschränkungen erreichen.

Manchmal lösen Ingenieure dieses Problem, indem sie zwei separate Netzwerke unterhalten – eines für den OT-Datenverkehr und das andere für die IT-Infrastruktur. TSN (Time-Sensitive Networking) ist eine Reihe von Standards, die auf Standard-Ethernet aufbauen und es OT- und IT-Verkehr ermöglichen, dasselbe Netzwerk zu teilen, das die individuellen Bedürfnisse jeder Domäne berücksichtigt. TSN fügt dem Ethernet Determinismus hinzu, indem es Netzwerkverzögerungen und die Latenz zwischen Endpunkten verringert und sicherstellt, dass einzelne Pakete ihr Ziel pünktlich erreichen können.

TSN-Standards

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei TSN um eine Reihe von Standards, die auf Ethernet aufsetzen. Jeder Standard beschreibt eine andere Funktionalität, und Systemdesigner können Standards kombinieren, um das Netzwerk besser auf ihre Anforderungen abzustimmen. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die TSN-Standards (Dieser Artikel behandelt 802.1AS, 802.1CB und 802.1Qbv):

Abbildung 1. Einige der TSN-Standards haben industrielle Anwendungsfälle.

Timing und Synchronisation für zeitkritische Anwendungen mit 802.1AS

Die TSN-Standards stammen aus dem Precision Time Protocol (PTP, IEEE1588®). Die Grundidee von PTP besteht darin, die Uhren verteilter Maschinen innerhalb eines Netzwerks zu synchronisieren. PTP verwendet einen Taktverteilungsbaum, und normalerweise gibt es auch einen Großmeister, der die Quelle des gesamten Timings ist. Dieser Großmeister erhält die Zeit von einer hochpräzisen Quelle – zum Beispiel einer hochpräzisen GPS-Uhr. Die Slave-Knoten innerhalb des Netzwerks synchronisieren ihre lokale Zeit auf eine Punkt-zu-Punkt-Weise mit der Zeit eines Master-Knotens.

PTP diente als Basis für die TSN-Standards und gPTP ist Teil des 802.1AS-Standards. PTP und gPTP haben viele gemeinsame Terminologien, aber es gibt auch einige wichtige Unterschiede. Ein solcher Unterschied besteht darin, dass PTP auf der Transportschicht des OSI-Schichtenmodells sitzt und daher viele verschiedene zugrunde liegende Transportmethoden zulässt. Weitere Unterschiede zwischen gPTP und PTP sind im folgenden Diagramm zusammengefasst. Neuere Überarbeitungen von gPTP bringen die Möglichkeit zurück, einstufige Zeitstempel zu verwenden. Schließlich erfordert gPTP Peer-to-Peer-Verzögerungsmechanismen und erwartet, dass alle Geräte synchronisiert sind, was bedeutet, dass sie eine Standardfrequenzbasis haben und alle Uhren mit der gleichen Geschwindigkeit laufen.

Abbildung 2. Die Unterschiede zwischen PTP und gPTP.

Ingenieure können den 802.1AS-Standard verwenden, um Aufgaben in einer Maschine oder in einem industriellen Netzwerk zu synchronisieren. In diesem Artikel wird später ein Beispiel für eine synchronisierte Motorsteuerung vorgestellt, das 802.1AS verwendet.

Erstellen redundanter Netzwerke mit 802.1CB

Der 802.1CB-Standard ermöglicht es Systemdesignern, redundante Kommunikationsströme über ein Netzwerk zu erstellen. Eine typische Anwendung findet sich in einem Ringtopologie-Netzwerk mit mehreren Geräten. Die Kommunikation zwischen Geräten wird repliziert und in jede Richtung des Rings gesendet. Bei einer Unterbrechung des Rings können alle Geräte weiterhin ohne Paketverlust und ohne Verzögerung durch einen Neuübertragungsalgorithmus miteinander kommunizieren.

Abbildung 3. Ein Ringtopologiediagramm mit Nachrichtenredundanz.

