Time-Sensitive Networking

Grundidee und Bedeutung von TSN

Time-Sensitive Networking (TSN) bezeichnet eine Reihe von Standards der Time-Sensitive Networking Task Group innerhalb von IEEE 802.1. Die Gruppe entstand durch die Umbenennung der bis November 2012 bestehenden Audio/Video Bridging Task Group und führt deren Arbeit erweitert fort. TSN definiert Mechanismen zur Übertragung von Daten über Ethernet-Netze. Ein großer Teil der Vorhaben erweitert den Bridging-Standard IEEE 802.1Q.

Ziel sind besonders geringe Übertragungslatenzen und eine hohe Verfügbarkeit. Dadurch können Netzwerke gleichzeitig Echtzeit-Audio- und Video-Streams sowie Echtzeit-Kontrollströme übertragen. Solche Kontrollströme werden beispielsweise zur Steuerung in Automobilen, modernen Flugzeugen oder Industrieanlagen eingesetzt.

Die TSN-Technologie lässt sich in drei grundlegende Kategorien einteilen:

• Zeitsynchronisation: Alle Geräte benötigen ein gemeinsames Verständnis der Zeit.
• Scheduling und Traffic Shaping: Die Geräte bearbeiten und übertragen Netzwerkpakete nach denselben Regeln. Scheduling bezeichnet dabei die zeitliche Planung der Übertragungen; Traffic Shaping die gezielte Steuerung des Datenverkehrs.
• Auswahl der Kommunikationspfade, Reservierungen und Fehlertoleranz: Die Geräte wählen Kommunikationswege und reservieren Bandbreite nach gemeinsamen Regeln und müssen gegen Fehler und Ausfälle abgesichert werden.

Jeder Teilstandard kann grundsätzlich einzeln verwendet werden. Die höchstmögliche Leistungsfähigkeit wird jedoch erst erreicht, wenn die Mechanismen im Gesamtverbund eingesetzt werden.

Zeitsynchronisation und geplante Übertragung

Im Gegensatz zu Standard-Ethernet nach IEEE 802.3 und Ethernet-Bridging nach IEEE 802.1Q spielt bei TSN die Zeit eine zentrale Rolle. Für getaktete Ende-zu-Ende-Übertragungen mit harten Echtzeitanforderungen und festen, unverrückbaren Zeitobergrenzen benötigt jedes Endgerät und jeder Ethernet-Switch eine eigene interne Uhr. Die Uhren müssen synchronisiert sein, damit alle Teilnehmer denselben Kommunikationszyklus einhalten und zur richtigen Zeit die vorgesehenen Aktionen ausführen.

Eine Synchronisation über Funk- oder GPS-Uhren an jedem Gerät wäre möglich, aber kostenintensiv und nicht überall verfügbar, etwa in Automobilen, Fabrikhallen oder Tunneln. Üblicherweise wird deshalb das Precision Time Protocol nach IEEE 1588 eingesetzt. Es verteilt Zeitinformationen mittels Datenpaketen über das Netzwerk. IEEE 802.1AS-2011 ist ein dafür entwickeltes IEEE-1588-Profil. Es beschränkt die große Zahl von IEEE-1588-Optionen auf einen übersichtlichen Fähigkeitssatz für Heim-, Automatisierungs- und Automobilnetzwerke.

Standard-Bridging nach IEEE 802.1Q kennt acht strikt geordnete Prioritäten, die im 802.1Q-VLAN-Tag eines Ethernet-Frames sichtbar sind. Damit lassen sich acht Verkehrsklassen unterscheiden, aber selbst für die höchste Priorität ist keine garantierte maximale Ende-zu-Ende-Verzögerung gewährleistet. Ein höher priorisiertes Frame kann im Puffer eines Switches warten, wenn der Port bereits ein anderes Frame überträgt.

TSN ergänzt diese Prioritäten um planbare Übertragungsmechanismen. Der Time-Aware Scheduler nach IEEE 802.1Qbv teilt die Kommunikation in feste, wiederkehrende Zyklen und Zeitfenster ein. Nach einem festen Raster werden darin die acht Prioritäten bedient. Das Grundprinzip entspricht dem Zeitmultiplexverfahren TDMA (Time-Division Multiple Access). Zeitkritische Ströme können dadurch zeitlich von nicht zeitkritischem Verkehr getrennt werden.

