28.10.2019

Offene Lösungen für einen offenen Standard

Open Source TSN

Mit der fortschreitenden Standardisierung und Akzeptanz von Time Sensitive Networking verschiebt sich der Fokus vom Netzwerk und dessen Management hin zu TSN-Endpunkten und deren Entwicklung. Einen niederschwelligen Einstiegspunkt stellen Open-Source-Lösungen dar, zu denen das ISW der Universität Stuttgart im Rahmen des Forschungsprojekts AccessTSN beiträgt. Der folgende Artikel stellt das dabei entstehende TSN-Referenzsystem auf Basis von Preempt-RT Linux vor und gibt einen Überblick über die notwendigen und verfügbaren Open-Source-Komponenten für TSN-Endgeräte.


Relevante Standards für TSN-Endpunkte
Bild: ISW Universität Stuttgart

Essentiell für viele Aspekte von Industrie 4.0 ist ein durchgehender Datenzugriff über alle Hierarchieebenen der Produktion hinweg. Dazu sind konvergente Netze notwendig, die IT und OT verbinden sowie Echtzeitkommunikation und Best-Effort-Traffic gleichzeitig transportieren. Mit der heute vorherrschenden heterogenen Topologie aus getrennten Netzwerken mit proprietären Feldbussen auf der Feldebene und Ethernet-basierten Systemen auf den höheren Ebenen, ist ein durchgehender Datenzugriff oft nur schwer, unwirtschaftlich oder gar nicht umsetzbar. Deswegen wird die Erweiterung des Ethernet-Standards (IEEE802.1) um deterministische Funktionen - in Summe als Time Sensitive Networking (TSN) bezeichnet - als Schlüsseltechnologie für konvergente Netze und als Enabler für Industrie-4.0-Applikationen gesehen.

TSN-fähige Endgeräte

TSN wurde bisher hauptsächlich aus der Netzwerksicht diskutiert, die meisten Teilnehmer, die größte Gerätevarianz sowie der Großteil des wirtschaftlichen Potentials sind jedoch bei den Endpunkten zu finden. Anders als dies in der Automatisierung bei Feldbussen üblich ist, wird es jedoch nicht eine mustergültige Referenzlösung für TSN geben. Endpunkte werden sich abhängig von deren Anwendung signifikant in den unterstützten (Sub-)Standards unterscheiden. Anstelle einer proprietären Lösung ist zu erwarten, dass TSN - vergleichbar mit Ethernet in der IT-Welt - zukünftig als gegeben und offen angenommen werden kann. Bei den Endpunkten wird zwischen mehreren Gerätekategorien unterschieden: Single-Port, Switched und Limited:

  • • Single-Port-Endpunkte nehmen über eine einzelne Netzwerkschnittstelle am TSN-Netz teil. Sie sind aus Netzwerksicht relativ einfach, können aber aus Endgerätesicht durchaus sehr leistungsstark sein. Beispiele sind Steuerungen, Sensoren, IPCs, Edge-Devices oder Server.
  • • Im industriellen Umfeld werden voraussichtlich Switched-Endpunkte zum Einsatz kommen. Sie verfügen über mindestens zwei Netzwerkschnittstellen und neben einem Endpunkt auch über einen integrierten Switch. Das ermöglicht eine in der Produktionstechnik verbreitete Daisy-Chain-Verkabelung, die den Verkabelungsaufwand gegenüber der in der IT üblichen Sternverkabelung reduziert. Aus Netzwerksicht sind Switched-Endpunkte komplexer, können jedoch in sich selbst eher einfache Geräte sein. Beispielhaft können Buskoppler, Antriebsverstärker oder I/Os genannt werden. Neben den Standards für Single-Port-Endpunkte sind auch die Switch-bezogenen Standards relevant.
  • • Als Limited-Endpunkte werden Geräte bezeichnet, welche aufgrund limitierter Hardwareressourcen nicht alle relevanten Standards voll umzusetzen können, oft insbesondere hinsichtlich der Konfiguration. Den wirtschaftlichen Vorteilen stehen jedoch große Problemen hinsichtlich der Interoperabilität gegenüber. Die folgenden Erläuterungen treffen für Limited Endpunkte nur bedingt zu.

TSN-Endpunkte basieren grundsätzlichen auf der gleichen Soft- und Hardwarearchitektur wie Ethernet-Geräte im Allgemeinen. TSN-Funktionen erfordern Anpassungen auf der Hard- oder Softwareebene. Um den Echtzeitanforderungen für den Einsatz in der Produktionstechnik gerecht zu werden, ist eine Hardwareunterstützung oft notwendig. Folgende Funktionen stehen in Hardware zur Verfügung:

  • • Eine Zeitstempeleinheit inklusive Echtzeituhr nahe der Netzwerkschnittstelle verbessert die Genauigkeit der Synchronisation deutlich.
  • • Gesteuerte Warteschlangen erhöhen die Genauigkeit des zeitbasierten Sendens von Datenpaketen.
  • • Paketunterbrechung ermöglicht die Unterbrechung von Paketen um wichtigere Pakete vorzuziehen.
  • • Redundanz bis zum Endpunkt erhöht die Zuverlässigkeit bei kritischen Anwendungen.
  • • Paketfilter im Empfangspfad können die Belastung der CPU reduzieren und die Sicherheit verbessern.

