Ethernet im Takt

04.04.2019 / Markus Geller / Referent

aus dem Netzwerk Insider April 2019

Dieser Beitrag befasst sich mit Time Sensitive Networking (TSN). TSN soll auf der Basis von Ethernet die Vorteile bieten, die zum Beispiel mit klassischen Zeit-Multiplex-Techniken verbunden sind, vor allem was die Synchronizität betrifft.

Relevanz bekommt TSN in allen Bereichen mit Echtzeitanforderungen an die Datenübertragung. Während verhältnismäßig moderate Echtzeitanforderungen wie beispielsweise in den Bereichen Audio- und Videoübertragung von den bisherigen Paketnetzen erfüllt werden, gilt das nicht für striktere Zeitvorgaben in der Größenordnung weniger Millisekunden (geschweige denn Mikro- und Nanosekunden). Solche strikten Anforderungen hat vor allem industrielle Kommunikation. Aber auch das Basisnetz für 5G muss Echtzeitübertragung unterstützen. Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) ist eines der drei Nutzungsprofile, die in 5G möglich sein müssen.

Angesichts dieser Aktualität lohnt sich der genauere Blick auf TSN.

Moderne Kommunikations-Netzwerke unterscheiden sich ja bekanntlich grundlegend von der alt hergebrachten Infrastruktur der Kanalvermittlung. Die Paketvermittlung, die heute die Basis aller Kommunikation darstellt, überzeugt durch eine Vielzahl von Vorzügen. Angefangen bei der variablen Länge einzelner Pakete bis hin zur optimalen Wege-Wahl über multiple Pfade zur Erreichung der Ziele.

Um eines direkt vorweg zu nehmen, dieser Artikel beschäftigt sich, aus Sicht vieler Netzwerkbetreiber und Administratoren, mit Randaspekten der Datenübertragung, die, trotz alledem, in Zukunft einen entscheidenden Teil der Infrastruktur bestimmen werden: das ist zum einen das 5G Netzwerk und zum anderen die sogenannten OT Netze (Operational Technology), die zukünftig die alteingesessenen Feldbussysteme oder Systeme wie SERCOS III, SafetyNET p, VARAN, Profinet, EtherNet/IP, Ethernet Powerlink oder EtherCAT in der Industrie ablösen werden.

Doch was macht diese Netze so besonders?
Die Antwort darauf lautet: Sie benötigen einen Takt.

Taktung ist aber etwas, was die Paketvermittlung nicht gewährleisten kann. Wir kennen zwar die Möglichkeit, mittels Quality of Service, ein Mindestmaß von Informationen sicher von A nach B zu transportieren. Wir können dabei Bandbreite garantieren oder die Bevorzugung einzelner Datenströme anhand von Merkmalen wie MPLS Header, DSCP, VLAN ID, IP-Adresse oder TCP/UDP-Port-Nummer in Routern und Switchen, aber es ist nicht möglich, ein festes Zeitfenster einer Anwendung zu zuordnen, zu der sie garantiert ihre Informationen versenden kann.

Ein erster Ansatz, um dieses Problem in den Griff zu bekommen, wurde vom IEEE im Jahr 2011 unternommen mit der Einführung des Standards 802.1BA:

„Dieser Standard definiert Profile zur Auswahl von Funktionen, Optionen, Konfigurationen, Standardwerten, Protokollen und Prozeduren von Brücken, Stationen und LANs, die zum Aufbau von Netzwerken erforderlich sind, die zeitkritische Audio- und / oder Videodatenströme transportieren können“ (Quelle: IEEE 802.1BA)

Dies führte im Jahr 2012 zur Bildung einer neuen Arbeitsgruppe, die sich seitdem mit der Weiterentwicklung dieser Basis beschäftigt. Diese neue Gruppe prägte den Begriff TSN, Time Sensitive Networking, um bewusst heraus zustellen dass diese Technologie nicht nur den Audio- / Video-Markt adressiert, sondern generell alle Anwendungen, die zur Ausführung eine synchrone Zeitvorgabe benötigen, sowie feste, zugesicherte Zeiten um Daten empfangen oder senden zu können.