Immer wenn ein Gerät (der Sprecher) mit einem anderen Gerät (dem Hörer) im Ring kommunizieren möchte, sendet es doppelte Nachrichten in verschiedene Richtungen. Diese Funktion ist in Hardware implementiert, so dass der TSN-fähige Switch das Paket dupliziert und ein Redundanz-Tag einfügt, das einen Header enthält, der den replizierten Stream identifiziert, und eine Sequenz-ID enthält, damit der Empfänger empfangene Duplikate verwerfen kann. Die TSN-fähige Hardware im Listener empfängt die Pakete aus beiden Richtungen auf dem Ring und erkennt das erste eindeutige Paket. Es verwirft dann automatisch alle doppelten Pakete, die später eintreffen, die dieselbe Sequenz-ID verwenden.

Das Auslagern dieser Aufgaben auf die TSN-fähige Hardware vereinfacht die Softwareentwicklung, da komplizierte Neuübertragungsalgorithmen überflüssig werden.

Um 802.1CB zu verwenden, müssen die Systemdesigner identifizieren, welche Verkehrsströme über die TSN-fähigen Switches repliziert werden sollen. Es gibt einige unterschiedliche Verfahren, aber im Kern jedes von ihnen repliziert der Netzwerk-Switch Nachrichten, die einem vorbestimmten Muster entsprechen (z. B. alle Nachrichten, die an ein Gerät mit einer bestimmten MAC-Adresse gehen).

Kombination von OT- und IT-Traffic in einem einzigen Netzwerk mit 802.1Qbv

Der 802.1Qbv-Standard verwendet einen zeitbewussten Shaper, der auf dem Egress-Port (Ausgangsport) eines Ethernet-Switch oder eigenständigen Ethernet-Controllers in einem SoC implementiert ist. Der zeitbewusste Shaper bestimmt, wann der Verkehr auf das Kabel geleitet werden kann. Der Standard definiert acht Warteschlangen für verschiedene Verkehrsströme und die Software konfiguriert diese Warteschlangen mithilfe einer Gate-Kontrollliste.

Abbildung 4. Ein schematisches Beispiel für einen 802.1Qbv-Plan. Der Zeitplan enthält zwei separate Zeitregionen (grau und blau), um OT- und IT-Daten separat zu übertragen.

Die Gate-Steuerungsliste legt den Zeitplan fest, nach dem sich die Gates öffnen, um den Verkehr aus den Warteschlangen abzuleiten. Diese Listen sind vielseitig und ermöglichen das gleichzeitige Öffnen oder Schließen mehrerer Tore. Es ist auch möglich, für jeden Schritt im Zeitplan ein einzigartiges Zeitintervall festzulegen.

Jede auf dem Gerät ausgeführte Softwareanwendung weist den Verkehr je nach Prioritätsstufe dieser Anwendung oder den übertragenen Daten einer anderen Warteschlange zu. Die Zuordnung kann nach Protokoll, Zielport und bestimmten Verkehrstypen (z. B. PTP über UDP) erfolgen. Alle Geräte in einem Netzwerk werden synchronisiert und verwaltet, um sicherzustellen, dass kritische Datenströme im Netzwerk nicht kollidieren und ihre Echtzeitanforderungen erfüllen.

Die TSN-Hardware erzwingt außerdem automatisch vor jedem Zeitschlitz ein Schutzband. Dadurch wird sichergestellt, dass die Übertragung eines großen Pakets nicht unmittelbar vor einem Gatterübergang gestartet wird. Andernfalls könnte eine Paketübertragung mit niedriger Priorität über einen Zeitschlitz mit höherer Priorität laufen. Die Hardware prüft jedes Paket vor der Übertragung, und wenn sie ein Paket während des aktuellen Zeitschlitzes nicht vervollständigen kann, hält die Hardware es zurück, bis der nächste Zeitschlitz für diese Verkehrsklasse verfügbar ist.

Software-Aktivierung für zeitkritische Netzwerke

NXP bietet mehrere Softwaretools zur Nutzung der TSN-Funktionen im Layerscape® LS1028A und anderen Mikroprozessoren.