Open-Source-Lösungen

Unabhängig von der Hardwareunterstützung ist eine Vielzahl von Softwarekomponenten integraler Bestandteil von TSN-Endpunkten. Für Ethernet gibt es verschiedene offene Softwareimplementierungen, für TSN ist dasselbe zu erwarten und anzustreben. Bereits heute sind viele Komponenten als Open Source verfügbar. Eine offene Basis für Endpunkte ist GNU/Linux als Betriebssystem. Durch die große Zahl an unterstützten Hardwarearchitekturen kann es auf modernen PCs, mobilen ARM-Plattformen und auch auf vielen Embedded-Geräten oder Industrial-IoT-Plattformen genutzt werden. Für die Verwendung in TSN-Geräten sollte aufgrund der Zeitanforderungen auf eine Echtzeitvariante des Linuxkernels zurückgegriffen werden. Hierbei sticht besonders preempt/rt durch die laufende Integration in den Hauptzweig des Linuxkernels hervor. Das zusätzlich zum Kernel benötigte Wurzeldateisystem kann durch das auf Debian basierende Embedded Linux Build Environment (ELBE) erstellt werden. Als weitere Softwarekomponente ist für die Zeitsynchronisation das Paket LinuxPTP (Paketname: ptp4l) verfügbar. LinuxPTP wird aktiv gepflegt und unterstützt derzeit die Synchronisierungsstandards IEEE1588 und IEEE802.1AS. Es ist zu erwarten, dass die momentan entstehende Revision von IEEE802.1AS (Arbeitstitel: 802.1ASrev) zügig nach ihrer Veröffentlichung unterstützt werden wird. LinuxPTP erlaubt das Zeitstempeln auf Software- und Hardwareebene. Traffic Shaping wird unter Linux auf die Linux-eigenen Mechanismen abgebildet. Hierbei werden die im Netzwerk-Stack verwendeten QDiscs eingesetzt und um weitere Scheduling-Disziplinen erweitert. Als Beispiel sei hier die zeitgesteuerte Prioritäten-Scheduling-Disziplin Tapiro genannt, die ein Hardware-Offloading optional unterstützt. Linux besitzt eine eingebaute Unterstützung für Switche über die Distributed Switch Architecture (DSA). Das ist für den Aufbau von Linux-basierten Switched-Endpunkten nutzbar. Die bestehenden DSA-Komponenten werden derzeit um die für TSN notwendige Funktionalität erweitert, inklusive standardkonformer Konfiguration. Viele weitere stark genutzte und verbreitete Protokolle der höheren Schichten wie TCP/IP oder HTTP können über TSN verwendet werden und sind schon lange Teil von GNU/Linux. Einige neue Protokolle erhalten durch den Einsatz von TSN zusätzliche Vorteile, beispielsweise OPC UA. Auch hier gibt es bereits offene Umsetzungen für Linux, beispielsweise Open62541.

AccessTSN

Die Entwicklung offener Lösungen und insbesondere deren Anwendung im industriellen Umfeld, steht im Fokus des Forschungsprojekts AccessTSN. Das ISW arbeitet zusammen mit den Projektpartnern Linutronix, Hirschmann und HS Offenburg daran, die existierenden Bausteine zu erweitern und um neue zu ergänzen, so dass eine modulare Treiberarchitektur entsteht. Hierzu zählen z.B. Arbeiten an der DSA aber auch offene Implementierungen für die Endpunktkonfiguration mittels OPC UA. Auch über TSN hinausgehende, aber unverzichtbare Aspekte wie die Synchronisierung der lokalen Applikation werden beachtet. Das Forschungsprojekt hat ein TSN-Referenzsystem zum Ziel um Unternehmen die Entwicklung eigener TSN-Endpunkte zu erleichtern. Dabei sollen die Entwicklungen des Projektes in bestehende Open-Source-Projekte bzw. -Bibliotheken integriert oder eigenständig als Open Source veröffentlicht werden, da es im Projekt nicht um eine Technologiedemo, sondern um eine nachhaltige Systementwicklung geht. Als Zielplattformen stehen sowohl PCs als auch Embedded-Systeme zur Verfügung. Das Projekt ist offen angelegt, viele Hardwarehersteller und Softwareentwickler sind eingebunden. So wurde beim im Mai 2019 durchgeführten TSN Open-Source-Day eine breite Zustimmung für Architektur und Vorgehen bestätigt.

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Zeit das Potential zu nutzen

TSN erhält als Schlüsseltechnologie für Industrie 4.0 eine zunehmende Relevanz. Viele Bausteine für den Einsatz auf Endgeräten sind bereits frei und offen verfügbar, andere befinden sich in Arbeit. Eine darauf aufbauende Entwicklung von produktionstechnischen Applikationen und von industriellen Geräten kann zeitnah begonnen werden. Um den Technologietransfer über die Aktivitäten im Open-Source-Bereich hinaus zu fördern, bietet das ISW Unternehmen im Rahmen des Industriearbeitskreises TSN4Automation eine effiziente Möglichkeit, in die Technologie einzusteigen und frühzeitig das Potential zu nutzen.

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