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TSN-Vernetzung: Die unendlichen Möglichkeiten zukünftiger Netzwerke erschließen

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TSN Networking und TSN Switch

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Das industrielle Internet-Netzwerk muss in der Lage sein, die Vernetzung aller Elemente von Menschen, Maschinen und Dingen im gesamten Produktionssystem und sogar in der gesamten industriellen Kette sowie den Datenaustausch von Design, Forschung und Entwicklung, Produktion, Management, Vertrieb und Büro zu realisieren. Mit der weiteren Vertiefung und Verbesserung der Digitalisierung und Informatisierung von Industrieunternehmen nehmen die Geschäftsarten und die Komplexität der zugehörigen Kontroll- und Informationssysteme im industriellen Bereich zu, und das industrielle Kontrollnetzwerk und das industrielle Informationsnetzwerk zeigen ebenfalls einen Trend zur Integration.

Die zeitabhängige Netzwerktechnologie nutzt die physikalischen Ethernet-Schnittstellen, um drahtgebundene Verbindungen in der Industrie zu übernehmen. Sie bildet die Datenverbindungsschicht für industrielles Ethernet auf der Grundlage gemeinsamer Standards für die Übertragung. Diese grundlegende Struktur dient als Basis für die Verschmelzung traditioneller OT- und IT-Netzwerke. Sie eröffnet nicht nur die Möglichkeit, das Monopol eines einzigen Anbieters im Industriesektor zu brechen, indem sie geschlossene Protokolle aufbricht, sondern verbessert auch die Fähigkeit verschiedener industrieller Geräte, sich zu verbinden und zusammenzuarbeiten.

Durch die Überwindung der Beschränkungen eines einzigen Anbieters verbessert diese Technologie die Vielseitigkeit und Konnektivität von Industrieanlagen. Sie schafft auch die Grundlage für die Entwicklung neuer Technologien, einschließlich der Analyse großer Datenmengen und intelligenter, miteinander verbundener Systeme und Maschinen. Dies macht die industrielle Internet-Netzwerktechnologie und das gesamte industrielle Ökosystem offener und dynamischer und ermöglicht mehr Innovation und Zusammenarbeit.

Was ist TSN?

TSN (Time-Sensitive Networking) ist eine Reihe von Protokollen für die Datenübertragungsschicht, die von der IEEE 802.1 Working Group sorgfältig entwickelt wurden. Diese Protokolle sollen extrem genaue und schnelle Datenübertragungsdienste bieten. Sie bauen auf der Grundlage des herkömmlichen Ethernet auf, um sicherzustellen, dass die Daten rechtzeitig und ohne Verzögerungen an die gewünschte Stelle gelangen.

TSN verwendet mehrere Methoden, um dies zu erreichen, z. B. Taktsynchronisierung, Datenplanung und Netzwerkzuweisung. Die Taktsynchronisierung stellt sicher, dass alle Geräte im Netzwerk mit der gleichen Geschwindigkeit arbeiten, damit die Daten reibungslos fließen können. Die Datenplanung steuert, wann und wie die Daten gesendet werden, um Engpässe oder Verzögerungen zu vermeiden. Und die Netzwerkzuweisung sorgt für eine gleichmäßige Verteilung der Ressourcen, so dass kein Teil des Netzwerks überlastet wird.

Mit TSN können wir ein zuverlässigeres, schnelleres und reibungsloseres Ethernet aufbauen. Das macht es perfekt für Anwendungen, die eine präzise und schnelle Datenübertragung benötigen, wie z. B. in der industriellen Automatisierung oder der intelligenten Fertigung.

Viele Länder und Organisationen arbeiten derzeit an der Entwicklung von Richtlinien und Standards, um TSN (Time-Sensitive Networking) zu verbreiten und häufiger zu nutzen. Die US-Luftfahrtbehörde FAA (Federal Aviation Administration) setzt sich beispielsweise für die Verwendung von Echtzeit-Ethernet-Kommunikationsstandards in Avioniksystemen ein. Dies bedeutet, dass Flugzeuge und andere Luftfahrzeuge Daten schneller und genauer übermitteln können.