Open-Source-Software

Für diejenigen, die Open-Source-Entwicklungsplattformen bevorzugen, bietet NXP tsntool zum Konfigurieren aller TSN-Funktionen im LS1028A an, oder Entwickler können alternativ den tc-Befehl verwenden, der Teil der Linux-Dienstprogrammsuite iproute2 ist. Tc kann die zeitbewussten Shaper konfigurieren und den Anwendungsverkehr auf die verschiedenen Verkehrswarteschlangen lenken. gPTP wird durch das ptp4l-Paket unterstützt.

Audio Video Bridging (AVB) und Time-Sensitive Networking (TSN) Stack

NXP bietet auch einen tragbaren AVB/TSN-Stack, der sowohl auf Mikroprozessoren als auch auf Mikrocontrollern ausgeführt werden kann und eine Option für Entwickler bietet, die TSN über eine skalierbare Reihe von Plattformen bereitstellen müssen.

In der obigen 802.1Qbv-Diskussion wurde das Layerscape LS1028A Software Development Kit (SDK) als eine Möglichkeit zum Hochladen einer Gate-Steuerungsliste auf einen TSN-fähigen Ethernet-Controller erwähnt. Der LS1028A ist ein Anwendungsprozessor, der auf zwei ARM® Cortex®-A72-Kernen basiert, auf denen normalerweise ein Linux®-Betriebssystem oder ein anderes High-Level-Betriebssystem oder Echtzeitbetriebssystem ausgeführt wird.

Der LS1028A umfasst einen TSN-fähigen Ethernet-Controller sowie einen integrierten Netzwerk-Switch, der TSN unterstützt. Darüber hinaus unterstützt der Anwendungsprozessor LS1028A verschiedene Sicherheitsfunktionen wie kryptografische Engines und eine Vertrauensarchitektur. Außerdem verfügt das Gerät über 3D-Grafikbeschleunigung und Monitorunterstützung über DisplayPort (DP).

Der LS1028A kann offenes industrielles Linux ausführen, das auf industrielle Anwendungsfälle spezialisiert ist. Dadurch kann das Gerät in Echtzeitumgebungen funktionieren und eine Verarbeitung mit geringer Latenz ausführen (mit xenomai Linux). Außerdem kann das Gerät auf einem Kern Bare-Metal-Code und auf dem anderen beispielsweise Linux ausführen.

Darüber hinaus bietet NXP Open-Source-Unterstützung für TSN sowie Tools zu deren Konfiguration. Innerhalb des offenen industriellen Linux bietet NXP Open-Source-Treiberunterstützung für PTP. Mit diesen Treibern können Benutzer die PTP-Hardwareuhr und Zeitstempelung steuern.

Ein Teil des kommenden Beispiels für die Synchronmotorsteuerung verwendet den kommerziellen NXP AVB-Stack, der die frühere Iteration einiger der diskutierten Standards ist. NXP wird in Zukunft TSN-Unterstützung hinzufügen.

Als Alternative zum Layerscape LS1028A ist die i.MX RT1170 Crossover-MCU ein weiteres NXP-Gerät, das TSN unterstützt. Diese Dual-Core-Crossover-MCU verfügt über einen Cortex-M7-Kern, der bis zu 1 GHz laufen kann, sowie einen eingebetteten ARM-Cortex-M4-Kern mit einer Taktrate von 400 MHz.

Diese Crossover-MCU kombiniert viele typische MPU-IOs mit leistungsstarken Mikrocontroller-Kernen, Anzeigefunktionen, erweiterter Sicherheit und verfügt über einen TSN-fähigen Ethernet-Controller.

Ein Praxisbeispiel:Synchronmotorsteuerung mit TSN

Im folgenden Praxisbeispiel sind an zwei Motoren Kunststoffscheiben mit ausgeschnittenen Schlitzen angebracht, die synchron zusammenarbeiten müssen, damit die Scheiben nicht ineinander stoßen. Um dies zu erreichen, übernimmt eine i.MX RT1170 MCU die Aufgabe, das gesamte System zu koordinieren, indem sie ihren 802.1AS-fähigen Ethernet-Controller verwendet.