Die Aufgabestellungen, die sich hieraus letztendlich ergeben, sehen folgendermaßen aus:

  1. Zeitsynchronisation
  2. Scheduling und Traffic Shaping
  3. Wahl der Kommunikationspfade, Reservierungen und Fehlertoleranz
    Hierbei sind die ersten beiden Punkte heute schon mit vorhandenen Protokollen und Ethernet Standards recht gut umzusetzen, was noch fehlt ist der dritte Punkt, der aktuell noch im Entwicklungsstadium steckt.

Die Zeitsynchronisation wird dabei folgendermaßen ermöglicht:

Damit ein zeitsensitives Netzwerk mit einer getakteten Ende-zu-Ende-Übertragung von Datenströmen funktioniert, die eine harte Echtzeitanforderungen benötigen und damit fixe Zeitobergrenzen einhalten müssen, benötigt jeder Teilnehmer im Netzwerk eine eigene, interne Uhr und damit ein Zeitverständnis. Daher müssen die Uhren aller Teilnehmer, sowohl die der Endgeräte als auch der Switche, synchron laufen. Durch diese Synchronisation wird sichergestellt, dass alle Teilnehmer stets dem gleichen Arbeitszyklus folgen und damit zum richtigen Zeitpunkt die richtige Aktion ausführen. Die Zeitsynchronisation wird dabei über das PTP (Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588) erfolgreich abgebildet. Da dieses Protokoll jedoch über einen großen Umfang von Möglichkeiten verfügt, hat man auch hier mittels IEEE 802.1AS-2011 einen Standard eingeführt, der diese Optionsvielfalt auf das in diesem Zusammenhang benötigte Spektrum limitiert.

Abbildung 1: Traffic Schedule nach IEEE 802.1Qbv
Quelle: Ulgorash – Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=50281258

Der zweite Punkt, Scheduling und Traffic Shaping, macht es an dieser Stelle zwingend nötig, zum Teil neue Verfahren einzuführen, aber auch auf bewährte Mechanismen zurückzugreifen.

Eines der schon lange bekannten Verfahren, welches als Basis benötigt wird, ist der Standard IEEE 802.1Q.
VLAN Tagging und die Bereitstellung von acht Transportklassen, bzw. Prioritäten, wird genutzt, um Datenströme und Pakete zu klassifizieren. Leider garantiert dieses Verfahren jedoch nicht, dass die Daten keiner Verzögerung durch Pufferung in den Netzwerkkomponenten, wie Switche und Router, unterworfen wird. Eine maximale Ende-zu-Ende Verzögerung kann somit nicht bestimmt werden.

Somit müssen, auf Basis dieser Grundvorgaben aus dem 802.1Q Standard, weitere technische Lösungsansätze das Nichtüberschreiten einer maximalen Verzögerung sicherstellen. Dabei ist natürlich darauf zu achten, dass die Latenz nicht nur auf der Verzögerung in den Netzwerkknoten beruht, sondern auch durch die Laufzeit des Signals im Leiter bestimmt wird. Und da wird dann auch die Wegstrecke zu einem wichtigen Kriterium in der Gesamtbetrachtung.

Abbildung 2: Überlagerung eines Frames und dem festen Übertragungszeitraum
Quelle: Ulgorash – Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:TSN_Prio_Beispiel2.svg

Ein Schritt in diese Richtung ist der Einsatz von IEEE 802.1Qbv. Dieser Standard ist ein weiterer Baustein in Richtung des Time Sensitve Networking und basiert auf Grundlagen des guten alten TDMA (Time-Division Multiple Access), also dem Zeitmultiplexverfahren aus der Telefon-Welt. Damit können Echtzeitanforderungen aus dem Industrieumfeld und der Robotersteuerung erstmalig in einem standardisierten Ethernet Netzwerk eingesetzt werden, ganz ohne Rückgriffe auf klassische Bussysteme und deren Ethernet-Ablegern.