Gleichzeitig entwickelt der Europäische Verband der Automobilindustrie (ACEA) einen TSN-Standard speziell für Autos und andere Fahrzeuge. Damit soll sichergestellt werden, dass die Netze in Autos reibungslos und effizient funktionieren und die Sicherheit und Leistung verbessert wird. Generell zielen diese Bemühungen darauf ab, TSN in den verschiedenen Branchen zu verbreiten und anzuerkennen.

Merkmale von TSN

Zeitsynchronisierung

TSN ist in der Lage, eine präzise Zeitsynchronisation für alle Geräte im Netz zu erreichen. Das bedeutet, dass jedes Gerät die exakt gleiche Zeitreferenz hat, was für Echtzeitanwendungen entscheidend ist. Das IEEE 802.1AS-Protokoll macht dies möglich. Es stellt sicher, dass jeder Knoten im Netzwerk synchronisiert ist und die gleiche Zeitreferenz hat. Dies trägt zur Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Datenübertragung in Echtzeitanwendungen bei.

Deterministisch

TSN haben spezielle Übertragungseigenschaften, die sicherstellen, dass Pakete zur richtigen Zeit, in der richtigen Reihenfolge und mit guter Qualität gesendet werden. Dies hilft, Probleme wie Netzüberlastung und Paketverluste zu vermeiden. Diese besonderen Übertragungseigenschaften werden durch eine Reihe von TSN-Protokollen ermöglicht, darunter IEEE 802.1Qbv und IEEE 802.1Qci. Diese Protokolle arbeiten zusammen, um sicherzustellen, dass die Daten reibungslos und effizient übertragen werden.

Flusssteuerung und Prioritätssteuerung

TSN bietet zwei Arten der Flusskontrolle, um eine reibungslose und effiziente Datenübertragung im Netz zu gewährleisten. Erstens verwendet es das IEEE 802.1Qbv-Protokoll, um eine zeitbasierte Flusskontrolle zu ermöglichen. Das bedeutet, dass der Datenfluss im Netz sowohl zeitlich als auch räumlich kontrolliert wird, um zu gewährleisten, dass die Daten ihr Ziel zur richtigen Zeit und in der richtigen Reihenfolge erreichen.

Zweitens bietet TSN über das IEEE 802.1Qci-Protokoll auch eine prioritätsbasierte Flusskontrolle. Dadurch können Echtzeitdaten und zeitkritische Daten bei der Übertragung priorisiert werden. Das bedeutet, dass wichtige Daten, die schnell und präzise gesendet werden müssen, eine höhere Priorität erhalten als weniger dringende Daten.

Durch diese beiden Arten der Flusskontrolle wird sichergestellt, dass TSN-Netze ein breites Spektrum von Datenübertragungsanforderungen bewältigen können, von der Routinekommunikation bis hin zu kritischen Echtzeitanwendungen.

Flexibilität

TSN ist äußerst flexibel und skalierbar, d. h. es kann leicht konfiguriert und erweitert werden, um die Anforderungen verschiedener Anwendungsszenarien zu erfüllen. Dank dieser Flexibilität eignet sich TSN für den Einsatz in einer Vielzahl von Bereichen, z. B. in der industriellen Automatisierung, der intelligenten Fertigung, dem intelligenten Transportwesen und sogar auf Flughäfen und in der Luftfahrt. Ganz gleich, ob Sie ein kleines Netzwerk oder ein groß angelegtes System benötigen, TSN kann auf Ihre spezifischen Anforderungen zugeschnitten werden.

Echtzeit

TSN eignet sich hervorragend für die Übertragung in Echtzeit, was für Anwendungen mit hoher Priorität, die eine schnelle und genaue Datenübertragung erfordern, von entscheidender Bedeutung ist. Es stellt sicher, dass kritische Pakete beim Versand über das Netz höchste Priorität erhalten. Diese Echtzeitübertragungsfunktion wird durch die Prioritätssteuerung ermöglicht, mit der TSN die Übertragung wichtiger Daten priorisieren kann.