Abbildung 5. Eine allgemeine Übersicht über das Beispiel der Synchronmotorsteuerung. Die i.MX RT1170 MCU sorgt für den synchronen Betrieb der Motoren, die LS1028A-gespeisten Netzwerkbrücken sorgen dafür, dass zeitkritische Daten in einem anderen Zeitrahmen übertragen werden.

Die Motoren sind an separate Controller angeschlossen, die Pakete vom Hauptkoordinator empfangen. Diese Daten sagen den Motoren, wann sie sich bewegen sollen.

Netzwerkbrücken leiten den Verkehr zwischen den Komponenten weiter. In diesem Beispiel verwenden die Bridges Layerscape LS1028A-Anwendungsprozessoren. Diese Geräte sind in der Lage, OT- und IT-Datenverkehr mit dem TSN 802.1Qbv-Standard zu kombinieren. Bei diesem Ansatz werden die Motorsteuerungsdaten in einem anderen Zeitrahmen übertragen als die IT-Daten, bei denen es sich in diesem Beispiel um zufällig generierte Daten handelt.

Wie bereits erwähnt, ist es möglich, die TSN-Standards zu kombinieren, um die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen. Dieses Beispiel zeigt genau das. Der Hauptcontroller verwendet 802.1AS, um eine synchronisierte Zeitbasis aufzubauen, während die Switches 802.1Qbv implementieren, um den Netzwerkverkehr so ​​zu gestalten, dass zeitkritische Daten innerhalb der gegebenen Einschränkungen übertragen werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Motoren synchron und so schnell wie möglich arbeiten können.

Zeitkritisches Netzwerk für gemeinsame Verbindungen

IT- und OT-Daten haben widersprüchliche Anforderungen – der IT-Datenverkehr besteht in der Regel aus mehr Daten als der OT-Datenverkehr, und eine Kommunikation nach bestem Wissen und Gewissen reicht normalerweise aus. Der OT-Traffic hingegen ist zeitkritisch. In der Regel gelten strenge Zeit-, Verzögerungs- und Latenzbeschränkungen. Mit TSN können Systemdesigner ein Ethernet-Netzwerk verwenden, um IT- und OT-Daten über eine gemeinsame Verbindung zu übertragen.

802.1AS synchronisiert mehrere Geräte innerhalb eines Netzwerks mit einer Genauigkeit von Nanosekunden. Diese Funktion ist auf vielen Layerscape-, i.MX- und i.MX RT-Crossover-MCUs verfügbar, und Open-Source- und schlüsselfertige kommerzielle Software steht zur Unterstützung von TSN zur Verfügung.

Mit 802.1CB können Systemdesigner Fehlertoleranz in ihre Systeme einführen, indem sie einem Ethernet-Netzwerk Redundanz hinzufügen. Bei TSN-fähiger Hardware werden die Redundanzfunktionen auf die Hardware ausgelagert. Dies führt zu weniger Overhead in der Anwendungssoftware. Diese Funktion ist auf dem Layerscape LS1028A verfügbar, und Open-Source-Software und -Treiber sind ebenfalls verfügbar.

802.1Qbv führt zeitbewusstes Shaping in Standard-Ethernet-Netzwerke ein. Es bietet eine niedrige Latenz und einen geringen Jitter-Transport für zeitkritische Ethernet-Datenverkehrsströme und reserviert Bandbreite für bestimmte Anwendungen. Der OT- und der IT-Verkehr teilen sich ein einziges Netzwerk. Diese Funktion ist auch auf mehreren NXP-Prozessoren verfügbar, und kommerzielle Open-Source- und schlüsselfertige Software ist verfügbar.

Wie im Beispiel der Motorsteuerung gezeigt, können die verschiedenen Standards kombiniert werden, um die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen.

Die Community-Seite von NXP bietet eine Vielzahl von Foren, Beispielen, Anwendungshinweisen und anderen Informationen zu NXP-Prozessoren, die zeitkritische Netzwerke ermöglichen, um gemeinsam genutzte Datenverbindungen zu ermöglichen.

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