Ein Scheduler greift dabei auf die mit 802.1Q markierten Pakete zu und sendet diese zu einem vorher definierten Takt (Zyklus). In der Praxis wird daher eine der acht Klassen mit diesem Scheduler verknüpft, damit ist sichergestellt, dass ein oder mehrere Pakete dieser Klasse immer zu einem bestimmten Zeitfenster gesendet werden können.

Eine Verknüpfung der Standards 802.1Qbv und 802.1Qav (einer Erweiterung des eingangs erwähnten 802.1BA) erlaubt daher aktuell die Einteilung in zwei fixen Zeitfenster und ein unbestimmtes:

  1. Industrieanwendung nach 802.1QBV
  2. Videoanwendung nach 802.1Qav
  3. Restliche Daten (unbestimmt)

Abbildung 3: Eingliederung eines Schutzbandes
Quelle: Ulgorash – Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:TSN_Prio_Beispiel3.svg

Die Abbildung 1 zeigt den Zugriff exem-plarisch für eine Anwendung, deren Pakete mit der VLAN-Priorität 3 versehen werden. Wichtig ist hierbei, dass alle, und damit sind wirklich alle Teilnehmer eines solchen Netzwerkes gemeint, die Zeitsynchronisation unterstützen und zusätzlich wissen, welche Information zu welchem Zeitfenster gesendet werden darf.

Ein Problem, was hier nun akut werden kann, ist der Umstand, dass ein gesendetes Frame in unseren fixen Sendeslot hineinragen kann (Abbildung 2). Damit würde sich das Versenden um den Zeitbetrag verzögern, der benötigt wird, um das gerade im Versand befindliche Paket abzuschließen.

Damit kann das garantierte Zeitfenster nicht mehr eingehalten werden, und die Synchronisation geht somit verloren.

Diese Erkenntnis führt letztendlich zur Einführung von sogenannten Schutzbändern (Abbildung 3). Ein Schutzband ist ein Zeitfenster, das dem gesicherten Übertragungszeitraum voran geschaltet wird. Dieses Zeitfenster verhindert, dass es zu einer Überlagerung zwischen einem in Sendung befindlichen Frame und dem garantierten Zeitfenster kommt.

Die Größe oder besser Länge dieses Schutzbandes ergibt sich aus der genutzten MTU Size und der Übertragungsgeschwindigkeit. Als Rechenbeispiel schauen wir uns einmal ein klassisches Ethernet Frame inkl. VLAN Tag nach 802.1Q und Interframe Spacing an. Die Paketgröße beläuft sich dann auf eine Gesamtgröße von 1530 Byte. Davon entfallen 1522 Byte auf das Ethernet Frame und 8 Byte auf das Spacing. Bei einer angenommenen Datenrate von 1Gbit/s ergibt sich folgende Rechnung:
Das Ergebnis zeigt, dass ein Schutzband im Gigabit Ethernet 12,272µs betragen muss. Sollten jedoch Jumboframes oder höhere Übertragungsraten eingesetzt werden, wird sich das Schutzband entsprechend anpassen. Der Nachteil, der mit der Einführung dieser Schutzbänder einhergeht, ist jedoch die Reduzierung des Gesamtdurchsatzes, da während des Ablaufs des Schutzbandes keine Daten übertragen werden können.

Abbildung 4: Frame Pre-Emption
Quelle: Ulgorash – Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=50858581

Aber auch hier hält der Standard eine Optimierungsmöglichkeit in der Hinterhand: Length-Aware Scheduling.