Beispielsweise kann die Kommunikation einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) mit einem Industrieroboter einer Verkehrsklasse und einem Zeitfenster zugeordnet werden. Im Zeitfenster 1 wird in jedem Zyklus Datenverkehr mit VLAN-Priorität 3 verarbeitet. Im Zeitfenster 2 werden die übrigen Prioritäten nach IEEE 802.1Q verarbeitet. Weil IEEE 802.1Qbv die Zeitsynchronisation voraussetzt, kennen Switches und Endgeräte den Zeitpunkt, zu dem eine Priorität senden und verarbeitet werden darf.

Weitere Mechanismen können kombiniert werden. Im Zeitfenster 2 kann beispielsweise der in den AVB-Standards beschriebene Credit-based-Shaper nach IEEE 802.1Qav der VLAN-Priorität 4 zugewiesen werden. So können harte Echtzeitkommunikation zwischen Steuerung und Roboter, weiche Echtzeitkommunikation eines Videokamera-Datenstroms und Verkehr ohne Zeitgarantien wie Hintergrundübertragungen oder das Sammeln von Zustandsinformationen koexistieren. Dafür müssen alle beteiligten Geräte die erforderlichen Teilstandards, etwa IEEE 802.1Qbv und IEEE 802.1Qav, unterstützen.

Zeitfenster, Schutzbänder und Frame Pre-Emption

Begonnene Ethernet-Frame-Übertragungen müssen vollständig beendet werden, einschließlich der Erstellung und Übermittlung des CRC32-Prüfwerts. Ein kurz vor dem Ende eines Zeitfensters gestartetes, langes Frame kann deshalb in das nächste Zeitfenster hineinragen und dort zeitkritische Daten verzögern. Der Scheduler nach IEEE 802.1Qbv verhindert dies durch Schutzbänder vor den Übergängen zwischen den Zeitfenstern. Während eines Schutzbandes darf kein Ethernet-Frame gesendet werden.

Das Schutzband muss mindestens so lang sein wie die Übertragung eines maximal großen Frames. Für ein IEEE-802.3-Ethernet-Frame mit einem einzelnen IEEE-802.1Q-VLAN-Tag beträgt die Länge einschließlich Interframe Spacing 1522 Byte + 12 Byte = 1534 Byte. Bei 100 Mbit/s ergibt sich:

t_maxframe = (1534 byte · 8 bit/byte) / (100 · 10^6 bit/s) = 122,72 · 10^-6 s

Das Schutzband muss in diesem Fall mindestens 122,72 µs dauern. Es verringert jedoch die tatsächlich nutzbare Bandbreite. Ein einzelnes Zeitfenster kann sinnvollerweise nicht kleiner als das Schutzband sein; besonders bei langsameren Ethernet-Verbindungen wirkt sich dies auf die minimale Zykluszeit aus.

Der Length-Aware-Scheduling-Mechanismus kann einen Teil dieses Nachteils mindern. Der Scheduler vergleicht vor dem Versand die Länge des Frames mit der verbleibenden Zeit bis zum Fensterwechsel. Ist das Frame kurz genug, darf es trotz begonnenem Schutzband noch gesendet werden, weil das nächste Zeitfenster nicht gefährdet wird. Dafür muss die Frame-Länge vorab bekannt sein. Das ist nur bei Store-and-Forward Switching der Fall; das für geringere Ende-zu-Ende-Latenzen vorteilhafte Cut-through Switching kann dann nicht eingesetzt werden. Außerdem verändert Length-Aware Scheduling weder die notwendige Schutzbandgröße noch die minimale Zykluszeit vollständig.

Frame Pre-Emption wurde gemeinsam von IEEE 802.1 und IEEE 802.3 spezifiziert. Es ermöglicht, die Übertragung eines Frames zu unterbrechen und später fortzusetzen. IEEE 802.1Qbu beschreibt die Bridging-Komponente, IEEE 802.3br die Ethernet-MAC-Komponente. Ein Frame wird kurz vor dem Wechsel in das nächste Zeitfenster unterbrochen und später weiterübertragen. Die Teilstücke erhalten jeweils eine CRC32-Prüfsumme; die letzten 16 Bit werden invertiert. Zusätzlich wird ein anderer Start-of-Frame-Delimiter (SFD) zur Kennzeichnung verwendet.

