TTEthernet ist eine neue skalierbare Echtzeit-Ethernet-Plattform, die die bewährte Zeitsteuerung mit Ethernet kombiniert und die nahtlose Kommunikation aller Anwendungen ermöglicht. TTEthernet ist geeignet, Daten zwischen verschiedenen Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen zu transportieren. Kritische Bereiche sind entsprechend fehlersicher ausgeführt. Mechanismen zur Fehlerisolation schließen sowohl die Ausbreitung von Fehlern im System als auch unerlaubte Zugriffe auf nicht freigegebene Ressourcen aus. TTEthernet bedient sicherheitskritische fail-operational Anwendungen. Das System bleibt trotz eines Fehlers im Netzwerk voll funktionsfähig. Egal, ob ein Knoten, ein Switch oder ein Netzwerkstrang fehlerhaft ist, das Netzwerk erlaubt weiterhin die sichere Kommunikation. Dies ist ein wesentlicher Unterschied von TTEthernet zu den bisher vorgestellten Safe Ethernet-Systemen, die für industrielle Anwendungen ausreichend sind. TTEthernet bietet Dienste, um auch im Fehlerfall verfügbar zu sein und das System ungestört weiterarbeiten zu lassen. Kommunikationsklassen und Netzwerkstruktur In TTEthernet werden drei Kommunikationsklassen unterschieden. Time-Triggered (TT) Nachrichten bedienen zeitgesteuerte Anwendungen. Alle TT-Nachrichten werden zu vorbestimmten Zeitpunkten am Netzwerk versandt und haben höchste Priorität gegenüber allen anderen Nachrichtenklassen. TT-Nachrichten sind gut zur Kommunikation in verteilten Echtzeitsystemen geeignet. Typische Nutzer der TT-Nachrichten sind X-by-Wire-Systeme. Rate-Constrained (RC)-Nachrichten bedienen Anwendungen, die weniger hohe Ansprüche an Determinismus und Echtzeit stellen als streng zeitgesteuerte Anwendungen. RC-Nachrichten stellen sicher, dass für einzelne Anwendungen eine im Voraus bestimmte Bandbreite zur Verfügung steht und sich Verzögerungszeiten und zeitliche Abweichungen in definierten Grenzen halten. Sicherheitskritische Anwendungen nutzen RC-Nachrichten. Best-Effort (BE)-Nachrichten entsprechen dem bekannten Verfahren auf klassischen Ethernet-Netzen. Es gibt keine Garantien, ob und wann diese Nachrichten versandt werden können, welche Verzögerungszeiten auftreten und ob BE-Nachrichten jemals beim Empfänger ankommen. BE-Nachrichten nutzen die Restbandbreite des Netzwerks und haben die niedrigste Priorität hinter TT- und RC-Nachrichten. Typische Nutzer von BE-Nachrichten sind Web-Services. Switches sind zentrale Komponenten Switches übernehmen die zentrale Aufgabe, den Datenverkehr in TTEthernet zu ordnen. So werden TT-Nachrichten in Switches ohne Verzögerung weitergeleitet. Nachdem die Übertragung der Nachricht vorweg geplant ist, können die Switches sicherstellen, dass zum Sendezeitpunkt das Medium auch frei ist und Verzögerungen ausgeschlossen sind. RC-Nachrichten leiten die Switches mit niedriger Verzögerungszeit weiter. Die Reihung von mehreren RC-Nachrichten an einem Ausgangsport übernehmen die Switches. Für BE-Nachrichten nutzt der Switch die Restbandbreite, wenn keine TT- oder RC-Nachrichten zu versenden sind. Synchronität und Fehlertoleranz Das Austauschen von TT-Nachrichten steht und fällt mit der Synchronität aller kritischen Teilnehmer. In TTEthernet werden laufend TT-Nachrichten ausgetauscht, um die in den Endgeräten und Switches verteilten Uhren im Gleichlauf zu halten. TTEthernet setzt auf ein redundantes, hierarchisches Master-Slave-Verfahren, in dem eine verteilte, fehlertolerante Mehrheit von Master-Knoten und -Switches die Zeit im System vorgibt. Dies garantiert einerseits eine hohe Ausfallsicherheit und andererseits eine hohe Qualität der Synchronisation. Das zeitgesteuerte Verfahren von TTEthernet erlaubt es, Ausfälle und Unregelmäßigkeiten im Netzwerk und bei einzelnen Geräten zu erkennen und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen. Für höchste Anforderungen an Sicherheit, Verfügbarkeit und Fehlertoleranz können Netzwerke mit mehrfach redundanten Endgeräten und Switches aufgebaut werden. In fehlertoleranten TTEthernet-Systemen werden zu jeder Zeit redundante Netzwerkpfade betrieben, sodass der Ausfall einzelner Geräte oder Nachrichten ohne Einfluss auf die Anwendung toleriert werden kann. Produkte für TTEthernet Tools für TTEthernet decken den gesamten Lebenszyklus des Netzwerks ab. Automatische und manuelle Modellierungswerkzeuge erlauben die Auslegung des Systems in Bezug auf Zeitverhalten, Netzwerk und Topologie. TTE-Plan und TTE-Build erzeugen aus diesen Vorgaben Konfigurationsdaten, die mit TTE-Load in die beteiligten Geräte geladen werden. Mittels TTE-View kann der Netzwerkverkehr online und offline dargestellt werden. TTE-Verify überprüft die Korrektheit und Konsistenz eines entworfenen Systems und erstellt Reports für die Abnahme eines Systems nach Anwendungsvorschriften. TT-Ethernet-Anbindungen für Endgeräte können je nach Anforderung an die Qualität, Sicherheit oder Fehlertoleranz in Hardware oder Software realisiert werden. Es ist jederzeit möglich, herkömmliche Ethernet-Geräte an ein TTEthernet-System anzuschließen, ohne das vorberechnete Verhalten zu beeinflussen. Für erste Schritte mit TTEthernet steht das TTE-Evaluation-System mit zwei Switches und vier PCI-Express-PC-Steckkarten zum Aufbau von zweifachredundanten Gigabit-Ethernet-Systemen zur Verfügung. Fazit TTEthernet öffnet den Einsatz von Ethernet für alle Anwendungsbereiche. Von klassischen Web-Diensten bis zu zeit- und sicherheitskritischen Steuerungssystemen stellt das Netzwerk alle dafür notwendigen Dienste zur Verfügung. Auch bestehende Netzwerke können mittels TTEthernet-fähigen Switches und Endgeräten schrittweise erweitert werden, ohne dass an den Anwendungen Änderungen vorgenommen werden müssen.
TTTech Industrial Automation AG
