Industrial Communication
Industrielle Echtzeitnetzwerke.
TSN, OPC UA FX und DetNet
Industrielle Echtzeitkommunikation lässt sich unter Linux mit einer Kombination aus Time-Sensitive Networking (TSN), OPC UA FX und Deterministic Networking (DetNet) umsetzen. Zusammen bilden sie einen offenen Kommunikations-Stack für industrielle Steuerungen, Edge Computing und konvergente OT/IT-Netzwerke.
In der industriellen Automatisierung kommen traditionell spezialisierte Feldbusse wie EtherCAT oder PROFIBUS zum Einsatz. Sie ermöglichen deterministische Kommunikation, binden Anwender jedoch an herstellergeprägte Ökosysteme. PROFIBUS etwa benötigt zudem eine spezifische Verkabelung, die von der übrigen IT-Infrastruktur getrennt ist.
Time-Sensitive Networking (TSN) erweitert Ethernet (IEEE 802.1Q) um deterministisches Timing und zuverlässige Datenübertragung, wie sie industrielle Steuerungen typischerweise erfordern. Mainline-Linux unterstützt die wesentlichen TSN-Bestandteile über das Netzwerk-Subsystem des Kernels und passende Userspace-Werkzeuge, ganz ohne zusätzliche Patches. Für einen Großteil der TSN-fähigen Netzwerkcontroller stehen entsprechende Treiber bereits im Mainline-Kernel zur Verfügung.
Mit TSN teilen sich echtzeitkritischer OT-Verkehr und herkömmlicher IT-Verkehr dieselbe Ethernet-Infrastruktur, auch mit Geräten verschiedener Hersteller. Anwendungen ohne Echtzeitanforderungen nutzen weiterhin den vollständigen Linux-Netzwerk-Stack. TSN stellt sicher, dass dieser Verkehr das Timing latenzkritischer Datenströme nicht stört.
RTC-Testbench
Die RTC-Testbench validiert Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Datenverkehr über TSN und Preempt-RT. Als Workloads kommen Protokolle wie PROFINET und OPC UA PubSub zum Einsatz. Zusätzlich misst die Testbench den Performance-Overhead von Authentifizierung und Verschlüsselung.
Die Testbench besteht aus zwei Komponenten: referenceerzeugt und überprüft Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Datenverkehr, während mirror diesen Datenverkehr zurückspiegelt. Jitter und Latenz lassen sich dabei live in einem Grafana-Dashboard verfolgen. Die RTC-Testbench ist kein TSN-Konformitätstestwerkzeug, sondern ein herstellerunabhängiges Evaluierungswerkzeug für reale Einsatzszenarien, das vollständig auf Mainline-Linux-Tools basiert.
Linutronix betreut das Projekt, das von Sponsoren wie Phoenix Contact, Intel und Siemens unterstützt wird.
OPC UA unter Linux
OPC UA (IEC 62541) ist ein herstellerunabhängiger Standard auf Anwendungsebene, der IT und OT in industriellen Systemen verbindet.
PubSub
Publisher senden Prozessdaten zyklisch oder ereignisgesteuert an mehrere Subscriber, ohne dass eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung erforderlich ist. In Kombination mit TSN ermöglicht OPC UA PubSub eine deterministische Datenübertragung für Steuerungsanwendungen auf Feldebene.
OPC UA FX
OPC UA FX (Field eXchange) erweitert OPC UA auf die Feldebene. Entwickelt wird der Standard von der Field Level Communications Initiative der OPC Foundation. OPC UA FX baut auf TSN auf, ist eine offene Alternative zu proprietären Feldbusprotokollen und enthält einen Connection Manager für die koordinierte Echtzeitkommunikation zwischen Steuerungen.