Length-Aware Scheduling besagt, dass der Switch prognostiziert, ob das zu sendende Frame eine Verletzung des fixen Zeitfensters verursachen würde. Falls ja, greift das volle Schutzband. Wenn nein, wird das Frame gesendet und das Schutzband entsprechend eingekürzt. Voraussetzung ist jedoch, dass der Switch die Größe des Frames vorab kennt, also im Modus Store and Forward operiert und nicht im schnelleren Cut-Through Modus.

Somit wird eine weitere Steigerung des Durchsatzes trotz Schutzbandnutzung erzielt, jedoch können damit nicht alle Nachteile eliminiert werden.

Um diese Nachteile in Gänze zu kompensieren, bzw. den Durchsatz auf dem bekannten Niveau zu halten, hat das IEEE zwei weitere Standards auf den Weg gebracht. Dazu wurden sowohl der Ethernet Standard 802.3 wie auch die Bridging-Spezifikation 802.1 angepasst und erweitert.

Das neue Verfahren trägt die Bezeichnung Frame Pre-Emption und ist in den Standards 802.1Qbu und 802.3br beschrieben. Die Arbeitsweise lässt sich vereinfacht als Fragmentierung auf Layer 2 Basis beschreiben.
Das Schutzband wird zwar weiterhin benötigt, kann aber auf eine minimale Zeitspanne, bzw. Framelänge reduziert werden. Da im Ethernet Standard das kleinste mögliche Paket mit 64 Byte angegeben wird, kann die Teilung eines Frames also nur durchgeführt werden, wenn dieses größer als 128 Byte ist. Resultat der Überlegung ist somit ein Schutzband das maximal 127 Byte (+ 8 Byte Spacing bei 1 Gbit/s) umfasst.

Dies führt, wenn wir unsere Formel ein weiteres Mal anwenden, bei der Nutzung von 1 Gbit/s zu einer Zeitspanne von:
Die Fragmente werden dabei behandelt wie reguläre Frames, was dazu führt, dass über jedes Teilsegment eine CRC32-Prüfsumme generiert wird. Jedoch werden hierbei die letzten 16Bit invertiert dargestellt und somit nur von Geräten verstanden, die ebenfalls Frame Pre-Emption unterstützen. Außerdem ändert sich, zur Markierung der Reihenfolge, der Start of Frame delimiter (SFD).

Abbildung 5: Unterschied zwischen D-RAN und C-RAN
Quelle: Whitepaper New Packet Network Design for Transporting 5G Fronthaul Traffic, A Technical Paper prepared for SCTE – ISBE by Brian Lavallée Senior Director, Portfolio Marketing Ciena Corporation

Der Einsatz dieser Technik bedingt, dass das LLDP von allen Teilnehmern genutzt wird, da hierüber dem Nachbarn angezeigt wird, dass Time Sensitive Networking unterstützt wird. Eine explizite Aushandlung findet dagegen nicht statt und gilt daher auch nur für jeden einzelnen Transportschritt und nicht Ende-zu-Ende.

Somit lässt sich die ungenutzte Wartezeit stark verkürzen und somit der Durchsatz steigern. Die eigentliche Frame-Pre-Emption wird dabei durch die Netzwerkkarte durchgeführt, die anhand der Framelänge und des vorgegebenen fixen Zeitslots entscheidet, ob eine Fragmentierung vorgenommen werden muss.

Sicher fragen Sie sich jetzt, wo diese Technik denn in der Zukunft benötigt wird.

Und die Zukunft ist in diesem Zusammenhang ein entscheidender Punkt. Viele der genannten Entwicklungen sind sehr jung oder final noch nicht standardisiert.

Da gibt es zum Beispiel einen Draft für einen neuen Industriestandard, IEC/IEEE 60802, der sich mit der Einführung von Profilen für die Industrie-Automation beschäftigt. Dieser wurde erst im vergangenen Jahr ins Leben gerufen.

Oder die schon erwähnten Standards 802.1Qbv und 802.1Qav, die auch erst vor kurzem in der aktuellen Form verabschiedet wurden.

