Time-Sensitive Networking

Warum ein Ökosystemansatz für TSN nötig ist

Mit der TSN-Intelligenz im Netzwerk lässt sich das System stärker automatisieren und ist weniger abhängig von menschlicher Interaktion und weniger anfällig für menschliche Fehler. Erst das bringt die Konvergenz, die für Industrie 4.0 nötig ist.

Das Industrial Internet of Things stellt eine riesige Chance für die Automatisierung von Produktionsanlagen und Industriemärkten dar. Dadurch steigt auch die Menge an Daten, die über verteilte Netzwerke erfasst werden. Es sind neue Methoden erforderlich, um Informationen zu managen und zu übertragen. Darüber hinaus werden neue Mechanismen für optimale Betriebs- und Fertigungsmodelle benötigt. Alternative Lösungen für die zahlreichen spezifischen und stark segmentierten Kommunikationsstandards innerhalb der Industrie sind gefragt. Die neuen IEEE-802.1-Standards für Time-Sensitive Networking (TSN) spiegeln den nächsten Entwicklungsschritt von Ethernet-Technik wider, die speziell auf diese neuen Marktanforderungen ausgerichtet ist.

Die klassische Netzwerkkonfiguration

Früher wurde die Konfiguration industrieller Netzwerke auf Basis einzelner Komponenten, Switches und Knoten vorgenommen. Die Software, die hierbei zum Einsatz kam, ähnelte im Aufbau einem DOS-Programm: Mit Oberflächen wie CLI (Command Line Interface), in denen oft veraltete Grundsätze herrschten und nicht so recht deutlich wurde, wer sich an welchem Punkt in der Befehlshierarchie befand. Darüber hinaus erforderten die Konfiguration eines Switches oder Routers zusätzliche Anpassungen im nächstgelegenen Switch oder Router. In einer solchen Umgebung konnte jeder Konfigurationsfehler in einer der angeschlossenen Komponenten Probleme im gesamten Netzwerk verursachen. Einfach ausgedrückt: Auf Systemebene standen keine Konfigurationsinformationen zur Komponentenebene zur Verfügung. Bei Schnittstellen wie der CLI oder PuTTY (Terminalemulator), die beide kryptisch und nur schwierig zu navigieren sind, stellt man sich schnell die Frage, welche Kompetenzen für die Verwaltung der eigenen Netzwerke erforderlich sind – und ob all das im Jahr 2019 wirklich noch nötig ist.

Die Netzwerkkonfiguration mit TSN

Time-Sensitive Networking (TSN) ist eine Reihe von Ethernet-Standards des IEEE, in denen neue Mechanismen für die Verwaltung des Datenverkehrs definiert werden. TSN-Standards legen neue Funktionen für Ethernet-Netzwerke fest, wie Traffic Shaping, Frame Preemption, Datenverkehrsplanung, Einspeiseüberwachung und nahtlose Redundanz. Wenn alle Komponenten eines Netzwerks zeitlich synchronisiert ausgeführt werden, lässt sich der Datenverkehr nach Zeitplan koordinieren. Mit dieser Methode kann kritischer Traffic besser gesteuert werden. Solche Funktionen bieten eine völlig neue Ebene der Verwaltung von Ethernet-Datenverkehr. TSN-Standards wurden speziell dazu entwickelt, die Konfiguration auf Systemebene zu vereinfachen: Sie wurden mit Blick auf das gesamte System entwickelt, nicht aus Sicht einzelner Komponenten. Mit TSN können Endgeräte ihre Anforderungen im Netzwerk veröffentlichen und Bridges und Switches im System können ihre Funktionen dem breiteren Netzwerk mitteilen. Ein Beispiel hierfür ist „P802.1Qcc – Stream Reservation Protocol (SRP) Enhancements and Performance Improvements“, eine Spezifikation zur Verbesserung und Performancesteigerung des SRP. Dies ist einer der Mechanismen, mit denen die Netzwerkinfrastruktur auf Systemebene intelligenter agieren und die Informationen übermitteln kann, die zur Umstellung der Steuerung von manuellen Workflows auf automatisierte Prozesse erforderlich sind.

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In der Architektur (siehe Grafik) erhält der Benutzer eine Übersicht über das System, die ihm die Konfiguration der E/A- und Steuergeräte sowie das Layout der Topologie und der Infrastrukturgeräte ermöglicht. Ein Kernprinzip des TSN-Mehrwerts ist die Verwaltung der gesamten Netzwerkkommunikation, um optimale Performance und Datenbereitstellung zu gewährleisten. Hierzu müssen alle Geräte an der Planung des Datenverkehrs beteiligt sein, indem sie das System über ihre Traffic-Anforderungen sowie ihre Funktionen zur Verkehrsverwaltung benachrichtigen. Im Beispiel wird eine CNC-Engine (Centralized Network Configuration) für die Systemkonfiguration eingesetzt. In dieser zukünftigen Umgebung stellt CNC ein intelligentes Tool dar, das mit den über TSN-Standards gesammelten und übertragenen Informationen arbeitet. Es berechnet die bestmögliche Lösung, um den Datenverkehrsfluss sämtlicher Verbindungen im Netzwerk unterzubringen. Hierzu ermittelt das System die verfügbare Bandbreite und konfiguriert die Infrastrukturkomponenten im Netzwerk (also die Bridges) entsprechend. Wenn das System keine Konfiguration finden kann, die die Anforderungen hinsichtlich Performance und Lasten der Datenverkehrsströme im Subnetz erfüllt, wird der Benutzer benachrichtigt, damit er Topologie, Performanceanforderungen oder Belastung anpassen kann. TSN ermöglicht Berechnungen, mit denen Verantwortliche voraussagen können, ob das Netzwerkdesign für die jeweilige Anwendung ausreichen wird. Das war in früheren Generationen nicht möglich.