Die Unterstützung wird über LLDP an benachbarte Geräte gemeldet. Unterstützt das Nachbargerät die Funktion ebenfalls, wird sie am betreffenden Ethernet-Port freigeschaltet. Eine ausdrückliche Aushandlung findet nicht statt; jede direkte Verbindung muss einzeln geprüft werden. Frame Pre-Emption arbeitet nur zwischen unmittelbar verbundenen Switches und Endgeräten. Das aufgeteilte Frame wird im direkt benachbarten Gerät wieder zusammengesetzt, nicht erst Ende zu Ende wie bei einer IP-Fragmentierung.

Bei einer Genauigkeit der Pre-Emption-Einheit von 64 Byte muss das Schutzband nur noch gegen Frames von 64 Byte + 63 Byte = 127 Byte schützen. Größere Frames können vorher weiter unterbrochen werden. Dadurch sinkt der Bandbreitenverlust, kurze Zykluszeiten werden auch bei 100 Mbit/s möglich, und Cut-through Switching kann unterstützt werden, weil die vollständige Frame-Größe nicht vorab bekannt sein muss.

Pfade, Reservierung und Fehlertoleranz

TSN wird besonders in systemkritischen Netzwerken eingesetzt, beispielsweise in Automatisierungs-Steuerungsnetzen oder bei der Kommunikation zwischen Komponenten eines Automobils. Dort müssen nicht nur Zeitgarantien eingehalten, sondern auch Gerätedefekte und andere Ausfälle beherrscht werden.

Für Fehlertoleranz spezifiziert die TSN Task Group den Standard IEEE 802.1CB. Zusätzlich können Verfahren für Hochverfügbarkeit wie HSR oder PRP nach IEC 62439-3 verwendet werden. Fehlertolerante Kommunikationsströme können über Path Control and Reservation nach IEEE 802.1Qca, durch manuelle Konfiguration oder durch herstellerspezifische Algorithmen in Netzwerkmanagementsystemen registriert werden.

Das Projekt IEEE P802.1Qcc befasst sich mit Management-Schnittstellen und Konzepten für die Verwaltung und Konfiguration größerer TSN-Netzwerke. Diskutiert werden ein dezentraler und ein zentraler Ansatz, die Netzwerke mit oder ohne zentralisiertes Management unterstützen sollen.

Standards und Standardfamilien

Als Basisstandards nennt der Artikel IEEE 802.1Q-2018 „Bridges and Bridged Networks“ (freigegebener Draft 2.2, 7. Mai 2018, 2000 Seiten), IEEE 802.1AB-2016 mit LLDP (ratifiziert und publiziert, 11. März 2016, 146 Seiten), IEEE 802.1AS-2011 zur Synchronisation (ratifiziert und publiziert, 30. März 2011; Corrigenda 1: 2013 und 2: 2015; 292, 128 und 13 Seiten), IEEE 802.1AX-2014 zu Link Aggregation (24. Dezember 2014; Corrigendum 1: 1-2017; 344 und 113 Seiten), IEEE 802.1CB-2017 zu Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER, 28. September 2017, 102 Seiten) sowie IEEE 802.1CS-2020 zum Link-local Registration Protocol (3. Dezember 2020, 333 Seiten).

Als Profilstandards werden IEEE 802.1BA-2011 „Audio Video Bridging (AVB) Systems“ (30. September 2011, Corrigendum 1: 2016) und IEEE 802.1CM-2018 „Time-Sensitive Networking for Fronthaul“ genannt. Neue eigenständige Spezifikationen umfassen IEC/IEEE 60802 für industrielle Automatisierung, IEEE 802.1CS, IEEE 802.1DC zur Quality-of-Service-Bereitstellung, IEEE 802.1DF für Service-Provider-Netze und IEEE 802.1DG für Automotive-In-Vehicle-Ethernet. Die Tabelle nennt für IEC/IEEE 60802 einen Draft 3.4 vom 5. Mai 2025; für die übrigen genannten Entwürfe stammen die Angaben aus dem Zeitraum Januar bis April 2019.