Für TSN-Anwendungen stehen unter Linux mehrere Schnittstellen zur Verfügung. Sie unterscheiden sich darin, wie viel Latenz sie mit sich bringen und wie aufwendig sie zu nutzen sind.
open62541
open62541 ist eine weit verbreitete Open-Source-Implementierung von OPC UA in C. Linutronix trägt aktiv zur Weiterentwicklung bei, unter anderem mit dem Security Key Service (SKS), der Schlüssel für PubSub-Kommunikation verteilt, und mit der Avahi-Integration für die Server-Discovery über mDNS.
OPC UA PubSub über TSN ist bereits in Produktivumgebungen im Einsatz. Den OPC UA FX Connection Manager unterstützt open62541 dagegen noch nicht vollständig.
Deterministic Networking (DetNet)
TSN funktioniert innerhalb einer Produktionshalle gut, lässt sich aber nicht ohne Weiteres auf Industrieparks oder Anlagen mit mehreren Gebäuden ausdehnen. Fehlt das Routing auf Layer 3 zwischen getrennten Layer-2-Segmenten, können Broadcast-Storms die Performance beeinträchtigen, und die Absicherung des Netzwerks wird schwieriger. Vor derselben Herausforderung stehen auch Energieversorger und Telekommunikationsanbieter.
DetNet, ein von der IETF standardisierter Ansatz, überträgt die Garantien, die TSN auf Layer 2 bietet, auf Layer 3 und baut dabei direkt auf den Konzepten von TSN auf (RFC 8655).
Tunneling
IPv6- oder MPLS-Pseudowires kapseln Ethernet-Frames über Layer-3-Hops hinweg. Am Tunnelende (Egress) wird der Frame einschließlich seines VLAN-Mappings wiederhergestellt, sodass die Zuordnung der Verkehrsklassen Ende-zu-Ende erhalten bleibt.
Paketreplikation
Datenströme werden über redundante Pfade dupliziert, sodass der Ausfall eines Kabels oder Switches die Echtzeitkommunikation nicht unterbricht.
Domänen-Isolierung
VLAN-IDs werden pro Domäne zugewiesen und an den Segmentgrenzen auf separate DetNet-Datenströme abgebildet.
detnetctl
detnetctl macht einen Linux-Rechner auf Standardhardware zum DetNet-Router oder Edge-Cluster-Knoten. Statt die taprio-Qdisc manuell einzurichten, erfolgt die Konfiguration über YAML oder NETCONF/YANG, und zwar mit standardisierten Datenmodellen, wie sie auch Managed Switches verwenden.
Teilen sich mehrere Container einen Knoten, muss der Datenverkehr sauber getrennt bleiben: Schon wenige fremde Pakete in einer Warteschlange können Paketverluste und Latenzspitzen verursachen. detnetctl ordnet deshalb die Frames jeder Anwendung automatisch der richtigen Warteschlange zu, ohne dass die Anwendung angepasst werden muss.
Der vollständige, offene Kommunikations-Stack
TSN, OPC UA FX und DetNet ermöglichen die Übertragung von echtzeitkritischem OT-Datenverkehr und herkömmlichem IT-Datenverkehr über eine gemeinsame Ethernet-Infrastruktur. Eine eigene Feldbusverkabelung ist nicht mehr nötig, und die Abhängigkeit von einzelnen Herstellern sinkt.
SchichtTechnologieEinsatzzweck
AnwendungOPC UA FXHerstellerunabhängige Informationsmodelle und Verbindungsmanagement für die Feldebene
MessagingOPC UA PubSubZyklischer und ereignisgesteuerter Datenaustausch über TSN
SicherungTSN (IEEE 802.1Q)Deterministische Latenz, Synchronisation im Sub-Mikrosekundenbereich
NetzwerkDetNet (IETF)Deterministisches L3-Routing über TSN-Segmente hinweg
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Switch und NIC Support
Treiberentwicklung für Switches auf Basis von Switchdev und DSA sowie Fehlerbehebung im gesamten Netzwerk-Stack.
OPC UA FX
Integration von open62541, Entwicklung des Connection Managers und PubSub-Sicherheit.
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