Der betriebliche Nutzen von TSN in IIoT-Anwendungen

Der Industriemarkt benötigt im Moment zwei Arten von Netzwerkexperten: Informationstechnik (IT) und Betriebstechnik (Operational Technology, OT). Aktuelle Steuer- und zugehörige unternehmensweite Systeme erfordern viele IT- und OT-Mitarbeiter, um Netzwerkinfrastruktur und Systemparameter zu konfigurieren und zu verwalten. Mit TSN und seinem Potenzial für smarte Software kann das System die Netzwerkinfrastruktur selbst intelligent managen. Mit der TSN-Intelligenz im Netzwerk lässt sich das System stärker automatisieren und ist weniger abhängig von menschlicher Interaktion und damit auch weniger anfällig für menschliche Fehler. Investitionen in intelligente Systeme und Geräte, die in einem breiten, sich selbst konfigurierenden Ökosystem interagieren, können die Flexibilität der Kostenstruktur steigern. SDN-Tools (Software-Defined Networking) ermöglichen den Einsatz von Software zur Konfiguration auf Systemebene sowie von Diagnose- und Überwachungstools.  Mit diesen neuen Mechanismen können Endbenutzer endlich das gesamte Netzwerk managen: von der Produktionsebene bis hin zu den Unternehmenssystemen.

Die Vorteile synchronisierter Zeit

Um die Digitalisierung und ihre Vorteile optimal nutzen zu können, müssen bei der Datenerfassung Zeitstempel eingesetzt werden. So lässt sich der zeitliche Ablauf der Ereignisse nachverfolgen und Verantwortliche erhalten Zugang zu zeitbasierten Analysen und Zeitreihenanalysen sowie ein Modell für vorhersagbare Ergebnisse. Durch die Analyse zeitlich protokollierter Daten können Systemverwalter nicht nur genau sehen, was schiefgelaufen ist, sondern auch wo und warum. TSN bietet eine einheitliche Zeitreferenz, um das zu ermöglichen. Die Uhren, die für die Datenverkehrsplanung im Netzwerk erforderlich sind, können auch mit anderen Zeitbereichen synchronisiert werden, um die Übersicht über Systemereignisse und -fehler zu steigern. Indem die TSN-Zeit mit der Zeit in Unternehmenssystemen synchronisiert wird, lassen sich Ereignisse und Bedingungen auf Produktionsebene chronologisch geordnet mit den Ereignissen in Unternehmenssystemen vergleichen. Stellen Sie sich einen Fall vor, in dem der Betreiber in der Herstellung genauer ermitteln möchte, wann seine Produkte fertig sind, um die Verteilungssysteme zu informieren, die das entsprechende Produkt dem Verbraucher zukommen lassen. Und auch in der Lieferkette ließen sich durch die präzisen Informationen zur Fertigstellung eines Produkts die Abläufe zum Nachbestellen der für die Produktion erforderlichen Materialien optimieren. Hierbei kann ein System helfen, das Ursachen und Folgen von Fehlern innerhalb der Produktionsebene einfacher zugänglich macht – auf Systemebene und einschließlich der Abfolge von Ereignissen. Solche Funktionen stellen eine große Chance für die Steigerung der Effizienz dar, die sich letztlich auf den finanziellen Erfolg des Unternehmens auswirkt.

Kommunikationsbarrieren beseitigen, Ökosystem schaffen

TSN ermöglicht die Konvergenz von Netzwerken und Systemen, die zuvor zwecks operationeller Integrität, Echtzeitperformance oder Sicherheit separiert waren. Kommunikationsbarrieren zwischen kritischen und nicht kritischen Systemen aufzubrechen, ist ein grundlegendes Konzept von IIoT und Industrie 4.0. Mit TSN und der damit einhergehenden zeitlichen Synchronisierung sind die Echtzeiteinblicke der Daten am Netzwerkrand immer rechtzeitig verfügbar – egal, wie komplex die Umgebung. TSN hebt das Industriemodell und die zugehörigen Workflows auf die nächste Stufe. Mit diesem Mechanismus sind weniger Mitarbeiter erforderlich, um ein einheitlicheres und deterministischeres Netzwerk zu schaffen, das auf Plattformen basiert, um Investitionen langfristig zu schützen. Viele der Systeme, die Anwendungen im Bereich Industrie 4.0 zugrunde liegen, basieren auf eigens entwickelten Standards und können bei der Integration Probleme bereiten. Die fehlende breite Übersicht des industriellen Ökosystems – hinsichtlich Unternehmenssystemen, Plattformen und Standards –, sowie die mangelnde Interoperabilität können die Implementierung von Industrie 4.0 in moderne Workflows deutlich erschweren. Um entsprechende Systeme optimal nutzen zu können, ist ein eben solcher Überblick über Standards, Profile und Tests innerhalb des Ökosystems erforderlich, um die Interoperabilität der Systeme zu gewährleisten. Angesichts der breit gefächerten Anwendungsfälle des IIoT benötigt der Markt auch weiterhin mehrere Upper-Layer Protocols (ULP) für vernetzte Industriesysteme. Diese Protokolle können auf einer gemeinsamen TSN-Ebene basieren. Da TSN ein standardbasiertes Fundament bietet, können Systemdesigner und Entwickler ein Netzwerk schaffen, das mit der Weiterentwicklung der Anwendungsfälle mithält und immer aktuell bleibt.

Die Autoren sind Mitglieder des Industriesegments von Avnu Alliance.