Time-Sensitive Networking (TSN)

Time-Sensitive Networking is de naam van een werkgroep binnen IEEE 802.1 die een reeks van standaarden uitwerkt voor real-time, deterministische datacommunicatie over Ethernet. Hoewel die werkgroep al bestaat sinds 2012 is de interesse erin recent plots toegenomen door de introductie van OPC UA TSN – een standaard voor tijdskritische applicaties in industriële automatisering.

Het opzet van Time-Sensitive Networking is het mogelijk maken van deterministische communicatie over Ethernet. “Deterministisch” is hierin het sleutelwoord, want bij standaard Ethernet, hoe snel ook, is er geen garantie dat een datapakket binnen een bepaalde tijd zal aankomen. Voor automatiseringstoepassingen wordt vaak verwezen naar “real-time” communicatie, maar dat is in wezen een illusie aangezien er altijd een zekere vertraging zit op dataoverdracht. Wat men ambieert – en wat veldbussen realiseren – is dat men precies kan zeggen hoe groot die vertraging maximaal zal zijn. Dat principe heet determinisme.

De manier waarop determinisme bekomen wordt in Time-Sensitive Networking is het reserveren van bandbreedte voor prioritaire communicatie. In de Ethernet variant volgens IEEE 802.1q werd al een reeks van acht prioriteiten ingevoerd om bepaalde communicatie over een netwerk voorrang te kunnen geven. Hiermee werd echter nog geen determinisme gerealiseerd want een pakket met hogere prioriteit kon even goed nog in de wacht gezet worden terwijl de transmissie van een ander pakket bezig was.

In TSN wordt daarom het goede oude Time-Division Multiple Access (TDMA) opnieuw ingezet. Het betekent concreet dat er cycli gecreëerd worden waarbij bepaalde tijdsintervallen voorbehouden worden voor datapakketten met een zekere prioriteit. Door de lengte en frequentie van die tijdsintervallen af te stemmen op de nodige bandbreedte voor tijdskritische applicaties kan een volwaardig determinisme bekomen worden.

Voorwaarde hiervoor is wel dat de netwerkcomponenten zich bewust zijn van de tijd – in standaard Ethernet is dat niet het geval – en dat ze met elkaar gesynchroniseerd worden. Om dit te realiseren wordt gebruikgemaakt van het reeds bestaande IEEE 1588 Precision Time Protocol, dat een nauwkeurigheid van minder dan een microseconde oplevert. Niet alleen zender en ontvanger moeten met elkaar gesynchroniseerd worden. TSN vereist dat alle switches op elkaar afgestemd zijn om de implementatie van TDMA mogelijk te maken.

Keerzijde van TSN is dat er wat bandbreedte verloren gaat door de synchronisatie en het reserveren van tijdsblokken voor bepaalde prioriteiten. In automatisering is dat echter meestal niet het probleem – zeker niet voor de tijdskritische data.

Een van de meest belovende toepassingen voor industriële automatisering is OPC UA TSN – een protocol dat het nu dus mogelijk maakt om op een zeer eenvoudige manier variabelen in “real time” door te geven. Zo kunnen PLC’s statussen inlezen en kan een volledig deterministisch automatiseringsconcept opgezet worden over Ethernet.

© Productivity.be

Feel free to share