TSN-based Converged Industrial Networks: Evolutionary Steps and Migration Paths

Arnim, Christian von; Dragan, Mihai; Frick, Florian; Lechler, Armin; Riedel, Oliver; Verl, Alexander

doi:10.1109/etfa46521.2020.9212057

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“…IEEE 802.1 Time Sensitive Networking (TSN) provides a standardized framework of tools for providing deterministic Ultra-Low Latency (ULL), e.g., for industrial control applications, automotive networking, smart grid applications, and avionics communication systems [11,22,30,34,57,63,88]. In particular, the IEEE 802.1Qbv Time Aware Shaper (TAS) has received extensive attention as a key tool for achieving a deterministic ULL network service.…”

Section: Motivationmentioning

confidence: 99%

Reconfiguration algorithms for high precision communications in time sensitive networks: Time-aware shaper configuration with IEEE 802.1Qcc

Elbakoury¹,

Reisslein²,

Thyagaturu³

et al. 2021

ITU-J FET

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As new networking paradigms emerge for different networking applications, e.g., cyber-physical systems, and different services are handled under a converged data link technology, e.g., Ethernet, certain applications with mission critical traffic cannot coexist on the same physical networking infrastructure using traditional Ethernet packet-switched networking protocols. The IEEE 802.1Q Time Sensitive Networking (TSN) Task Group is developing protocol standards to provide deterministic properties, i.e., eliminates non-deterministic delays, on Ethernet based packet-switched networks. In particular, the IEEE 802.1Qcc, centralized management and control, and the IEEE 802.1Qbv, Time-Aware Shaper (TAS), can be used to manage and control Scheduled Traffic (ST) streams with periodic properties along with Best-Effort (BE) traffic on the same network infrastructure. We investigate the effects of using the IEEE 802.1Qcc management protocol to accurately and precisely configure TAS enabled switches (with transmission windows governed by Gate Control Lists (GCLs) with Gate Control Entries (GCEs)) ensuring ultra-low bounded latency, zero packet loss, and minimal jitter for ST TSN traffic. We examine both a centralized network/distributed user model (hybrid model) and a fully-distributed (decentralized) 802.1Qcc model on a typical industrial control network with the goal of maximizing the number of ST streams.

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Section: Motivationmentioning

confidence: 99%

Reconfiguration algorithms for high precision communications in time sensitive networks: Time-aware shaper configuration with IEEE 802.1Qcc

Elbakoury¹,

Reisslein²,

Thyagaturu³

et al. 2021

ITU-J FET

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“…Das Aus den beschriebenen Gründen kommen Migrationsstrategien bzw. das Thema Kompatibilität eine hohe Bedeutung zu [8,9]. Die Verwendbarkeit von bestehenden Feldgeräten ist daher auch eine von der Arbeitsgruppe IEC/IEEE60802 herausgearbeitete Anforderung.…”

Section: Eigenschaften Bei Der Einführung In Die Anwendungunclassified

Migrationskonzept zur Einführung von Ethernet TSN in die Feldebene

Schriegel

Jasperneite

2021

At - Automatisierungstechnik

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Zusammenfassung Anwendungen, wie z. B. eine datengetriebene Prozessüberwachung oder eine für die Fertigung kundenindividueller Produkte notwendige wandlungsfähige Produktionstechnik, erzeugen neue und zusätzliche Anforderungen an die Industrielle Kommunikation. Die Kommunikation muss stoßfrei rekonfiguriert werden können, um Plug-and-Play-Dienste zu ermöglichen und so skalierbar und sicher sein, dass eine vertikale Kommunikation vom Sensor bis zur Cloud möglich wird. Als Basis für ein skalierbares Kommunikationsnetzwerk, welches von verschiedenen echtzeitfähigen oder nicht-echtzeitfähigen Protokollen konvergent genutzt werden kann und so die bisher harte Grenze zwischen IT und Feldebene durchlässig macht, soll Ethernet TSN verwendet werden. Um auch einfache Sensoren ohne Gateways anzuschließen, sollen neue physikalische Übertragungstechnologien, Single Pair Ethernet (SPE) eingesetzt werden. Lange Lebenszyklen von Produktionsanlagen und Automatisierungstechnik führen allerdings dazu, dass die Einführung und Verbreitung neuer Technologien nur langsam erfolgt. Dabei unterliegt die Einführung der genannten Technologien unterschiedlichen Einflüssen: So ist die Einführung von TSN als Netzwerktechnologie gegenüber einer Physical Layer-Technologie, wie Single Pair Ethernet, oder einer Protokolleinführung, wie OPC UA, besonders schwer, da TSN nur dann genutzt werden kann, wenn alle Geräte eines Netzwerkes TSN auch unterstützen. Migrationsstrategien für Feldgeräte sind heute häufig unzureichend. Ein neuer Ansatz für eine verbesserte Migrationsstrategie für Feldgeräte, der die Einführung von Ethernet TSN in die Feldebene ermöglicht, ist der Ethernet Bridge-Modus „Time Aware Forwarding“. Time Aware Forwarding vereinfacht die Umsetzung von TSN in Feldgeräte mit zwei Ports. Bestehende PROFINET-Hardware und -Geräte erlangen mit diesem Verfahren die geforderten Funktions- und Leistungsmerkmale, wie Synchronität und geplanter Datenverkehr, um mit TSN-Netzwerken zusammenarbeiten zu können.

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“…Hence to handle both IT and OT data IEEE has proposed various standards such as IEEE 802.1AS (gPTP, an extension of PTP protocol), IEEE 802.1Qbu (Frame pre-emption), IEEE P802.1Qci(traffic filtering and policing), IEEE 802.1CB redundant frame transmission, IEEE 802.1Qcc (configuration aspects), etc. [4] [24] [26]. In TSN, based on the type, data is classified into various classes and handled by algorithms specific to traffic classes.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Performance analysis of cost effective multi-hop Time Sensitive Network for IEEE 802.1Qbv and IEEE 802.1Qbu standards

Hagargund

Kulkarni

Satheesh

2022

J. Phys.: Conf. Ser.

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Time-Sensitive Networking (TSN) is an emerging technology, which enables advancements in applications like industrial automation, automatic vehicle-to-vehicle communication, etc. which hosts various time-critical applications, ensuring bounded latency. The novel idea of this paper is to present OMNET++ simulation-based complex multi-hop TSN network using the native VLAN concept to bring out a cost-effective model for inter-TSN and Intra-TSN domains. This paper investigates the performance of hybrid IEEE standards, ie.IEEE 802.1Qbu and IEEE 802.1Qbv standards. The simulation results show that the combination of these standards, when effectively scheduled in switches will reduce the latency by 3.3 µseconds in time-critical applications. Further, it is observed that in Best effort traffic, frame loss is also very less in the range of 2-5 frames out of 1385 frames. These results certainly will be of great value in more complex TSN deployments.

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TSN-based Converged Industrial Networks: Evolutionary Steps and Migration Paths

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Reconfiguration algorithms for high precision communications in time sensitive networks: Time-aware shaper configuration with IEEE 802.1Qcc

Reconfiguration algorithms for high precision communications in time sensitive networks: Time-aware shaper configuration with IEEE 802.1Qcc

Migrationskonzept zur Einführung von Ethernet TSN in die Feldebene

Performance analysis of cost effective multi-hop Time Sensitive Network for IEEE 802.1Qbv and IEEE 802.1Qbu standards

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