Time-Sensitive Networking (TSN): OT und IT für echtzeitfähiges Industrial Ethernet vereinen

Time-Sensitive Networking (TSN): OT und IT für echtzeitfähiges Industrial Ethernet vereinen

Operational Technology (OT) und Information Technology (IT) bedienen traditionell distincte Echtzeit-Anforderungen. OT Traffic – wie Maschinensteuerungs-Befehle und Sensordaten – verlangt deterministische Auslieferung mit fixer Latenz und minimalem Jitter. IT Traffic ist dagegen Best-Effort und priorisiert Throughput über striktes Timing.

Time-Sensitive Networking (TSN) vereint diese Domänen auf Standard Ethernet, liefert Echtzeit-Garantien bei Erhalt der Einfachheit und Ubiquität von Ethernet-Verkabelung. Durch Hinzufügen eines deterministischen Layers zu Ethernet reduziert TSN Netzwerkverzögerungen, erzwingt vorhersehbare Latenz und erlaubt OT und IT Paketen, auf demselben physischen Medium zu koexistieren.

Was ist TSN?

TSN ist eine Familie von IEEE Standards, die Ethernet erweitern, um zeitkritische Applikationen zu unterstützen. Seine Architektur umfasst drei Layer:

1. Foundational Standards – die Kern IEEE Spezifikationen, die Timing, Scheduling, Redundanz und Preemption definieren.
2. Profiles – industrie-spezifische Parameter Sets, die die Foundational Features für eine bestimmte Applikation konfigurieren (z. B. IEC 60802 für Industrial Control).
3. Protocols – die eigentlichen Data-Link Layer Implementierungen, die den Traffic tragen.

Essenzielle TSN Standards

• IEEE 802.1AS – baut auf Precision Time Protocol (PTP) auf, um alle Netzwerkgeräte auf eine gemeinsame Zeitbasis zu synchronisieren, was time-aware Scheduling ermöglicht.
• IEEE 802.1Qbv – führt einen Time-Aware Shaper ein, der spezifische Zeitslots für Pakete reserviert, was minimales Jitter und vorhersehbare Latenz sicherstellt.
• IEEE 802.1CB – bietet Frame Replication und Elimination (FRER) für fehlertolerante, redundante Kommunikation ohne Host CPU Belastung.
• IEEE 802.1Qbu/802.1Qbr – unterstützen Frame Preemption und Guard Band Allokation, erlauben High-Priority Frames, Lower-Priority Traffic zu unterbrechen, während Cycle Times stabil bleiben.

Für tiefere technische Details konsultieren Sie das Fundamentals of Time-Sensitive Networking White Paper.

TSN mit NXP Devices ermöglichen

NXPs Produktportfolio bietet Hardware und Software Support für die Key TSN Standards. Die folgende Tabelle fasst zusammen, welche Devices welche Standards implementieren:

Alle drei Plattformen – Layerscape LS1028A, i.MX RT1170 und i.MX 8M Plus – shippen mit umfassenden Open-Source TSN Treibern (inklusive PTP), SDKs und Ready-to-Run Beispielen. Sie laufen Open Industrial Linux (OpenIL) oder andere Echtzeit-Betriebssysteme, was sie ideal für schnelles Prototyping und langfristigen Deployment macht.

Device Highlights

Layerscape LS1028A

Der LS1028A ist ein Dual-Core Cortex-A72 Application Processor, getailored für Automotive und Industrial Workloads. Er integriert einen Hardware Ethernet Switch, der TSN über vier Ports unterstützt, ein CAN-FD Interface, einen On-Chip GPU und robuste Security Features. Typische Use Cases: Industrial Router, Robotics, Industrial HMI.

i.MX RT1170

Mit einer Dual-Core Architektur – Cortex-M7 bis 1 GHz und Cortex-M4 bis 400 MHz – ist der i.MX RT1170 unter den schnellsten MCUs am Markt. Er bietet bis zu 2 MB SRAM, drei Ethernet Interfaces, Advanced Security Primitives und optionale 2D GPU Acceleration, geeignet für HMI, Robotics und Low-Power Industrial Control.

i.MX 8M Plus

Der i.MX 8M Plus liefert High-Performance Machine Vision und KI Fähigkeiten mit dedizierter NPU (2,3 TOPS), Multi-Interface CAN-FD und TSN-fähigem Ethernet. Er bietet auch multiple 2D/3D Graphics Acceleratoren und Inline ECC für Reliability.

Alle drei Devices gehören zu NXPs 15-Jahres Longevity Programm, was Verfügbarkeit durch den vollen Produktlebenszyklus sichert – kritisch für sicherheitskritische und zertifizierungsintensive Applikationen.

TSN-basierte Demo Architektur

Die Demo illustriert, wie TSN-fähige Devices kooperieren können, um deterministischen, synchronisierten Betrieb zu liefern:

• Der i.MX 8M Plus führt Bilderkennung mit ISP und NPU durch, generiert Echtzeit Control Commands.
• Der i.MX RT1170 empfängt diese Commands und treibt einen Roboterarm an, Items von einem Conveyor Belt zu picken.
• Der Layerscape LS1028A agiert als TSN Backbone, routet Frames zwischen den zwei Edge Devices und zusätzlichen Nodes bei Erhalt enger Latenzgrenzen.
• Ein Laptop simuliert Best-Effort Traffic, um TSNs Resilienz unter Mixed Workloads zu demonstrieren.

Für eine Live Demonstration siehe Machine Learning and TSN with NXP's i.MX 8M Plus.

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