Trotzdem warten verschiedene Märkte auf die schnelle Einführung dieser Technologie. Da wäre zum einen der schon eingangs erwähnte Bereich der Industrie-Automation, der auf einen einheitlichen Standard wartet um die Vielzahl von Feldbussystemen und Ethernet-basierten Alternativen abzulösen.

Aber auch der Automobilsektor benötigt dringend neue Lösungen für die Vernetzung von Fahrzeugsystemen.

Die bisher genutzten Systeme wie der CAN-Bus sind in ihrer Leistungsfähigkeit zu limitiert, um neue Technologien wie das autonome Fahren zu unterstützen. Hier würden Netzwerke im Gigabit-Bereich neue Horizonte eröffnen.

Und gerade dieser Bereich ist es dann auch, der mit potenziell hohen Stückzahlen der Komponenten für Time Sensitive Networks verbunden ist. Damit sind eine schnelle Marktakzeptanz zu attraktiven Chip Preisen zu ermöglichen.

Dies ist bisher jedoch alles noch Zukunftsmusik, konkret werden die Anforderungen nach TSN für den Aufbau der 5G-Netze.

Warum ist das so?

Wenn man sich heute den Netzaufbau aktueller Mobilfunkstandards anschaut, so stößt man immer wieder auf Begriffe wie D-RAN, RH, BBU, CIPR oder OBSAI.

Daher müssen wir also vorab klären, was hinter diesen Begriffen steckt.

RH und BBU stehen für Radio Head (also Antenne) und Base Band Unit (Controller). Beide zusammen bilden aktuell ein D-RAN (Distributed Radio Access Network). Zur Kommunikation zwischen RH und BBU kommen aktuell zwei Protokolle zum Einsatz: Common Public Radio Interface (CPRI) oder OBSAI (Open Base Station Architecture Initiative). Die Netzwerkverbindung zwischen RH und BBU wird dabei Fronthaul genannt.

Und genau hier setzt das neue Netzdesign, welches schon mit 4G eingeführt wurde, an.

Statt der D-RAN-Topologie, also dem verteilten Aufstellen von Antenne und Controller, wird jetzt auf die C-RAN-Variante umgestellt.

C-RAN (Centralized Radio Access Network) bedeutet, dass aus dem RH ein RRH (Remote Radio Head) wird, also eine Antenne, deren Controller nicht in der Nähe der Sendeeinheit platziert ist. Die BBU ist nun ein Controller, der zentral eine Reihe von RRH-Einheiten bedienen oder besser steuern kann.

Da aber mit der Zentralisierung der BBU’s die Strecken zwischen Radioeinheit und Controller länger werden und die BBU statt bisher eine nun mehrere Antennen steuern muss, besteht im Fronthaul ein akuter Handlungsbedarf.

Dieser Handlungsbedarf tritt deutlich hervor, wenn man bedenkt, dass zwischen dem RRH und dem BBU ein optisches Netzwerk zum Einsatz kommt, welches auf Ethernet-Technik basiert.

Die mit 5G auf der Funkseite zu erwartenden Datenmengen können im Fronthaul nur mit Netzen bedient werden, die 10 Gbit/s und mehr zur Verfügung stellen. Die einzige etablierte Technik dafür ist Ethernet.

Zudem erfordert ein Protokoll wie RoE (Radio over Ethernet), welches CIPR in Ethernet encapsuliert, ein deterministisches Netzwerkverhalten, eine garantierte Latenz, sowie Übertragung ohne Paketverluste, was wiederum nur mittels TSN sicher zur Verfügung gestellt werden kann.

Wie Sie also unschwer erkennen können, ist Time Sensitive Networking eine Technologie, die durchaus ein Marktpotenzial aufweist, wenn auch nicht zwingend in unseren klassischen LAN- und WAN-Umgebungen.

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