In IEEE 802.1Q-2018 wurden unter anderem IEEE 802.1Qbu-2016 zu Frame Preemption, IEEE 802.1Qbv-2015 zu Enhancements for Scheduled Traffic, IEEE 802.1Qca-2015 zu Path Control and Reservation, IEEE 802.1Qch-2017 zu Cyclic Queuing and Forwarding sowie IEEE 802.1Qci-2017 zu Per-Stream Filtering and Policing aufgenommen. Als Amendments zu IEEE 802.1Q-2018 nennt der Artikel außerdem IEEE 802.1Qcp-2018 mit YANG-Datenmodell, IEEE 802.1Qcc-2018 mit Erweiterungen und Leistungsverbesserungen für SRP, IEEE 802.1Qcj zur automatischen Anbindung an PBB-Dienste, IEEE 802.1Qcr zu Asynchronous Traffic Shaping, IEEE 802.1Qcy zur VDP-Erweiterung für NVO3, IEEE 802.1Qcw zu YANG-Modellen für Scheduled Traffic, Frame Preemption und Per-Stream Filtering and Policing sowie IEEE 802.1Qcx zum YANG-Modell für Connectivity Fault Management. In Revision befanden sich laut Tabelle IEEE 802.1AS-Rev (Draft 7.3, 2. August 2018) und IEEE 802.1AX-Rev (Draft 0.3, 23. März 2018).

Für IEEE 802.1AB-2016 werden IEEE 802.1ABcu zum LLDP-YANG-Datenmodell und für IEEE 802.1CB-2017 IEEE 802.1CBcv zum FRER-YANG-Datenmodell sowie IEEE 802.1CBdb zu erweiterten Stream-Identification-Funktionen als Entwürfe genannt.

Die AVB-Standards umfassen insbesondere IEEE 802.1BA-2011, IEEE 802.1Qav-2009 (FQTSS, Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams), IEEE 802.1Qat-2010 (SRP, Stream Reservation Protocol) und IEEE 802.1AS-2011. Der Artikel gibt an, dass CBS aus FQTSS zusammen mit SRP eine Latenz von unter 250 µs pro Bridge ermöglicht. AVB kann durch IEEE 802.1Qcc erweitert werden; genannt werden mehr Streams, konfigurierbare SR-Klassen und Streams, eine bessere Beschreibung der Stream-Charakteristiken, Layer-3-Streaming über IP, deterministische Stream-Reservation-Convergence sowie eine UNI-Schnittstelle für Routing und Reservierungen. Ergänzend nennt der Artikel IEEE 1722-2011 (AVTP) und IEEE 1722.1-2013 (AVDECC). IEEE 802.3br „Interspersing Express Traffic“ erweitert den Ethernet-Standard und wurde am 14. Oktober 2016 ratifiziert und publiziert.

Der Abschnitt ist als Stand vom 19. Oktober 2019 gekennzeichnet, enthält jedoch auch Angaben mit den Daten 2020 und 2025. Außerdem wird vermerkt, dass Teile seit 2022 nicht mehr aktuell sein könnten. Die Statusangaben sind daher als Artikelstand und nicht als einheitlich aktueller Gesamtstatus zu verstehen.

Anwendungsprofile

TSN-Profile legen fest, wie Teilstandards in bestimmten Anwendungen verwendet werden. Sie wählen dafür Features, Optionen, Konfigurationen, Standardwerte, Protokolle und Abläufe für Bridges, Endstationen und LANs aus. So sollen gebridgte Netzwerke passend zu den Anforderungen einer jeweiligen TSN-Anwendung aufgebaut werden.

• Audio-Video-Bridging: IEEE 802.1BA-2011 beschreibt gebridgte Netzwerke für Audio-Video-Streaming, etwa in professionellen Audio- und Videostudios sowie im Automotive-Infotainment.
• Mobile Fronthaul-Netzwerke: Fronthaul verbindet zellulare Mobilfunk-Equipment-Netzwerke mit Remotecontrollern. IEEE 802.1CM-2018 beschreibt ein Fronthaul-geb queretes Netzwerk für die strengen Anforderungen der Fronthaul-Datenströme.
• Industrielle Automatisierung: Die IEC und IEEE 802 haben eine gemeinsame Arbeitsgruppe für TSN-Anwendungsszenarien gegründet. IEC/IEEE 60802 soll Richtlinien für die Auswahl von IEEE-802-Standards und -Funktionen geben, damit Netzwerke gleichzeitig Operational-Technology-Verkehr und anderen Datenverkehr unterstützen.
• Bussysteme im Fahrzeug: TSN soll Ethernet-Netzwerke als Bussysteme im Fahrzeug ermöglichen. Der Artikel verweist dazu auf weiterführende Anforderungen an Ethernet im Automobil.
• Utility-Netzwerke: Ein Whitepaper beschreibt den Einsatz von TSN in betrieblichen Netzwerken von Versorgungsunternehmen.