Um dies zu erreichen, verwendet TSN das IEEE 802.1Qci-Protokoll zur prioritätsbasierten Verkehrssteuerung. Dieses Protokoll stellt sicher, dass sowohl Echtzeit- als auch zeitempfindlicher Datenverkehr im Netzwerk priorisiert wird, so dass sie schnell und effizient gesendet werden können. Mit TSN können Sie sicher sein, dass Ihre Anwendungen mit hoher Priorität die benötigten Daten genau dann erhalten, wenn sie sie benötigen.

Kompatibilität

Die TSN-Technologie folgt der Standard-Ethernet-Protokollarchitektur, was große Vorteile in Bezug auf die Zusammenschaltung und Interoperabilität mit sich bringt. Sie kann deterministische Verzögerungs- und Bandbreitengarantien bieten und gleichzeitig eine standardisierte und offene Layer-2-Weiterleitung gewährleisten. Dies verbessert nicht nur die Interoperabilität, sondern trägt auch zur Kostensenkung bei.

Darüber hinaus kann die TSN-Technologie isolierte industrielle Steuerungsnetze in das ursprüngliche mehrschichtige industrielle Informationsnetz und das industrielle Steuerungsnetz integrieren. Diese Integration bietet technische Unterstützung für die Entwicklung dieser Netze hin zu einer konvergenten flachen Architektur. Kurz gesagt, die TSN-Technologie bietet eine nahtlose und kosteneffiziente Lösung zur Verbesserung der Leistung und Skalierbarkeit von Industrienetzen.

Sicherheit

TSN bietet Verschlüsselungs- und Authentifizierungsfunktionen, um die Sicherheit und den Schutz Ihrer Daten zu gewährleisten. Dank dieser robusten Sicherheitsmerkmale eignet sich TSN für den Einsatz in Netzwerkkommunikationsszenarien, die ein hohes Maß an Sicherheit und Vertraulichkeit erfordern. Szenarien wie Mautsysteme und Stromversorgungssysteme, in denen sensible Informationen geschützt werden müssen, können von den Verschlüsselungs- und Authentifizierungsfunktionen von TSN stark profitieren.

Intelligentes O&M

Die Interoperabilitätsarchitektur der TSN-Technologie basiert auf der SDN-Architektur. Dies ermöglicht es uns, unsere Geräte und Netzwerke nach Bedarf flexibel zu konfigurieren, zu überwachen, zu verwalten und zu optimieren. Dieser Ansatz hilft uns, das Ziel eines intelligenten Netzwerkbetriebs und einer intelligenten Wartung zu erreichen.

Derzeit wird eine Reihe von Standards entwickelt, um die Steuerungsebene dieser Netze zu verbessern. Diese Standards konzentrieren sich auf die Entwicklung von Protokollen, die die Konfiguration, die dynamische Konfiguration und die Verwaltung von Layer-2-Netzen verbessern können. Dadurch wird das gesamte Industrienetz flexibler und lässt sich leichter konfigurieren und warten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die TSN-Technologie durch die Nutzung der SDN-Architektur und die Entwicklung von Protokollen, die sich auf die Steuerungsebene beziehen, den intelligenten Betrieb und die Wartung von Netzwerken ermöglicht und gleichzeitig Flexibilität und Skalierbarkeit für das industrielle Netzwerk bietet.

TSN-Industrieswitches von Maiwe

MAIWE hat die Anwendung von TSN-Technologie-Switches realisiert, mit einer Single-Hop-Verzögerung von weniger als 10us, Jitter von weniger als 300ns, Unterstützung für Multi-Level-Taktsynchronisation und Unterstützung von IEEE802.1Qbv, IEEE802.1Qbu, IEEE802.1Qci, IEEE802.1CB und anderen Protokollen.